CN113784409A - 一种高速铁路ato系统双模车载无线通信单元及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元及控制方法，保持原ATO系统无线通信单元TE接口及射频接口，最大限度的兼容了现网运行的ATO系统，避免车载设备大规模升级改造的经济成本，仅通过TE接口上的PPP连接就可以提供GSM‑R/GPRS及LTE‑R/5G‑R两种网络的TCPIP数据传输，并可以自动维持两种网络制式下的网络连接，在两种网络共同覆盖区域，可以实现两种网络制式下数据的同时传输，降低了ATO系统运行及交权软件设计的复杂度。

Description

一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元及控制方法
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元及控制方法。
背景技术
高速铁路ATO(Automatic Train Operation，列车自动驾驶)系统是在CTCS-2/CTCS-3级列控系统的基础上，设置车载ATO单元实现列车自动驾驶；地面设置专用的精确定位应答器实现列车精确定位，设置通信控制服务器实现站台门(安全门或屏蔽门)控制、运行计划处理，以提高运输效率、降低司机劳动强度、保障旅客上下车的人身安全。
在CTCS-2/CTCS-3级列控系统的基础上，车载增加ATO单元、车载无线通信单元及相关配套设备；地面在TSRS、CTC、TCC、RBC等既有设备的基础上增加功能；车站股道增加精确定位应答器，构成高速铁路ATO系统。
目前，我国铁路移动通信系统主要采用GSM-R/GPRS，承载了传统的调度通信和列控业务。但是GSM-R为窄带通信系统，由于带宽低，系统承载能力有限等局限性，除了传统的调度通信和列控业务以外无法满足不断拓展的移动视频监控、列车车况信息远程实时监测、优化控制和自动驾驶、智能列车、铁路物联网、旅客服务等新的业务需求。国铁集团于2015年成立下一代铁路无线通信系统工作组，先后进行了LTE-R及5G-R相关技术研究和试验，并在2020年确定了5G-R作为下一代移动通信系统的技术路线。
目前，高速铁路ATO系统中使用的无线通信单元仍为GSM-R/GPRS通信模块，并且由于下一代无线通信系统的建设周期较长，下一代无线通信系统的建设中会长期存在GSM-R/GPRS系统与5G-R系统共存的场景，因此需要一种全新的高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元及控制方法，可满足高速铁路ATO系统从GSM-R/GPRS网络向5G-R网络的演进需求，满足各项新业务的需求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元，包括：控制单元、5G-R/LTE-R通信模块、GSM-R/GPRS通信模块、双工器、以及TE接口连接器；其中：
所述TE接口连接器作为双模车载无线通信单元与ATO上位机的物理连接接口；
所述5G-R/LTE-R通信模块为5G-R或LTE-R通信模块，所述GSM-R/GPRS通信模块为GSM-R专网数据通信模块；
所述双工器与5G-R/LTE-R通信模块以及GSM-R/GPRS通信模块连接，将两路射频信号合并为对外射频接口；
所述控制单元，负责整个双模车载无线通信单元的初始化，与ATO上位机交互及业务流程的实现，GSM-R/GPRS通信模块的配置、状态以及业务控制，5G-R通信单元的配置、状态以及业务控制，运行日志记录，以及数据安全防护。
一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元的控制方法，用于实现前述双模车载无线通信单元与ATO上位机的业务通信控制，该方法包括：
所述双模车载无线通信单元通过TE接口连接器与ATO上位机连接后，TE接口连接器的串口默认为命令传输状态；
ATO上位机开机初始化过程中，所述控制单元通过TE接口的串口接收ATO上位机发送的AT命令配置GSM-R/GPRS通信模块以及5G-R/LTE-R通信模块相关参数；
初始化完成后，通过TE接口连接器，建立与ATO上位机的PPP连接，所述控制单元通过PPP协议中的IPCP协议给ATO上位机分配一个内部IP地址，TE接口连接器的串口进入数据传输状态，双模车载无线通信单元分别控制GSM-R/GPRS通信模块与5G-R/LTE-R通信模块驻网和获取IP地址，与GSM-R/GPRS网络建立PPP拨号连接，将5G-R/LTE-R通信模块识别为内部网卡；
建立PPP连接后，ATO上位机能够通过该PPP连接同时向GSM-R或GPRS地面设备以及LTE-R或5G-R地面设备进行TCP/IP数据传输；所述控制单元会通过TCP/IP数据的IP地址段将对应数据包路由到PPP拨号连接或内部网卡上，同时将从PPP拨号连接和内部网卡收到的TCP/IP数据包封装转发到与ATO上位机的PPP拨号连接；
