一种面向普速铁路列车运行控制的数字无线通信方法

1.本发明涉及轨道交通领域，具体是一种面向普速铁路列车运行控制的数字无线通信方法。


背景技术：

2.《ctcs技术规范总则(暂行)》中定义的ctcs-1级列车运行控制系统(以下简称c1)是指主体化机车信号和加强型列车运行监控记录装置(lkj)设备组成的控制系统。但目前c1仍处在规划和探讨阶段，随着铁路的信息化和自动化程度提高，lkj已不能满足安全高效的运营需要，需要对其进行改造。除此之外，c1是我国列控系统ctcs-0级到ctcs-4级中的重要组成部分，对完善ctcs体系具有重要意义。当前应用中lkj的弊端主要有：
3.1、数据换装频繁。线路数据存储在车载lkj设备上，若某处线路数据发生变化，则需要交路涉及的所有铁路局、电务段对lkj中的数据芯片进行换装。工作量大、易出现数据漏装、错装、提前装等问题，影响行车安全。
4.2、临时限速命令下达不及时。由于缺乏实时可靠的车地通信方式，当列车出站后行驶在区间时，若有临时限速需要发布，只能通过语音的方式由车站值班员下达给司机。可靠性低，实时性差。
5.ctcs-3(以下简称c3)级高铁动车组在原运行线路突发故障时，可考虑借道普速线路迂回运行。由于c3缺少在普速线路正常运行时需要装备的列车运行监控装置lkj，无法通过地-车通信获得线路数据、进路信息、临时限速信息等必要的列控信息，便只能以目视模式运行，列车最大速度不得超过40km/h。严重降低了高铁动车组的运行效率，干扰铁路客运秩序。由于c3高铁动车组利用普速线路迂回需要较大的无线通信承载量，既有线上的模拟列调系统无法支撑该应用，且不能适应铁路重载信息化建设。因此需要一套可兼容c3高铁动车组迂回时的既有线无线通信方案。总之，普速铁路既有的模拟无线列调系统难以满足c3迂回时的通信需求，通信可靠性低，严重威胁行车安全，影响运行效率。
6.目前我国既有线路通信的无线接入主要采用450mhz无线列调通信系统与400mhz频段内模拟对讲系统。全路使用4个频点在车站的6个车场内进行复用。由于使用模拟频点，数据传输的实现是在模拟信道上做调制解调实现的，因此存在车地间双向通信能力弱、容量低、抗干扰能力差、数据传输时延大、组网能力弱等一系列问题。现有的450mhz无线列调系统主要存在以下几点缺陷：
7.1、车地间双向通信能力弱。从地到车的数据传输采用广播模式，地-车信息开环传输，从车到地的信息反馈能力弱，难以对关键数据是否成功接收进行反馈。
8.2、通信容量低。传输数据时系统采用ffsk进行无线信号调制，信号传输速率为1200bps。目前只能用作调度通信和列尾通信，实现简单的小三角调度通信业务(车站值班员，运转车长，司机之间)；从地到车的数据传输采用广播模式，只有少数区段可以用来传送车次号。使用效果很不理想，大三角调度通信业务(列车调度员，车站值班员，机车司机之间)无法全面开展，无法满足c3迂回时所需要的车地-车高速、大容量通信需求。
9.3、通信干扰非常严重。主要表现在同频干扰、邻线干扰、列尾干扰、信道占用方式不合理等方面，通话效果差、杂音大，数据通信带宽低、能力差，通信可靠性差。以同频干扰为例，由于场间距太短，模拟设备抗干扰能力弱，且工作在直通频率模式，极易形成同频干扰，数据可靠性难以保证，很难实现预想的通信效果。
10.4、通信盲区多。模拟列调系统建设年代较早，全线盲区很多，严重影响行车。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向普速铁路列车运行控制的数字无线通信方法，包括如下步骤：
12.步骤一，车站数据服务器接收来自外部系统的数据，并将接收到的来自外部系统的数据转换为应答器报文格式的无线报文，通过局域网将其发送到地面基站；
13.步骤二，列车进站后，地面基站以广播的形式循环向站内列车发送无线报文；
14.步骤三，站内列车的车载设备接收到无线报文广播后对无线报文进行解码，将解码后的数据通过数据接口传输至车载安全计算机，车载安全计算机通过车载设备向地面基站反馈信息接收成功或者接收失败。
15.进一步的，在有长数据包需要发送时，采取在基站侧进行分包：即将完整的数据报文拆分成相同长度的2个数据包，包括包1和包2，包1固定在信道1广播，包2固定在信道2广播，基站的两个信道同时广播；在车载设备侧进行组包：即车载设备的两个信道同时使用，分别接收到一个短数据包，并将其合并为原始的长数据包。
