基于GSM-R的LOCOTROL系統(tǒng)介紹

1、2022-6-201采用采用GSM-RGSM-R實現(xiàn)機車同步操作控制系統(tǒng)實現(xiàn)機車同步操作控制系統(tǒng)丁建文Email: 電話6032007年1月2022-6-202內(nèi)容提綱 研制過程 系統(tǒng)介紹 現(xiàn)場試驗2022-6-203研制過程2022-6-204主要內(nèi)容 任務(wù)由來 項目概述 階段描述2022-6-205一、任務(wù)由來 2002年底鐵道部正式確定將GSM-R作為我國鐵路移動通信的發(fā)展方向； 2003年9月22日信息產(chǎn)業(yè)部批準GSM-R使用頻率； 2003年8月提出“采用GSM-R實現(xiàn)大秦線重載運輸機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工作會議” ； 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。2022-6-206二、項目概述 采用GSM-R實現(xiàn)機車同步操作控制項目，分為了五個階段： 系統(tǒng)方案的確定及實驗室論證； 工程樣機的研制及實驗室測試； LOCOTROL通信系統(tǒng)的現(xiàn)場測試； 與GE公司進行技術(shù)談判，完善樣機； 與GE公司的LOCOTROL設(shè)備聯(lián)調(diào)，進行整個系統(tǒng)的現(xiàn)場靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗。 2022-6-2071、第一階段：方案論證、第一階段：方案論證

3、2004年6月10日提出實驗室演示系統(tǒng)和測試報告； 在2004年6月20日進行最后方案論證，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實驗室，進行數(shù)據(jù)傳輸試驗和功能測試，提交了測試報告。2022-6-2082、第二階段：工程樣機研制及測試、第二階段：工程樣機研制及測試 2005年2月，提交5套車載通信單元(OCU)工程樣機和一套地面應(yīng)用節(jié)點(AN)的試驗樣機，在鐵道部GSM-R實驗室進行功能測試； 準備現(xiàn)場試驗條件。2022-6-2093、 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)點的功能與性能進行測試； 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)，進行通信系統(tǒng)的測試； 通信系統(tǒng)的現(xiàn)場靜態(tài)試驗和運行試驗。2022-6-20104、 第四階段：與第四階段：與GE技術(shù)談判及完善樣機技術(shù)談判及完善樣機提交通信輸入/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(AN)仿真器，以配合GE公司在美國實驗室開發(fā)CIOM。2022-6-20115、 第五階段：靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗第五階段：靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗 實現(xiàn)GSM-R與800MHz電臺的人工切換； 實現(xiàn)GS

5、M-R與800MHz電臺的自動切換； 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。2022-6-2012四、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延和丟幀率能夠很好地滿足機車同步控制系統(tǒng)實時性和可靠性實時性和可靠性的要求；采用GSM-R進行機車同步控制數(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進行機車同步控制數(shù)據(jù)傳輸，不受列車會車、列車的編組方式、同組內(nèi)機車之間的間隔距離、同組內(nèi)的機車數(shù)目等限制。 2022-6-2013系統(tǒng)介紹2022-6-2014內(nèi)容提要 概述 車載通信單元 地面應(yīng)用節(jié)點 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2022-6-2015 BTS BSC MSC LOCOTROL 控制模塊 GSM-R車載通信單元 從控機車3 LOCOTROL 控制模塊 GSM-R車載通信單元 從控機車2 LOCOTROL 控制模塊 GSM-R車載通信單元 從控機車1 LOCOTROL 控制模塊 GSM-R車載通信單元 主控機車 LOCOTR

7、OL應(yīng)用節(jié)點 30B+D RS-232 RS-232 RS-232 RS-232 一、概述2022-6-2016一、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 PRI 圖 4.1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖 2022-6-2017一、概述2022-6-2018一、概述(2)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)會議呼叫與保持多目標切換可靠性措施注冊注銷與通信安全防護實時狀態(tài)監(jiān)視與告警2022-6-20191.1 數(shù)據(jù)會議呼叫與保持 機車同步控制同一編組的主控和從控機車之間需要點對多點的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GSM-R網(wǎng)絡(luò)自身只提供了點對點的電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。AN和

8、OCU利用GSM-R網(wǎng)絡(luò)提供的功能，互相配合實現(xiàn)了基于電路交換業(yè)務(wù)的點對多點數(shù)據(jù)會議功能。2022-6-20201.2 多目標切換 同一編組內(nèi)的所有機車同時保持著無線電路連接向前移動，在經(jīng)過小區(qū)覆蓋邊緣時，會出現(xiàn)同時進行越區(qū)切換的情況。解決該問題需要提升GSM-R網(wǎng)絡(luò)的實時控制和處理能力。 2022-6-20211.3 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。特別是在兩個長大下坡區(qū)段，組合列車需要進行循環(huán)制動，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都采用熱備機制，當檢測到任何故障發(fā)生時，系統(tǒng)能夠制動切換到備用單元進行工

