鐵路毫米波差異化接入ICT融合信息傳輸平臺(tái)的研究

朱 巖 戚建淮 周 杰 崔 宸 杜玲禧

(1.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司，北京 100000；2.深圳市永達(dá)電子信息股份有限公司，廣東 深圳 518055)

1 引言

隨著5G技術(shù)[1,2]的發(fā)展，各行各業(yè)間的交互逐漸增多，推動(dòng)著技術(shù)間的交流和融合。自上世紀(jì)末開始，信息技術(shù)（Information Technology,IT）與通信技術(shù)（Communication Technology,CT）也朝著相互融合的方向發(fā)展，由此出現(xiàn)了一種新的技術(shù)發(fā)展方向——信息與通信技術(shù)（Information and Communications technology,ICT）融合[3,4]。ICT融合作為一個(gè)涵蓋性的術(shù)語(yǔ)，其包含了所有通信設(shè)備以及相關(guān)的各種服務(wù)和應(yīng)用軟件。眾多學(xué)者對(duì)ICT技術(shù)進(jìn)行了研究，夏新宇等[5]對(duì)配網(wǎng)通信網(wǎng)ICT測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與探討；蘇悅娟等人[6]對(duì)汽車ICT信息服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行分析，構(gòu)建了一個(gè)汽車后時(shí)代ICT信息服務(wù)平臺(tái)；林滸等[7]分析了傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的不足，并設(shè)計(jì)出一種新的基于軟總線的ICT融合通信服務(wù)體系結(jié)構(gòu)；吳志明等[8]提出一種新型的電信運(yùn)營(yíng)商ICT服務(wù)技術(shù)架構(gòu)，并闡述了架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用服務(wù)場(chǎng)景。雖然ICT技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，然而當(dāng)前并沒有應(yīng)用此技術(shù)于鐵路信息傳輸?shù)脑敿?xì)設(shè)計(jì)。

本文計(jì)劃設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于鐵路信息傳輸?shù)腎CT融合的信息傳輸平臺(tái)[9,10]，以期該平臺(tái)能切實(shí)解決鐵路實(shí)時(shí)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息共享等問題，滿足不同場(chǎng)景下列車無線通信需求。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

目前適用于鐵路的各個(gè)應(yīng)用平臺(tái)間相互獨(dú)立，沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使得各平臺(tái)間的交互存在困難[11]。當(dāng)前的鐵路信息系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)信息共享，無法對(duì)信息進(jìn)行及時(shí)變更和調(diào)整，造成信息報(bào)告延遲。為了切實(shí)解決現(xiàn)有車地?zé)o線通信技術(shù)的傳輸帶寬瓶頸、后臺(tái)算力不足、無法及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與處理等問題。我們利用Python語(yǔ)言設(shè)計(jì)了一個(gè)能實(shí)現(xiàn)鐵路毫米波差異化接入的ICT融合信息傳輸平臺(tái)，該平臺(tái)分別由操作層、云端層、通信支持層和終端執(zhí)行層組成，具體的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于毫米波的ICT融合信息傳輸平臺(tái)架構(gòu)圖

（1）操作層主要包含前端控制平臺(tái)，設(shè)計(jì)了三類接口：云接口(cloud_interfaces())、通信接口(com_interfaces())、終端接口(client_interfaces())，三類接口分別對(duì)應(yīng)云端層、通信支持層、終端執(zhí)行層。操作層的功能類具體實(shí)現(xiàn)如下：

class Operate:#定義操作層的功能類

def cloud_interfaces()#定義云接口實(shí)現(xiàn)函數(shù)

def com_interfaces()#定義通信接口實(shí)現(xiàn)函數(shù)

def client_interfaces()#定義終端接口實(shí)現(xiàn)函數(shù)

