移动闭塞条件下的高速铁路车地信息传输时延分析

张洪瑞

摘要：采用先进的闭塞制式能够有效提高行车密度和运输效率，因此移动闭塞将成为我国高速铁路信号系统未来的发展方向。分析移动闭塞条件下车地信息的传输过程，研究了GSM-R信道故障和电波衰落对列控数据端到端传输时延造成的影响以及车地信息传输时延产生的各种因素，研究结果可对下一代列控系统的设计提供一定理论依据。

关键词：移动闭塞；列车运行控制系统；数据传输；

引言：随着我国高铁客流量的大幅增加，线路的通过能力还需进一步提升[1]。移动闭塞是轨道交通领域最先进的闭塞技术，具有行车密度高、追踪间隔时间短等优势[2]。在移动闭塞系统中，车地交互的列控信息包括行车许可(Movement Authority, MA)和列车位置报告，具有数据量小、实时性高和可靠性高等特点。由于列控数据传输机制与无线通信系统故障等因素，MA具有一定的时延特性，对运输效率与行车安全产生一定的影响，因此对高速铁路车地信息传输时延的形成原因和影响因素进行分析和研究是十分必要的。

1 车地信息传输原理

1.1 移动闭塞系统概述

闭塞是用信号或者凭证，保证前行列车和追踪列车之间保持一定距离的技术方法，可以有效保障行车安全。在移动闭塞中闭塞分区是动态变化的，车载设备和地面设备通过铁路无线通信系统进行双向信息交互实时计算列车最大制动距离，从而使列车制动的终点从闭塞分区的入口处延伸至前行列车的车尾。

1.2 列控通信系统组成

基于GSM-R的列控通信系统主要由列控车载设备、GSM-R网络和地面设备组成，列控车载设备包括列车车载应用，列控车载安全通信单元和MT，MT可提供外部终端接口和进入GSM PLMN信令协议的接口协议。列控车载安全通信单元主要功能是对列控数据进行封装和解码，并通过IGSM-R接口与MT进行数据交互。地面设备主要包括RBC安全通信单元和RBC应用，RBC通过ISDN网络与GSM-R网络进行列控数据交互，完成列车间隔控制和列车防护功能。

1.3 移动闭塞下的车地信息传输过程

移动闭塞下列车定位由无线闭塞中心与车载验证系统共同完成，列车位置报告通过GSM-R上行链路网络发送至RBC，BRC结合位置报告与线路数据计算MA，通过GSM-R下行链路网络发送至后车的车载计算机，车载计算机根据MA计算ATP曲线控制列车安全、高效运行。

2 列控数据传输过程

2.1 GSM-R数据处理过程

GSM-R采用电路域传输列车控制类业务等安全信息，在传输过程中独立连续占用信道，具有数据传输稳定、可靠性高和实时性好等优点，能够满足CTCS对安全数据传输的要求，数据通过应用层、安全层等分层模型进行封装后形成HDLC帧在空中接口进行传输。

2.2 HDLC传输协议

GSM-R的数据链路层采用高级数据链路控制协议，能够检测列控数据在传输过程中的完整性和正确性。在发送方与接收方建立HDLC层连接后，发送方开始发送I帧，当I帧被正确接收后接收方向发送方发送RR帧，如果接收方检测到数据帧丢失，接收方向发送方发送SREJ帧要求接收方重传丢失的I帧。当发送方发送I(2)帧后接收端检测到错误，接收方接收到SREJ帧后停止发送I(7)帧，在I(2)帧发送后继续发送I(7)帧。

3 车地信息传输时延分析

3.1 行车许可传输时延定义

本文将MA传输时延定义为：自前车发送列车位置开始，至后车接收到RBC发送的MA。MA传输时延计算公式见式1。

                                                                    （1）

式中：表示MA传输时延，表示消息在上行链路传输产生的时延，表示消息在下行链路的时延，表示车载单元到DMI接口的时延。考虑每条MA消息由n个数据帧组成，、包括数据帧传输间隔时间及GSM-R端到端时延时间（）。设每帧数据帧的发送间隔时间为ΔT，可由下式表示：

                                                                 （2）

当接收端检测到失序的数据帧后，发送端对发送失败的数据帧进行重新发送，这是引起增大的主要原因。考虑重传机制的计算公式为：

                           （3）

代入式（1），得

                （4）

3.2 车地信息传输时延影响因素的分析

3.2.1车地信息传输过程中的端到端传输时延

GSM-R列控数据端到端传输时延是GSM-R电路域Qos指标之一，指移动端发起数据请求至成功接收到数据之间的时间间隔。GSM-R列控数据传输时延主要由以下几个部分组成：

（1）列控数据发送时延。列控数据发送时延主要受到数据长度和传输速率影响，GSM-R电路交换数据业务采用异步透明传输方式，支持2.4kbps、4.8kbps和9.6kbps三种数据传输速率。

（2）GSM-R系统处理时延。GSM-R系统处理时延包括比特与字符之间转换时延、异步到同步转换时延、数据帧缓存时延、信道编码时延、协议处理时延和终端数据处理时延等。

3.2.2列控通信系统的信道特性

信道具有随机衰落的特性，比如电波的大尺度衰落和小尺度衰落会影响接收信号电平的随机变化，从而导致接收机误码率的变化，同时列车与基站的位置、速度的变化以及越区切换都会对列控信息的传输质量产生影响。数据帧在信道中也会发生失效的现象，导致GSM-R信道失效主要有以下三种原因：

（1）突发降质：GSM-R信道会随机发生中断，短时间后信道会自动恢复正常。无线信道突发降质产生周期大于7s的概率为99%，持续周期小于1s的概率为99%。

（2）越区切换：当列车从一个GSM小区移动到另一个小区时，会发生短暂的通信中断现象，设列车速度为v，基站之间平均间隔为l，则列车大约每隔l/v会发生一次越区切换，每次越区切换导致300ms的信道中断。

（3）链路中断：GSM-R每小时链路中断的概率小于0.01，8s内连接成功的概率为95%，连接时间大于10s认为连接出现错误。

4 总结

列车运行控制系统的通信系统是实现车地间双向通信的平台，系统的实时性能是列车安全、高效运行的重要保障，在移动闭塞条件下对列控实时性能有着更高的要求。本文对移动闭塞条件下的车地信息传输过程及传输时延的形成因素进行详细分析，可为CTCS-4级列控系统的设计与开发提供一定的参考。

参考文献

[1] 程剑锋,赵显琼,刘磊.CTCS-4级列控系统关键技术研究[J].北京交通大学学报(自然科学版),2016,(5):104-110.

[2] 李启翮.CTCS-4级列车控制系统研发关键点分析[J].铁路通信信号工程技术,2016,13(01):1-5.