9、作。2022-6-20221.4 注冊注銷與通信安全防護 AN對注冊/注銷進行集中控制。當OCU與AN建立電路連接后，首先必須進行安全認證。OCU不能注冊或注銷已被別的OCU注冊的機車號。同一編組內(nèi)，當主控OCU沒有注銷時，從控OCU不能注銷。 2022-6-20231.5 實時狀態(tài)監(jiān)測與告警 AN的管理維護單元可以對全線OCU的連接情況和數(shù)據(jù)傳輸情況進行實時監(jiān)測，當發(fā)生異常情況時進行告警。2022-6-2024二、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2022-6-20252.1 系統(tǒng)構(gòu)成 機車 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 2022-6-2026 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，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)幀只進行透明轉(zhuǎn)發(fā)。 2.1 系統(tǒng)構(gòu)成2022-6-20272.1 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

11、結(jié)構(gòu)圖 2022-6-20282.2 OCU功能描述 接入網(wǎng)絡(luò)，與應(yīng)用節(jié)點建立永久電路鏈接 接受安全認證 接收控制接口上CIOM的命令，進行數(shù)據(jù)會議注冊和注銷 鏈路維護，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2022-6-20292.3 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2022-6-20302.4 通信過程 CIOM OCU 機車注冊 注冊回復(fù)(成功/失敗) T1 T1 機車注冊 T1=15s 注冊2022-

12、6-20312.4 通信過程 CIOM OCU 機車注銷 注銷回復(fù)(成功/失敗) T2 T2 機車注銷 T2=5s 注銷2022-6-2032 狀態(tài)查詢 當CIOM處于空閑狀態(tài)或已注冊狀態(tài)（即沒有正在進行注冊或注銷操作）時，應(yīng)啟動狀態(tài)查詢定時器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通信失敗； 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2022-6-2033 返回本組成員通信狀態(tài) 當OCU收到AN返回的本組成員通信狀態(tài)時，主動向CI

13、OM發(fā)送該數(shù)據(jù)幀 2.4 通信過程2022-6-20342.5 狀態(tài)指示指示項指示項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2022-6-2035三、地面應(yīng)用節(jié)點 系統(tǒng)構(gòu)成 功能描述 AN與GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口2022-6-20363.1 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/維護單元(服務(wù)器) 編組控制單元（從） 內(nèi)部總線 傳輸網(wǎng) 遠程管

14、理/維護客戶端 遠程管理/維護客戶端 遠程管理/維護客戶端 圖6.1 AN內(nèi)部構(gòu)成邏輯示意圖 2022-6-20373.2 功能描述 通信電路連接控制 對OCU進行安全認證 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2022-6-20383.3 與GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口 AN通過PRI接口接入GSM-R網(wǎng)絡(luò)。2022-6-2039四、通信過程 開機 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2022-6-20404.1 開機 OCU開機并完成自檢后，控制GSM-R信道機進行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-

15、20414.2 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進行安全認證，確保OCU的合法性； 認證通過后，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)會議； AN返回注冊成功數(shù)據(jù)幀； CIOM顯示注冊成功。2022-6-20424.3 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。2022-6-20434.4 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)會議功能，在主控和從控機車之間傳輸LOCOTROL的各種數(shù)據(jù)。 2022-6

16、-20444.5 狀態(tài)查詢 CIOM與OCU之間 當CIOM處于空閑狀態(tài)或已注冊狀態(tài)（即沒有正在進行注冊或注銷操作）時，應(yīng)啟動狀態(tài)查詢定時器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2022-6-2045五、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2022-6-20465.1 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延

17、8.5s (95%), 15s(100%)連接建立失敗率 10-2最大端對端傳輸時延（30字節(jié)）= 0.5s連接丟失率 10-2/h傳輸干擾率傳輸干擾時間 95%0.8s 99%20s, 99%7s網(wǎng)絡(luò)登記時延30s (95%), 35s (99%), 40s(100%)2022-6-20475.2 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。 GSM-R無線信道采用全速率方式。 補充業(yè)務(wù) CLIP：主叫線路識別表示，用于向被叫方指示主叫方的號碼； eMLPP：對于用于LOCOTROL應(yīng)用的移動

18、用戶，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)將這些用戶的默認優(yōu)先級設(shè)為1級。2022-6-20485.3 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進行速率適配。 2022-6-20495.3 PRI接口需求(2) PRI接口冗余 設(shè)某條線路雙方向一共有N列重載列車同時運行，GSM-R網(wǎng)絡(luò)必須能夠同時提供Nx4個OCU與AN的電路數(shù)據(jù)連接，所需的PRI端口數(shù)為Nx4/30。

19、由于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。 當GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的一塊PRI接口板上具備多個PRI端口時，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LOCOTROL系統(tǒng)的通信所造成的影響。 2022-6-20505.3 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端口分配同一個號碼，當OCU呼叫AN時，MSC按照負荷分擔的原則將該呼叫路由到一個可用的可用的PRI端口上。 2022-6-20515.3 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MSC檢測到一個PRI端口的物理層和鏈路層狀態(tài)異常時，該PRI端口為不可用，MSC將不向該端口路由新的呼叫。當MSC檢測到該PR