（2）云端層作為平臺(tái)的核心層，包含通信系統(tǒng)、智能引擎、列車車載大數(shù)據(jù)等模塊。其中，通信系統(tǒng)包含的web ser-vice和web socket端口主要用來和操作層連接。車載大數(shù)據(jù)模塊承載著列車各類大數(shù)據(jù)，包含各類實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)、安全/非安全的車地傳輸數(shù)據(jù)，如：調(diào)度命令數(shù)據(jù)、乘務(wù)管理信息數(shù)據(jù)、列控動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)、故障記錄/歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。搭載的智能引擎模塊搭載的先進(jìn)IT、CT技術(shù)能選擇最優(yōu)算法為數(shù)據(jù)分配計(jì)算資源進(jìn)行處理。云端層的功能類具體實(shí)現(xiàn)如下：

class Cloud:#定義云端層的功能類

def Communication()#定義通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)函數(shù)

def Intelligent_engine()#定義智能引擎實(shí)現(xiàn)函數(shù)

def IB_data_analysis()#定義列車車載大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)函數(shù)

（3）通信支持層利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network,SDN)高速交換機(jī)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理、部署和操作，保障了數(shù)據(jù)交換過程的信息安全。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬(Network Functions Virtualization,NFV)技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)提供更好的伸縮性和自動(dòng)化能力，進(jìn)一步使得基礎(chǔ)設(shè)施利用率得到有效提升。利用大規(guī)模天線陣技術(shù)增加毫米波通信的覆蓋范圍。通過Q波段、V波段、E波段毫米波，為實(shí)現(xiàn)多種無線方式選擇與差異化接入提供支持。通信支持層的功能類具體實(shí)現(xiàn)如下：

class Com_help:#定義通信支持類

def NFV()#定義網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化實(shí)現(xiàn)函數(shù)

def SDN()#定義軟件自定義實(shí)現(xiàn)函數(shù)

def HDLC()#定義高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制實(shí)現(xiàn)函數(shù)

（4）終端執(zhí)行層主要包含物理終端模塊和CRH2仿真模塊。其中，物理終端包含列車行駛、調(diào)度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、大算力支持的各類硬件。列車作為最終的交互目標(biāo)，利用多功能車輛總線(Multifunction Vehicle Bus,MVB)實(shí)現(xiàn)車輛內(nèi)部的設(shè)備信息傳輸與控制；絞線式列車總線(Wire Train Bus,WTB)實(shí)現(xiàn)各車輛間的通信。通信層的功能類具體實(shí)現(xiàn)如下：

class terminal_execution:#定義終端執(zhí)行類

def PT_Access_Control()#定義物理終端接入控制實(shí)現(xiàn)函數(shù)

def CHR2()#定義CHR2仿真實(shí)現(xiàn)函數(shù)

該平臺(tái)的四層架構(gòu)，解決了傳統(tǒng)鐵路信息系統(tǒng)功能單一，各平臺(tái)間難以交互的問題，理論上能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景下的差異化無線接入的需求。

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

該平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)差異化無線傳輸、智慧調(diào)度、實(shí)時(shí)通信、可靠傳輸?shù)裙δ埽竟?jié)內(nèi)容對(duì)毫米波差異化接入具體方式進(jìn)行闡述。首先判斷操作用戶類型，根據(jù)（遠(yuǎn)程、當(dāng)?shù)亍⒄军c(diǎn)）三種不同的用戶類型分別采取如下三種方式進(jìn)行調(diào)度。具體調(diào)度過程如下：

#遠(yuǎn)程調(diào)度過程實(shí)現(xiàn)

if connect_fs==“yc”:

OP=Operate()#將操作層類實(shí)例化

OP.cloud_interfaces()#初始化操作層與云端層通信接口

CL=Cloud()#將云端層的功能類實(shí)例化

CL.Communication()#建立操作層與云端通信聯(lián)系

Cum=Com_help()#將通信支持類實(shí)例化

Cum.NFV()#將網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

Cum.SDN()#將虛擬化的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制

Cum.HDLC()#選擇最優(yōu)的鏈路建立通信

CC=terminal_execution()#將終端執(zhí)行類實(shí)例化

CC.PT_Access_Control()#對(duì)終端進(jìn)行物理控制

#當(dāng)?shù)罔F路局調(diào)度過程實(shí)現(xiàn)

elif connect_fs==“bd”：

OP=Operate()#將操作層類實(shí)例化

OP.cloud_interfaces()#初始化操作層與云端層通信接口

Cum=Com_help()#將通信支持類實(shí)例化

Cum.NFV()#將網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

Cum.SDN()#將虛擬化的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制

Cum.HDLC()#選擇最優(yōu)的鏈路建立通信

CC=terminal_execution()#將終端執(zhí)行類實(shí)例化

CC.PT_Access_Control()#對(duì)終端進(jìn)行物理控制

#站點(diǎn)調(diào)度過程實(shí)現(xiàn)

else：

OP=Operate()#將操作層類實(shí)例化

OP.terminal_execution()#初始化操作層與云端層通信接口

CC=terminal_execution()#將終端執(zhí)行類實(shí)例化

CC.PT_Access_Control()#對(duì)終端進(jìn)行物理控制

4 平臺(tái)功能

基于ICT融合技術(shù)，將通信、安全、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等技術(shù)結(jié)合起來，共同組成了ICT融合的信息傳輸平臺(tái)，每層具有如下功能：

（1）操作層能根據(jù)不同場(chǎng)景（遠(yuǎn)程/本地/站點(diǎn)）選擇不同的接口對(duì)列車進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度指揮，以此實(shí)現(xiàn)差異化無線接入功能。具體地，a.其他異地鐵路局可以通過遠(yuǎn)程操控，從操作層的前端控制平臺(tái)，利用web service和web socket，經(jīng)云接口通過操作層——云端層——通信支持層——終端執(zhí)行層對(duì)列車進(jìn)行調(diào)度以及數(shù)據(jù)的傳輸、處理；b.當(dāng)?shù)罔F路局可以選擇上述方式，也可以利用通信接口通過操作層——通信支持層——終端執(zhí)行層對(duì)列車進(jìn)行調(diào)度與數(shù)據(jù)傳輸；c.具體到站點(diǎn)可以利用終端接口直接通過操作層——終端執(zhí)行層進(jìn)行調(diào)度與數(shù)據(jù)傳輸。操作層除了可以發(fā)布調(diào)度命令，還能從云端/終端/各站點(diǎn)獲取和處理數(shù)據(jù)。

（2）云端層能對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)諸如調(diào)度優(yōu)化、算法加速、任務(wù)規(guī)劃、數(shù)據(jù)分析等功能。計(jì)算過程基于MapReduce思想，首先將計(jì)算任務(wù)智能劃分成多個(gè)子任務(wù)，然后對(duì)同類子任務(wù)進(jìn)行堆疊，再將不同類型的堆疊結(jié)果進(jìn)行匯總，最終得到總計(jì)算結(jié)果?；诖耍悄芤嫱ㄟ^分布式并行處理提高了算力，節(jié)省了計(jì)算資源，加快了計(jì)算速度。

（3）通信支持層利用不同波段的毫米波，為差異化無線接入提供了支撐。具體地，車站利用Q波段接入后方指揮中心，并將公網(wǎng)作為毫米波擴(kuò)容頻段。列車搭載V波段與E波段毫米波設(shè)備，在運(yùn)行過程中進(jìn)行混合通信。V波段進(jìn)行調(diào)度指令等安全數(shù)據(jù)的傳輸，E波段進(jìn)行大量非安全數(shù)據(jù)的傳輸，保障列車在高速行駛情況下的高可靠性、高連通率、高傳輸質(zhì)量地通信，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)預(yù)警，以及列車車載大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能。