ATO上位机完成数据传输业务后，所述控制单元将通过TE接口连接器的串口接收DTR信号，之后，控制GSM-R/GPRS通信模块进行PDP去激活，控制5G-R/LTE-R通信模块注销网络，并断开与ATO上位机的PPP连接，TE接口连接器的串口进入命令传输状态。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，保持原ATO系统无线通信单元TE接口及射频接口，最大限度的兼容了现网运行的ATO系统，避免车载设备大规模升级改造的经济成本，仅通过TE接口上的PPP连接就可以提供GSM-R/GPRS及LTE-R/5G-R两种网络的TCPIP数据传输，并可以自动维持两种网络制式下的网络连接，在两种网络共同覆盖区域，可以实现两种网络制式下数据的同时传输，降低了ATO系统运行及交权软件设计的复杂度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元的示意图；
图2为本发明实施例提供的双模车载无线通信单元TCP/IP连接示意图；
图3为本发明实施例提供的双模车载无线通信单元数据发送示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
下面对本发明所提供的一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如图1所示，一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元，主要包括：控制单元、5G-R/LTE-R通信模块、GSM-R/GPRS通信模块、双工器、以及TE接口连接器；其中：
所述TE接口连接器作为双模车载无线通信单元与ATO上位机的物理连接接口；例如，可以是RS422接口；
所述5G-R/LTE-R通信模块为5G-R或LTE-R通信模块，支持中国铁路5G-R或LTE-R频段，适用不同布网场景；所述GSM-R/GPRS通信模块为GSM-R专网数据通信模块，支持锁定GSM-R中国铁路频段；所述5G-R/LTE-R通信模块与GSM-R/GPRS通信模块均能够存储自身的通信信令及运行数据；
所述双工器与5G-R/LTE-R通信模块以及GSM-R/GPRS通信模块连接，将两路射频信号合并为对外射频接口，满足不同制式下的射频性能要求以及两种制式同时工作的抗干扰性能；
所述控制单元，负责整个双模车载无线通信单元的初始化，与ATO上位机交互及业务流程的实现，GSM-R/GPRS通信模块的配置、状态以及业务控制，5G-R通信单元的配置、状态以及业务控制，运行日志记录，以及数据安全防护。
上述双模车载无线通信单元还包括：
RF连接器，其作为双模车载无线通信单元与车顶天线的射频接口；
SIM卡连接器，能够支持SIM或者USIM，或者支持eSIM模块，直接与相应的无线通信模块连接；
维护接口，用于导出双模车载无线通信单元的日志数据。
示例性的，所述控制单元、5G-R/LTE-R通信模块、GSM-R/GPRS通信模块、双工器等器件都可以安装在同一板卡上，其余接口直接则设置在板卡上，板卡可以固定在一个盒体中，对于每一接口，盒体外部都可以设置相应开孔便于与外部设备的连接。
本发明实施例提供的上述双模车载无线通信单元是ATO车载系统的一部分，通过TE接口连接器与ATO上位机建立连接，可以向ATO上位机同时提供GSM-R/GPRS及LTE-R/5G-R接入和分组传输服务，满足ATO在铁路下一代移动通信系统中GSM-R/GPRS与LTE-R/5G-R分段布网以及在交接区两种制式同时布网的应用场景。
本发明实施例提供的上述双模车载无线通信单元支持GSM-R/GPRS、LTE-R/5G-R通信模块信令日志的保存和双模通信单元日志存储，可通过维护接口导出日志，方便出现故障时的问题定位。
本发明实施例提供的上述双模车载无线通信单元内置网络安全边界隔离功能，能主取采取安全防护措施，防止非法访问和入侵行为，实现信息的安全隔离，确保列车行车安全。
本发明实施例提供的上述双模车载无线通信单元中，控制单元作为核心模块，负责控制、协调其他模块与ATO上位机协同工作，与ATO上位机的业务通信控制方法如图2～图3所示，主要包括：
1)所述双模车载无线通信单元通过TE接口连接器与ATO上位机连接后，TE接口连接器的串口默认为命令传输状态。
2)ATO上位机开机初始化过程中，所述控制单元通过TE接口的串口接收ATO上位机发送的AT命令配置GSM-R/GPRS通信模块以及5G-R/LTE-R通信模块相关参数。