16.进一步的，所述的地面基站包括4个信道，当进行线路数据及临时限速信息的广播与反馈时，固定在信道1和信道2进行，两个信道同时使用；当进行按需请求的业务时同时使用信道3和信道4，或者使用信道3，4中的任一信道，另一个信道作为备用。
17.进一步的，所述的当进行线路数据及临时限速信息的广播与反馈时，固定在信道1和信道2进行，两个信道同时使用，包括如下过程：
18.一个超帧时长n秒，分为地到车的数据广播时长p秒及车到地的反馈时长q秒两部分；超帧包括两个物理频点，在两个信道共同传输广播数据，前p秒用于地到车的数据广播，将完整的数据报文拆分成相同长度的2个数据包，包括包1和包2，包1固定在信道1广播，包2固定在信道2广播，每个超帧的广播时段可传输数据9600*p比特，将超帧的后q秒划分为多个间隔q1秒，固定在信道1发送车到地的反馈，反馈信号窗口时长q1秒，每q1秒接收一台机车的反馈，支持s辆列车反馈数据，其中，各参数间满足以下函数关系：
19.n＝p+q；
20.p＝30*n(ms)；
21.q1＝30*n(ms)；
22.q＝s*q1；
23.其中的s、n为正整数
24.进一步的，所述的当进行按需请求的业务时同时使用信道3和信道4，或者使用信道3，4中的任一信道，另一个信道作为备用，包括如下过程：
25.基站在信道3和4信道上以p秒/次广播空闲信令，所有移动台都守候在3信道；移动台在3信道发起数据请求；基站响应移动台1并在3信道上向移动台1发送数据；所有其他移
动台切换到信道4守候；移动台2在4道发起数据请求；
26.基站响应移动台2并在4信道上向移动台2发送数据；所有其他移动台切换到空闲信道守候，依此类推，直到所有移动台完成数据发送；
27.移动台1接收数据完毕，回复接收成功信令后，查找当前守候信道为3则回到信道3守候；如果接收数据失败则反馈接收失败；依此类推，直到所有移动台完成反馈。
28.应用面向普速铁路列车运行控制的数字无线通信方法的面向普速铁路列车运行控制的数字无线通信系统，包括：
29.车站数据服务器，用于本站及无停靠站线路数据存储、进路信息获取及存储、临时限速信息获取及存储、无线报文组包及发送、与外部设备通信；
30.地面基站：采用广播的方式，同时支持多组列车接收广播信息，地面基站支持4个信道，同一时间使用2个信道，另2个信道作为热备或者用于按需请求的双向数据传输业务；
31.车载设备，采用2个信道机组成车载无线设备；
32.中转台，提供通信通道，每个中转台提供两路独立通信的通道；
33.接口板，用于车站数据服务器与地面基站，车载台与车载安全计算机之间互相连接，实现各部分之间的相互通信。
34.本发明的有益效果是：1、增强车地间双向通信能力、提升通信容量。仅用2个信道即可实现9600bps的双向数据传输能力。其他可用信道可进行按需请求的双向数据传输业务或作为热备信道提高系统可靠性，列车可及时向地面传输反馈信息。从而确保列控数据(线路数据，进路数据)、临时限速命令、列调命令等及时下达至列车。
35.2、降低通信干扰。当多个站(场)位置临近时，采用全场大区制覆盖，可支持单站(场)或者多站(场)的覆盖场景，从而彻底避免频分复用产生的同频干扰，提高通信可靠性。
36.3、信号覆盖范围广。一个基站即可满足覆盖c3迂回时无线通信范围覆盖车站二接近到二离去范围的要求。通过在区间加装中站台即可延长通信距离，实现全线覆盖，从而满足c1通信需求。
37.4、实现了低时延传输。面向线路数据及临时限速信息的广播与反馈业务，通过设计超帧结构，实现了广播后车到地的即时反馈，降低了反馈时延，提高系统可靠性。
附图说明
38.图1为一种面向普速铁路列车运行控制的数字无线通信方法的原理示意图；
39.图2为面向普速铁路列车运行控制的数字无线通信系统示意图；
40.图3为车站数据服务器示意图；
41.图4为基站覆盖示意图
42.图5为车载设备示意图；
43.图6为直通模式示意图；
44.图7为中转模式示意图；
45.图8为数据传输示意图；
46.图9为超帧结构及业务逻辑示意图；
47.图10为面向按需请求业务的空中接口时序规划图。
具体实施方式
48.下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
49.为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