（4）終端執(zhí)行層使得列車可以執(zhí)行來自各級(jí)用戶（遠(yuǎn)程/本地/站點(diǎn)）的調(diào)度命令，同時(shí)實(shí)現(xiàn)差異化的數(shù)據(jù)上傳方式。具體地，a.將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過通信支持層上行發(fā)送到云端；b.將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過通信支持層發(fā)送到本地，本地再通過公網(wǎng)上傳至云端；c.將大量非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至停靠車站，車站再利用公網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到云端。終端搭載仿真模塊，使用者能利用ADAMS、Rail等仿真軟件，通過參數(shù)設(shè)置對(duì)CHR2型高速動(dòng)車組進(jìn)行建模仿真，方便高效。

本文設(shè)計(jì)的ICT融合的信息傳輸平臺(tái)，解決了傳統(tǒng)鐵路信息系統(tǒng)功能單一、各平臺(tái)間難以交互的問題，理論上實(shí)現(xiàn)了多場(chǎng)景下的差異化無線接入、列車調(diào)度、信息傳輸與融合以及數(shù)據(jù)分析等功能。

5 測(cè)試

對(duì)于該平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于車地大容量通信的可行性，測(cè)試組按表1參數(shù)設(shè)定開展了一系列測(cè)試，本章以成都和石家莊的測(cè)試結(jié)果為例進(jìn)行闡述。

表1 車地?zé)o線通信參數(shù)表

（1）成都測(cè)試組采用60km/h（最高限速）運(yùn)行速率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 不同距離下的通信速率

由于現(xiàn)場(chǎng)有大量的車輛在行駛，對(duì)測(cè)試的結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，但測(cè)試過程中的數(shù)據(jù)結(jié)果表明其峰值能夠超過7.0Gbps。

（2）石家莊測(cè)試組進(jìn)行的車地實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 石家莊機(jī)務(wù)段測(cè)試

測(cè)試過程的數(shù)據(jù)結(jié)果表明車地大容量通信的均值傳輸速率超過了5Gbps，峰值速率超過7.0Gbps。

綜上，平臺(tái)采用的基于適應(yīng)移動(dòng)的特殊幀結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)調(diào)制/解調(diào)，高效可靠的LDPC編碼、縫隙天線等技術(shù)集成的E波段毫米波通信設(shè)備構(gòu)建車地大容量轉(zhuǎn)儲(chǔ)物理通道，支持作用距離超過2000米的通信距離，支持超過60km/h秒級(jí)快速接入，實(shí)現(xiàn)無線寬帶接入在正線峰值超過5Gbps的通信速率，在貨場(chǎng)峰值速率超過2.0Gbps，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)下的大容量毫米波通信傳輸。因此，本文鐵路毫米波差異化接入ICT融合信息傳輸平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)是合理可行的，未來的研究方向?qū)⒃趯?shí)際使用過程中對(duì)平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，使得架構(gòu)更加完備，功能更加穩(wěn)定可靠。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種鐵路毫米波差異化接入ICT融合信息傳輸平臺(tái)，首先對(duì)平臺(tái)的四層架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；接著對(duì)平臺(tái)各層可實(shí)現(xiàn)的功能，如：多場(chǎng)景多方式的差異化無線傳輸、智慧調(diào)度、實(shí)時(shí)通信、可靠傳輸?shù)冗M(jìn)行了詳細(xì)闡述；最后對(duì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)車地大容量通信開展了測(cè)試，驗(yàn)證了平臺(tái)的可行性。該平臺(tái)能達(dá)成各層級(jí)、各模塊間的互聯(lián)互通；實(shí)現(xiàn)列車多場(chǎng)景多方式的差異化無線傳輸、智慧調(diào)度、實(shí)時(shí)通信、可靠傳輸?shù)裙δ?；促進(jìn)鐵路5G信息傳輸平臺(tái)的結(jié)構(gòu)以及功能優(yōu)化，并進(jìn)一步推動(dòng)ICT融合技術(shù)的發(fā)展。