3)初始化完成后，通过TE接口连接器，建立与ATO上位机的PPP连接，所述控制单元通过PPP协议中的IPCP协议给ATO上位机分配一个内部IP地址，TE接口连接器的串口进入数据传输状态，双模车载无线通信单元分别控制GSM-R/GPRS通信模块与5G-R/LTE-R通信模块驻网和获取IP地址，与GSM-R/GPRS网络建立PPP拨号连接，将5G-R/LTE-R通信模块识别为内部网卡，如图2所示。
4)建立PPP连接后，ATO上位机能够通过该PPP连接同时向GSM-R或GPRS地面设备以及LTE-R或5G-R地面设备进行TCP/IP数据传输；所述控制单元会通过TCP/IP数据的IP地址段将对应数据包路由到PPP拨号连接或内部网卡上，同时将从PPP拨号连接和内部网卡收到的TCP/IP数据包封装转发到与ATO上位机的PPP拨号连接，如图3所示。
5)在GSM-R或GPRS网络与LTE-R或5G-R网络共同覆盖区域，向ATO上位机同时提供向GSM-R或GPRS地面服务器和LTE-R或5G-R地面服务器的数据传输服务。
6)在ATO上位机数据传输过程中，所述控制单元维持与GSM-R/GPRS通信模块的PPP连接，当检测到GSM-R/GPRS通信模块脱网或PDP去激活后，自动进行GSM-R或GPRS的驻网和PDP激活；控制单元维持5G-R/LTE-R通信模块的数据连接，当LTE-R或5G-R脱网或数据连接断开后，自动进行5G-R/LTE-R通信模块的驻网和数据连接。
7)ATO上位机完成数据传输业务后，所述控制单元将通过TE接口连接器的串口接收DTR信号，之后，控制GSM-R/GPRS通信模块进行PDP去激活，控制5G-R/LTE-R通信模块注销网络，并断开与ATO上位机的PPP连接，TE接口连接器的串口进入命令传输状态。
本发明另一实施例还提供一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元的控制方法，该控制方法主要是针对双模车载无线通信单元与ATO上位机的业务通信流程进行控制，具体控制方法在之前针对双模车载无线通信单元介绍时也做了详细的说明，故不再赘述。
本发明实时提供的双模无线通信单元及其控制方法，可满足高速铁路ATO系统从GSM-R/GPRS网络向5G-R网络的演进需求，保持原ATO系统无线通信单元TE接口及射频接口，最大限度的兼容了现网运行的ATO系统，避免车载设备大规模升级改造的经济成本，仅通过TE接口上的PPP连接就可以提供GSM-R/GPRS及LTE-R/5G-R两种网络的TCPIP数据传输，并可以自动维持两种网络制式下的网络连接，在两种网络共同覆盖区域，可以实现两种网络制式下数据的同时传输，降低了ATO系统运行及交权软件设计的复杂度。同时，本发明的双模通信单元还支持自身两种制式的通信信令及运行数据保存，也是现有ATO通信单元不具备的，可方便故障定位。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元，其特征在于，包括：控制单元、5G-R/LTE-R通信模块、GSM-R/GPRS通信模块、双工器、以及TE接口连接器；其中：
所述TE接口连接器作为双模车载无线通信单元与ATO上位机的物理连接接口；
所述5G-R/LTE-R通信模块为5G-R或LTE-R通信模块，所述GSM-R/GPRS通信模块为GSM-R专网数据通信模块；
所述双工器与5G-R/LTE-R通信模块以及GSM-R/GPRS通信模块连接，将两路射频信号合并为对外射频接口；
所述控制单元，负责整个双模车载无线通信单元的初始化，与ATO上位机交互及业务流程的实现，GSM-R/GPRS通信模块的配置、状态以及业务控制，5G-R通信单元的配置、状态以及业务控制，运行日志记录，以及数据安全防护。
2.根据权利要求1所述的一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元，其特征在于，所述双模车载无线通信单元通过TE接口连接器与ATO上位机连接后，TE接口连接器的串口默认为命令传输状态；
ATO上位机开机初始化过程中，所述控制单元通过TE接口的串口接收ATO上位机发送的AT命令配置GSM-R/GPRS通信模块以及5G-R/LTE-R通信模块相关参数；
初始化完成后，通过TE接口连接器，建立与ATO上位机的PPP连接，所述控制单元通过PPP协议中的IPCP协议给ATO上位机分配一个内部IP地址，TE接口连接器的串口进入数据传输状态，双模车载无线通信单元分别控制GSM-R/GPRS通信模块与5G-R/LTE-R通信模块驻网和获取IP地址，与GSM-R/GPRS网络建立PPP拨号连接，将5G-R/LTE-R通信模块识别为内部网卡；
建立PPP连接后，ATO上位机能够通过该PPP连接同时向GSM-R或GPRS地面设备以及LTE-R或5G-R地面设备进行TCP/IP数据传输；所述控制单元会通过TCP/IP数据的IP地址段将对应数据包路由到PPP拨号连接或内部网卡上，同时将从PPP拨号连接和内部网卡收到的TCP/IP数据包封装转发到与ATO上位机的PPP拨号连接；