50.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
51.而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。
52.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
53.如附图1所示，一种面向普速铁路列车运行控制的数字无线通信方法，包括如下步骤：
54.步骤一，车站数据服务器接收来自外部系统的数据，并将接收到的来自外部系统的数据转换为应答器报文格式的无线报文，通过局域网将其发送到地面基站；
55.步骤二，列车进站后，地面基站以广播的形式循环向站内列车发送无线报文；
56.步骤三，站内列车的车载设备接收到无线报文广播后对无线报文进行解码，将解码后的数据通过数据接口传输至车载安全计算机，车载安全计算机通过车载设备向地面基站反馈信息接收成功或者接收失败。
57.在有长数据包需要发送时，采取在基站侧进行分包：即将完整的数据报文拆分成相同长度的2个数据包，包括包1和包2，包1固定在信道1广播，包2固定在信道2广播，基站的两个信道同时广播；在车载设备侧进行组包：即车载设备的两个信道同时使用，分别接收到一个短数据包，并将其合并为原始的长数据包。
58.所述的地面基站包括4个信道，当进行线路数据及临时限速信息的广播与反馈时，固定在信道1和信道2进行，两个信道同时使用；当进行按需请求的业务时同时使用信道3和信道4，或者使用信道3，4中的任一信道，另一个信道作为备用。
59.所述的当进行线路数据及临时限速信息的广播与反馈时，固定在信道1和信道2进行，两个信道同时使用，包括如下过程：
60.一个超帧时长n秒，分为地到车的数据广播时长p秒及车到地的反馈时长q秒两部分；超帧包括两个物理频点，在两个信道共同传输广播数据，前p秒用于地到车的数据广播，将完整的数据报文拆分成相同长度的2个数据包，包括包1和包2，包1固定在信道1广播，包2
固定在信道2广播，每个超帧的广播时段可传输数据9600*p比特，将超帧的后q秒划分为多个间隔q1秒，固定在信道1发送车到地的反馈，反馈信号窗口时长q1秒，每q1秒接收一台机车的反馈，支持s辆列车反馈数据，其中，各参数间满足以下函数关系：
61.n＝p+q；
62.p＝30*n(ms)；
63.q1＝30*n(ms)；
64.q＝s*q1；
65.其中的s、n为正整数。
66.所述的当进行按需请求的业务时同时使用信道3和信道4，或者使用信道3，4中的任一信道，另一个信道作为备用，包括如下过程：
67.基站在信道3和4信道上以p秒/次广播空闲信令，所有移动台都守候在3信道；移动台在3信道发起数据请求；基站响应移动台1并在3信道上向移动台1发送数据；所有其他移动台切换到信道4守候；移动台2在4道发起数据请求；
68.基站响应移动台2并在4信道上向移动台2发送数据；所有其他移动台切换到空闲信道守候，依此类推，直到所有移动台完成数据发送；
69.移动台1接收数据完毕，回复接收成功信令后，查找当前守候信道为3则回到信道3守候；如果接收数据失败则反馈接收失败；依此类推，直到所有移动台完成反馈。
70.一种面向普速铁路列车运行控制的数字无线通信系统，包括：
71.车站数据服务器，用于本站及无停靠站线路数据存储、进路信息获取及存储、临时限速信息获取及存储、无线报文组包及发送、与外部设备通信；
72.地面基站：采用广播的方式，同时支持多组列车接收广播信息，地面基站支持4个信道，同一时间使用2个信道，另2个信道作为热备或者用于按需请求的双向数据传输业务；
73.车载设备，采用2个信道机组成车载无线设备；
74.中转台，提供通信通道，每个中转台提供两路独立通信的通道；
75.接口板，用于车站数据服务器与地面基站，车载台与车载安全计算机之间互相连接，实现各部分之间的相互通信。
76.具体的，系统功能是普速铁路上地面向列车传输控车需要的数据，如前方线路数据、进路数据、临时限速信息等。该系统的应用场景主要用两个：作为c1无线通信备选方案；作为c3迂回时的无线通信方案。二者不同点在于无线通信覆盖范围和传输的数据类型。前者需全线覆盖，可通过加装中转台实现；后者覆盖范围为车站二接近到二离去，在车站安装一台基站即可实现。前者传输的数据主要有侧线进路数据和临时限速命令。后者传输的数据主要有前方线路数据、进路数据、临时限速信息。
