基于GSM-R的LOCOTROL系統(tǒng)介紹

1、2022-6-101采用采用GSM-RGSM-R實(shí)現(xiàn)機(jī)車同步操作控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)車同步操作控制系統(tǒng)丁建文Email: 電話6032007年1月2022-6-102內(nèi)容提綱 研制過程 系統(tǒng)介紹 現(xiàn)場試驗(yàn)2022-6-103研制過程2022-6-104主要內(nèi)容 任務(wù)由來 項(xiàng)目概述 階段描述2022-6-105一、任務(wù)由來 2002年底鐵道部正式確定將GSM-R作為我國鐵路移動(dòng)通信的發(fā)展方向； 2003年9月22日信息產(chǎn)業(yè)部批準(zhǔn)GSM-R使用頻率； 2003年8月提出“采用GSM-R實(shí)現(xiàn)大秦線重載運(yùn)輸機(jī)車同步操作控制系統(tǒng)”思路； 2003年9月在華為公司提出大秦GSM-R“

2、八大應(yīng)用”，首推機(jī)車同步操作控制系統(tǒng)； 2004年6月9日，鐵道部在北京召開“大秦線采用LOCOTROL技術(shù)開行重載組合列車綜合試驗(yàn)工作會(huì)議” ； 2004年6月20日確定以北京交大提出的方案作為主用方案，華為公司的方案為備用方案。2022-6-106二、項(xiàng)目概述 采用GSM-R實(shí)現(xiàn)機(jī)車同步操作控制項(xiàng)目，分為了五個(gè)階段： 系統(tǒng)方案的確定及實(shí)驗(yàn)室論證； 工程樣機(jī)的研制及實(shí)驗(yàn)室測試； LOCOTROL通信系統(tǒng)的現(xiàn)場測試； 與GE公司進(jìn)行技術(shù)談判，完善樣機(jī)； 與GE公司的LOCOTROL設(shè)備聯(lián)調(diào)，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)場靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。 2022-6-1071、第一階段：方案論證、第一階段：方案論證

3、2004年6月10日提出實(shí)驗(yàn)室演示系統(tǒng)和測試報(bào)告； 在2004年6月20日進(jìn)行最后方案論證，最終確定以北京交大提出的方案作為主用方案； 在鐵道部GSM-R實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)和功能測試，提交了測試報(bào)告。2022-6-1082、第二階段：工程樣機(jī)研制及測試、第二階段：工程樣機(jī)研制及測試 2005年2月，提交5套車載通信單元(OCU)工程樣機(jī)和一套地面應(yīng)用節(jié)點(diǎn)(AN)的試驗(yàn)樣機(jī)，在鐵道部GSM-R實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行功能測試； 準(zhǔn)備現(xiàn)場試驗(yàn)條件。2022-6-1093、 第三階段：通信系統(tǒng)的現(xiàn)場測試第三階段：通信系統(tǒng)的現(xiàn)場測試 對車載通信單元和地面應(yīng)用節(jié)點(diǎn)的功能與性能進(jìn)行測試； 開發(fā)測試單元，按照LOC

4、OTROL系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀的封裝結(jié)構(gòu)發(fā)送測試數(shù)據(jù)，進(jìn)行通信系統(tǒng)的測試； 通信系統(tǒng)的現(xiàn)場靜態(tài)試驗(yàn)和運(yùn)行試驗(yàn)。2022-6-10104、 第四階段：與第四階段：與GE技術(shù)談判及完善樣機(jī)技術(shù)談判及完善樣機(jī)提交通信輸入/輸出模塊(CIOM)與車載通信單元(OCU)的接口技術(shù)條件；提交機(jī)車同步操作系統(tǒng)與GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)條件；提交機(jī)車同步操作系統(tǒng)GSM-R數(shù)據(jù)通信設(shè)備技術(shù)條件；北京交大向GE公司提供地面應(yīng)用節(jié)點(diǎn)(AN)仿真器，以配合GE公司在美國實(shí)驗(yàn)室開發(fā)CIOM。2022-6-10115、 第五階段：靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)第五階段：靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn) 實(shí)現(xiàn)GSM-R與800MHz電臺(tái)的人工切換； 實(shí)現(xiàn)GS