ATO上位机完成数据传输业务后，所述控制单元将通过TE接口连接器的串口接收DTR信号，之后，控制GSM-R/GPRS通信模块进行PDP去激活，控制5G-R/LTE-R通信模块注销网络，并断开与ATO上位机的PPP连接，TE接口连接器的串口进入命令传输状态。
3.根据权利要求1或2所述的一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元，其特征在于，
在GSM-R或GPRS网络与LTE-R或5G-R网络共同覆盖区域，向ATO上位机同时提供向GSM-R或GPRS地面服务器和LTE-R或5G-R地面服务器的数据传输服务；
在ATO上位机数据传输过程中，所述控制单元维持与GSM-R/GPRS通信模块的PPP连接，当检测到GSM-R/GPRS通信模块脱网或PDP去激活后，自动进行GSM-R或GPRS的驻网和PDP激活；控制单元维持5G-R/LTE-R通信模块的数据连接，当LTE-R或5G-R脱网或数据连接断开后，自动进行5G-R/LTE-R通信模块的驻网和数据连接。
4.根据权利要求1所述的一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元，其特征在于，所述5G-R/LTE-R通信模块与GSM-R/GPRS通信模块均能够存储自身的通信信令及运行数据。
5.根据权利要求1所述的一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元，其特征在于，所述双模车载无线通信单元还包括：SIM卡连接器，能够支持SIM或者USIM，或者支持eSIM模块。
6.根据权利要求1所述的一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元，其特征在于，所述双模车载无线通信单元还包括：RF连接器，其作为双模车载无线通信单元与车顶天线的射频接口。
7.根据权利要求1所述的一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元，其特征在于，所述双模车载无线通信单元还包括：维护接口，用于导出双模车载无线通信单元的日志数据。
8.一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元的控制方法，其特征在于，用于实现权利要求1～7任一项所述双模车载无线通信单元与ATO上位机的业务通信控制，该方法包括：
所述双模车载无线通信单元通过TE接口连接器与ATO上位机连接后，TE接口连接器的串口默认为命令传输状态；
ATO上位机开机初始化过程中，所述控制单元通过TE接口的串口接收ATO上位机发送的AT命令配置GSM-R/GPRS通信模块以及5G-R/LTE-R通信模块相关参数；
初始化完成后，通过TE接口连接器，建立与ATO上位机的PPP连接，所述控制单元通过PPP协议中的IPCP协议给ATO上位机分配一个内部IP地址，TE接口连接器的串口进入数据传输状态，双模车载无线通信单元分别控制GSM-R/GPRS通信模块与5G-R/LTE-R通信模块驻网和获取IP地址，与GSM-R/GPRS网络建立PPP拨号连接，将5G-R/LTE-R通信模块识别为内部网卡；
建立PPP连接后，ATO上位机能够通过该PPP连接同时向GSM-R或GPRS地面设备以及LTE-R或5G-R地面设备进行TCP/IP数据传输；所述控制单元会通过TCP/IP数据的IP地址段将对应数据包路由到PPP拨号连接或内部网卡上，同时将从PPP拨号连接和内部网卡收到的TCP/IP数据包封装转发到与ATO上位机的PPP拨号连接；
ATO上位机完成数据传输业务后，所述控制单元将通过TE接口连接器的串口接收DTR信号，之后，控制GSM-R/GPRS通信模块进行PDP去激活，控制5G-R/LTE-R通信模块注销网络，并断开与ATO上位机的PPP连接，TE接口连接器的串口进入命令传输状态。
9.根据权利要求8所述的一种高速铁路ATO系统双模车载无线通信单元的控制方法，其特征在于，
在GSM-R或GPRS网络与LTE-R或5G-R网络共同覆盖区域，向ATO上位机同时提供向GSM-R或GPRS地面服务器和LTE-R或5G-R地面服务器的数据传输服务；
在ATO上位机数据传输过程中，所述控制单元维持与GSM-R/GPRS通信模块的PPP连接，当检测到GSM-R/GPRS通信模块脱网或PDP去激活后，自动进行GSM-R或GPRS的驻网和PDP激活；控制单元维持5G-R/LTE-R通信模块的数据连接，当LTE-R或5G-R脱网或数据连接断开后，自动进行5G-R/LTE-R通信模块的驻网和数据连接。
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