77.系统一大特点是支持高速数据传输，从而确保列车在站内行驶的短时间内获得列控必需的数据。每个基站各有4个12.5khz信道，其中2个频点用于广播线路数据、进路数据和临时限速信息并接收列车的反馈信息。另外2个频点可作为热备信道或用于按需请求双向数据传输业务，每个信道最大传输速率为4800bps，因此2个信道最大可承载4800*2＝9600bps的数据传输(下载，即地到车)能力。从车到地采用单信道反馈的方式，支持最大传输速率为4800bps,每列车在特定的时段内进行反馈，假设每列车在特定的200ms时段内进行反馈，可支持30列车在6s以内完成广播数据的接收与反馈。如果此数据容量无法满足业
务需求，则可以使用备用频率点来进一步扩容，在线路数据广播的基础上，实现按需数据传输的需求。在2个备用频点上，可实现9600bps的双向数据传输。
78.以下均以面向c3迂回时的应用为例进行详细介绍。
79.系统组成：
80.面向普速铁路列车运行控制的数字无线通信系统主要包括车站数据服务器、地面基站、车载设备、中转台以及接口板。系统架构如附图2。各组成部分介绍如下：
81.1)车站数据服务器：
82.其功能主要有:本站及无停靠站线路数据存储、进路信息获取及存储、临时限速信息获取及存储、无线报文组包及发送、与外部设备通信等。其结构图如附图3所示。
83.2)地面基站：
84.考虑到每列车从地面接收的是相同信息(如前方线路数据及临时限速信息等)，因此地到车采用广播的方式，可以同时支持多组列车接收广播信息。在一个站场设一个400m地面基站，基站覆盖图如附图4所示。一个基站即可覆盖一个车站的二接近到二离去范围。不再在一个站场内进行分布式频率规划，而进行频率统一管理。从工程经验来看，数字无线通信系统在天线架设高度30米时，覆盖半径在3-10km范围内可调，可支持单站(场)或者多站(场)的覆盖场景，在区域边缘位置的信号强度不低于90dbm，误码率小于1％(可通过crc校验、接收正确确认、多次传输以及应用层可靠传输协议等进一步提高传输可靠性)，实际效果可能更优。当多个站(场)位置临近时，采用全场大区制覆盖，可以彻底避免频分复用产生的同频干扰。如遇信号盲区，可以在工程实施时在适当位置增设光纤直放站以增强覆盖。地面基站支持4个信道。同一时间使用2个信道，另2个信道作为热备或者用于按需请求的双向数据传输业务。多个基站信道可叠加起来联合使用，某一数据报文可拆分为几个短报文同时在多个信道上传输，吞吐量成倍增加。4组频率通过合路器合路，共用一套天馈系统，大大减少了基础设施的投入。主控制器通过局域网连接车站数据服务器。
85.3)车载设备：
86.考虑数据传输能力及冗余，采用2个信道机组成车载无线设备，从地到车可提供最大9600bps的数据传输能力，结构图见附图5。车载设备的2个信道机可以同时收发数据，也可以分开使用。2个信道机同时使用时，某一数据报文可拆分为几个短报文同时在多个信道上传输，吞吐量成倍增加。从车到地进行反馈时，默认只使用第一个信道进行反馈，反馈极限速率为4800bps。合路器使设备共用一套天馈系统。车载数据单元与主控制器可通过usb/rs232/rs422等接口连接。
87.4)中转台：
88.采用12.5khz带宽tdma双时隙、4fsk调制技术。根据网络规划需要，发射功率可在1～50w之内连续设置。站点内的中转台独立工作，为现有通信组提供通信通道。每个中转台为用户提供两路独立通信的通道，用户可以根据扩容需求，灵活的在后期进行基站通信扩容，只需增配新的中转台设备即可实现。中转台可实现长距离通信，提高长距离通信时的信号质量。当作为c1无线通信备选方案时，可在区间加装多台中转台，通过基于tcp/ip协议的互联网络将分散的多个中转台连接起来，即通过ip互联实现系统组网，从而实现全线覆盖。
89.5)接口板：
90.无线通信系统中的各组成部分通信接口不统一，如无线通信系统中基站以及车载
设备的通信接口为串口(urat/rs232/rs422)，而车站数据服务器的通信接口为网口，车载安全计算机的通信接口为usb/rs232/rs422。因此需要接口板实现各部分之间的相互连接。
91.该系统有两种工作模式，即直通模式和中继模式。直通模式无需借助中继台，可实现一组终端在同频点下的点对点通信，示意图如附图6。中继模式指信号通过中继台转发后再发送给另一终端设备，其中基地台高发低收，移动台低发高收。示意图如附图7。