5、M-R與800MHz電臺(tái)的自動(dòng)切換； LOCOTROL數(shù)據(jù)傳輸測試； 采用GSM-R開行4x5000噸重載組合列車； 采用GSM-R開行2x10000噸重載組合列車； 采用GSM-R開行100005000噸重載組合列車。2022-6-1012四、結(jié)論車載通信單元的功能滿足LOCOTROL系統(tǒng)GSM-R數(shù)據(jù)通信設(shè)備技術(shù)規(guī)范的要求；地面應(yīng)用節(jié)點(diǎn)的功能滿足LOCOTROL系統(tǒng)GSM-R數(shù)據(jù)通信設(shè)備技術(shù)規(guī)范的要求；數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩说蕉藭r(shí)延和丟幀率能夠很好地滿足機(jī)車同步控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性實(shí)時(shí)性和可靠性的要求；采用GSM-R進(jìn)行機(jī)車同步控制數(shù)據(jù)傳輸能夠做到大秦線全線的無縫覆蓋，徹底解決隧道、山區(qū)、丘陵等特

6、殊地段的通信問題；采用GSM-R進(jìn)行機(jī)車同步控制數(shù)據(jù)傳輸，不受列車會(huì)車、列車的編組方式、同組內(nèi)機(jī)車之間的間隔距離、同組內(nèi)的機(jī)車數(shù)目等限制。 2022-6-1013系統(tǒng)介紹2022-6-1014內(nèi)容提要 概述 車載通信單元 地面應(yīng)用節(jié)點(diǎn) 通信過程 通信系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量 對GSM-R網(wǎng)絡(luò)的需求2022-6-1015 BTS BSC MSC LOCOTROL 控制模塊 GSM-R車載通信單元 從控機(jī)車3 LOCOTROL 控制模塊 GSM-R車載通信單元 從控機(jī)車2 LOCOTROL 控制模塊 GSM-R車載通信單元 從控機(jī)車1 LOCOTROL 控制模塊 GSM-R車載通信單元 主控機(jī)車 LOCOTR

7、OL應(yīng)用節(jié)點(diǎn) 30B+D RS-232 RS-232 RS-232 RS-232 一、概述2022-6-1016一、概述 GSM-R OCU GSM-R OCU GSM-R OCU GSM-R OCU GSM-R 網(wǎng)絡(luò) AN 應(yīng)用節(jié)點(diǎn) PRI 圖 4.1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖 2022-6-1017一、概述2022-6-1018一、概述(2)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)會(huì)議呼叫與保持多目標(biāo)切換可靠性措施注冊注銷與通信安全防護(hù)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視與告警2022-6-10191.1 數(shù)據(jù)會(huì)議呼叫與保持 機(jī)車同步控制同一編組的主控和從控機(jī)車之間需要點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GSM-R網(wǎng)絡(luò)自身只提供了點(diǎn)對點(diǎn)的電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。AN和

8、OCU利用GSM-R網(wǎng)絡(luò)提供的功能，互相配合實(shí)現(xiàn)了基于電路交換業(yè)務(wù)的點(diǎn)對多點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)議功能。2022-6-10201.2 多目標(biāo)切換 同一編組內(nèi)的所有機(jī)車同時(shí)保持著無線電路連接向前移動(dòng)，在經(jīng)過小區(qū)覆蓋邊緣時(shí)，會(huì)出現(xiàn)同時(shí)進(jìn)行越區(qū)切換的情況。解決該問題需要提升GSM-R網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)控制和處理能力。 2022-6-10211.3 可靠性措施 大秦線線路的丘陵地段很多，而且還常常伴隨著彎道。特別是在兩個(gè)長大下坡區(qū)段，組合列車需要進(jìn)行循環(huán)制動(dòng)，正好又是隧道群區(qū)段。這些都對GSM-R網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和終端的可靠性提出了非常高的要求。OCU和AN都采用熱備機(jī)制，當(dāng)檢測到任何故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)能夠制動(dòng)切換到備用單元進(jìn)行工

9、作。2022-6-10221.4 注冊注銷與通信安全防護(hù) AN對注冊/注銷進(jìn)行集中控制。當(dāng)OCU與AN建立電路連接后，首先必須進(jìn)行安全認(rèn)證。OCU不能注冊或注銷已被別的OCU注冊的機(jī)車號(hào)。同一編組內(nèi)，當(dāng)主控OCU沒有注銷時(shí)，從控OCU不能注銷。 2022-6-10231.5 實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測與告警 AN的管理維護(hù)單元可以對全線OCU的連接情況和數(shù)據(jù)傳輸情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)進(jìn)行告警。2022-6-1024二、車載通信單元 系統(tǒng)構(gòu)成 功能描述 接口描述 通信過程 狀態(tài)指示2022-6-10252.1 系統(tǒng)構(gòu)成 機(jī)車 A 端 LOCOTROL CIOM OCU 車車載載通通信信單單元元 數(shù)

10、據(jù)接口 J3 控制接口 Jc 圖 5.1 車載設(shè)備連接示意圖 2022-6-1026 CIOM通過控制接口和數(shù)據(jù)接口與OCU相連。CIOM通過控制接口向OCU發(fā)送注冊、注銷等命令。同時(shí)，OCU也通過控制接口向CIOM返回網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等信息。數(shù)據(jù)接口用于傳送LOCOTROL數(shù)據(jù)幀，OCU對該接口上的數(shù)據(jù)幀只進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)。 2.1 系統(tǒng)構(gòu)成2022-6-10272.1 系統(tǒng)構(gòu)成(2) GSM-R模塊A GSM-R模塊B 控制單元A 控制單元B 記錄單元A 記錄單元B 接口板 電源 電源 電源線 數(shù)據(jù)總線 注： A 主用側(cè)，B 備用側(cè) 接口板上包含了與CIOM的控制接口和數(shù)據(jù)接口 圖5.2 OCU邏輯結(jié)

11、構(gòu)圖 2022-6-10282.2 OCU功能描述 接入網(wǎng)絡(luò)，與應(yīng)用節(jié)點(diǎn)建立永久電路鏈接 接受安全認(rèn)證 接收控制接口上CIOM的命令，進(jìn)行數(shù)據(jù)會(huì)議注冊和注銷 鏈路維護(hù)，電路鏈接中斷后的重新建立 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)：在數(shù)據(jù)接口上，將LOCOTROL數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)到AN，同時(shí)將AN傳來的LOCOTROL數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)到LOCOTROL； 主/備故障切換 狀態(tài)指示 記錄2022-6-10292.3 OCU接口 與GSM-R網(wǎng)絡(luò)的空中接口 與CIOM接口 控制接口 數(shù)據(jù)接口2022-6-10302.4 通信過程 CIOM OCU 機(jī)車注冊 注冊回復(fù)(成功/失敗) T1 T1 機(jī)車注冊 T1=15s 注冊2022-6