92.列车进站后，即可接收到地面基站广播的无线报文。报文传输流程共分为以下四个步骤，如附图8所示：
93.①
车站数据服务器接收来自外部系统的数据，如前方线路数据、进路数据、临时限速数据等，并将上述数据转换为应答器报文格式的无线报文，通过局域网将其发送到地面基站；
94.②
地面基站以广播的形式循环向站内列车发送无线报文；
95.③
列车进站后，车载设备接收到无线报文广播后对其解码，将解码后的数据通过usb/rs232/rs422等接口传输至车载安全计算机；
96.④
车载设备向地面基站反馈信息接收情况。
97.为达到较高的数据传输速率，在有长数据包需要发送时无线通信系统采取“双发双收”的策略。在基站侧进行“分包”：将完整的数据报文拆分成相同长度的2个数据包(包1和包2)，包1固定在信道1广播，包2固定在信道2广播，基站的两个信道同时广播；在车载设备侧进行“组包”:车载设备的两个信道同时使用，分别接收到一个短数据包，并将其合并为原始的长数据包。由此，从地到车可提供最大9600bps的数据传输能力。
98.本方案中提供两类业务，一类是线路数据和临时限速信息广播及反馈，另一类是根据临时需要进行的，按需请求的双向数据传输服务。
99.本方案中共规划了四个信道。其中线路数据及临时限速信息的广播与反馈固定在信道1和信道2进行，两个信道必须同时使用；信道3和信道4作为热备或用于按需请求的业务传输。当进行按需请求的业务时可同时使用信道3和信道4；也可只使用信道3,4中的任一信道，另一个信道作为备用。
100.业务1：线路数据及临时限速信息的广播与反馈
101.业务1固定在信道1和信道2进行。本方法针对所了解的业务需求，设计了一套简洁的通信逻辑，从而实现了大容量、低时延的双向数据传输。一个超帧时长n秒(s),分为地到车的数据广播(p秒)及车到地的反馈(q秒)两部分；超帧包括两个物理频点，超帧结构如附图9所示在两个信道共同传输广播数据。前p秒用于地到车的数据广播，将完整的数据报文拆分成相同长度的2个数据包(包1和包2)，包1固定在信道1广播，包2固定在信道2广播。理论每个超帧的广播时段可传输9600*p比特。后面q秒用于从车到地的反馈，用于指示列车是否正确接收了线路数据。考虑车载设备和基站的同步精度以及余量，可将超帧的后q秒划分为一个间隔q1秒。固定在信道1发送车到地的反馈，反馈信号窗口时长q1秒，也就是每q1秒可接收一台机车的反馈，因此可以支持s辆列车反馈数据。其中，各参数间满足以下函数关系：n＝p+q；
102.由于数字无线通信技术中一个帧的长度为30ms，因此p、q、q1须为30ms的整数倍。即p＝30*n(ms)；q1＝30*n(ms)；q＝s*q1。s、n为正整数。
103.其中，各参数的设置应根据项目实际需要灵活设置，如收发时延的要求、需传输的
最大数据量、站场内最大列车数、列车站内最高行驶速度、报文循环播报次数等参数。
104.业务2：按需请求的智能信道共享业务
105.本方案也可利用频点3和频点4实现按需请求的双向数据传输业务，支持双向数据传输速率为9600bps。因为移动台只配备两台信道机，在进行按需请求的业务时需从信道1，2转而占用信道3,4。当同时使用信道3和信道4时，按需请求业务的智能信道共享机制如下：
106.基站在信道3和4信道上广播空闲信令(p秒/次)；所有移动台都守候在3信道；移动台在3信道发起数据请求；基站响应移动台1并向移动台1发送数据(在3信道上)；所有其他移动台切换到信道4守候(如果有的话)；移动台2在4道发起数据请求；基站响应移动台2并向移动台2发送数据(在4信道上)；所有其他移动台切换到空闲信道守候(如果有的话)；依此类推；移动台1接收数据完毕，回复接收成功信令后，查找当前守候信道为3则回到信道3守候；如果接收数据失败则转接收失败处理；依此类推循环；
107.面向按需请求业务的空中接口时序规划：如果使用按需请求数据传输业务网，以某一个信道为例，基站在该信道广播信令以及数据，基站和移动台的时序示意图如附图10(仅描述发送成功时序)：基站每间隔p秒发送广播信道空闲；若在两次信道空闲广播中间有车载台向基站进行数据申请，间隔q1秒后基站开始广播车载台申请的数据。数据广播结束后，车载台间隔q1秒向基站发送数据接收成功的反馈；再间隔q1秒后，基站重新开始发送广播信道空闲。
108.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。