12、-10312.4 通信過程 CIOM OCU 機(jī)車注銷 注銷回復(fù)(成功/失敗) T2 T2 機(jī)車注銷 T2=5s 注銷2022-6-1032 狀態(tài)查詢 當(dāng)CIOM處于空閑狀態(tài)或已注冊狀態(tài)（即沒有正在進(jìn)行注冊或注銷操作）時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)狀態(tài)查詢定時(shí)器T3（=2s），周期性的向OCU查詢狀態(tài)； OCU在收到狀態(tài)查詢命令后，向CIOM返回其狀態(tài)； 如果CIOM連續(xù)3次查詢都沒有收到OCU的返回，則顯示與OCU通信失??； CIOM繼續(xù)查詢過程，直到收到OCU的返回，然后顯示與OCU通信恢復(fù)。 2.4 通信過程2022-6-1033 返回本組成員通信狀態(tài) 當(dāng)OCU收到AN返回的本組成員通信狀態(tài)時(shí)，主動(dòng)向CIO

13、M發(fā)送該數(shù)據(jù)幀 2.4 通信過程2022-6-10342.5 狀態(tài)指示指示項(xiàng)指示項(xiàng)含義含義電源指示指示OCU是否已上電GSM-R網(wǎng)絡(luò)登記指示指示OCU是否已經(jīng)登記上GSM-R網(wǎng)絡(luò)電路連接指示指示電路連接狀態(tài)注冊、注銷狀態(tài)指示指示向AN注冊和注銷狀態(tài)測試狀態(tài)指示指示OCU是否處于仿真狀態(tài)SIM卡空指示指示沒有插入SIM卡2022-6-1035三、地面應(yīng)用節(jié)點(diǎn) 系統(tǒng)構(gòu)成 功能描述 AN與GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口2022-6-10363.1 系統(tǒng)構(gòu)成 PRI接口單元 PRI接口單元 PRI接口單元 編組控制單元（主） 記錄 單元 本地管理/維護(hù)單元(服務(wù)器) 編組控制單元（從） 內(nèi)部總線 傳輸網(wǎng) 遠(yuǎn)程管理

14、/維護(hù)客戶端 遠(yuǎn)程管理/維護(hù)客戶端 遠(yuǎn)程管理/維護(hù)客戶端 圖6.1 AN內(nèi)部構(gòu)成邏輯示意圖 2022-6-10373.2 功能描述 通信電路連接控制 對OCU進(jìn)行安全認(rèn)證 OCU的注冊和注銷控制 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā) 內(nèi)部單元采用冗余熱備 記錄2022-6-10383.3 與GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口 AN通過PRI接口接入GSM-R網(wǎng)絡(luò)。2022-6-1039四、通信過程 開機(jī) 注冊 注銷 數(shù)據(jù)傳輸 狀態(tài)查詢 CIOM與OCU之間 OCU與AN之間2022-6-10404.1 開機(jī) OCU開機(jī)并完成自檢后，控制GSM-R信道機(jī)進(jìn)行GSM-R網(wǎng)絡(luò)登記，登記成功后處于守候狀態(tài)，等待CIOM的命令。 2022-6-1

15、0414.2 注冊 CIOM發(fā)送注冊命令； OCU向AN發(fā)起電路連接； 電路連接成功后，AN對OCU進(jìn)行安全認(rèn)證，確保OCU的合法性； 認(rèn)證通過后，OCU向AN發(fā)送注冊數(shù)據(jù)幀； AN將該OCU加入相應(yīng)的數(shù)據(jù)會(huì)議； AN返回注冊成功數(shù)據(jù)幀； CIOM顯示注冊成功。2022-6-10424.3 注銷 CIOM發(fā)送注銷命令； OCU向AN發(fā)送注銷數(shù)據(jù)幀； AN將該OCU從數(shù)據(jù)會(huì)議中刪除； AN返回注銷成功數(shù)據(jù)幀； CIOM顯示注銷成功。2022-6-10434.4 數(shù)據(jù)傳輸 OCU注冊完成后，利用GSM-R網(wǎng)絡(luò)和AN的數(shù)據(jù)會(huì)議功能，在主控和從控機(jī)車之間傳輸LOCOTROL的各種數(shù)據(jù)。 2022-6-

16、10444.5 狀態(tài)查詢 CIOM與OCU之間 當(dāng)CIOM處于空閑狀態(tài)或已注冊狀態(tài)（即沒有正在進(jìn)行注冊或注銷操作）時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)狀態(tài)查詢定時(shí)器T3（=2s），周期性的向OCU查詢狀態(tài)； OCU在收到狀態(tài)查詢命令后，向CIOM返回其狀態(tài)； 如果CIOM連續(xù)3次查詢都沒有收到OCU的返回，則顯示與OCU通信失?。?CIOM繼續(xù)查詢過程，直到收到OCU的返回，然后顯示與OCU通信恢復(fù)。 OCU與AN之間2022-6-1045五、對GSM-R網(wǎng)絡(luò)的需求 GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量 業(yè)務(wù)需求 PRI接口需求 SIM卡信息需求2022-6-10465.1 GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量QoS參數(shù)參數(shù)值值電路連接建立時(shí)延8

17、.5s (95%), 15s(100%)連接建立失敗率 10-2最大端對端傳輸時(shí)延（30字節(jié)）= 0.5s連接丟失率 10-2/h傳輸干擾率傳輸干擾時(shí)間 95%0.8s 99%20s, 99%7s網(wǎng)絡(luò)登記時(shí)延30s (95%), 35s (99%), 40s(100%)2022-6-10475.2 業(yè)務(wù)需求 承載業(yè)務(wù) BS26：異步、透明、9.6Kbit/s； 用戶第一層速率適配：V.110，8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)。 GSM-R無線信道采用全速率方式。 補(bǔ)充業(yè)務(wù) CLIP：主叫線路識(shí)別表示，用于向被叫方指示主叫方的號(hào)碼； eMLPP：對于用于LOCOTROL應(yīng)用的移動(dòng)用

18、戶，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)將這些用戶的默認(rèn)優(yōu)先級設(shè)為1級。2022-6-10485.3 PRI接口需求 信令傳輸 第1層采用ETS 300 011； 第2層采用ITU Q.920和ETS 300 125； 第3層采用ETS 300 102-1和EN 300 403-1（經(jīng)修改的ITU Q.931）。 用戶數(shù)據(jù)傳輸 用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)?層遵循ITU I.431建議，并采用ITU V.110進(jìn)行速率適配。 2022-6-10495.3 PRI接口需求(2) PRI接口冗余 設(shè)某條線路雙方向一共有N列重載列車同時(shí)運(yùn)行，GSM-R網(wǎng)絡(luò)必須能夠同時(shí)提供Nx4個(gè)OCU與AN的電路數(shù)據(jù)連接，所需的PRI端口數(shù)為Nx4/30。由

19、于LOCOTROL要求高可靠和可用性，PRI接口必須采用1+1冗余備份，因此，所需PRI端口數(shù)為(Nx4/30)x2個(gè)。 當(dāng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的一塊PRI接口板上具備多個(gè)PRI端口時(shí)，應(yīng)該盡量將PRI連接分配到不同PRI接口板的PRI端口上，以減小因一塊PRI接口板故障而對整個(gè)LOCOTROL系統(tǒng)的通信所造成的影響。 2022-6-10505.3 PRI接口需求(3) 為了增加PRI端口的可用性，MSC必須具備可以在所有PRI端口上分配呼入連接的能力。MSC為所有的PRI端口分配同一個(gè)號(hào)碼，當(dāng)OCU呼叫AN時(shí)，MSC按照負(fù)荷分擔(dān)的原則將該呼叫路由到一個(gè)可用的可用的PRI端口上。 2022-6-10515.3 PRI接口需求(4)PRI接口“可用”的含義PRI接口的物理層和鏈路層狀態(tài)正常。當(dāng)MSC檢測到一個(gè)PRI端口的物理層和鏈路層狀態(tài)異常時(shí)，該P(yáng)RI端口為不可用，MSC將不向該端口路由新的呼叫。當(dāng)MSC檢測到該P(yáng)RI