本发明公开了一种基于LTE‑R分组交换网络的CTCS‑3级列控车载无线通信系统，其包括：安全板、非安全板以及记录板；安全板，实现基于LTE‑R开放网络的通信协议的安全层与安全算法功能；安全板通过相关接口与ATP相连，接收ATP发送的连接管理命令，并与ATP交互无线消息；非安全板，实现基于LTE‑R开放网络的通信协议的ALE子层、TCP/IP和PPP协议栈功能，并实现密钥和配置参数管理、LTE‑R电台控制功能；非安全板还通过相关接口与LTE‑R电台相连，向LTE‑R电台发送控制指令，并交互业务数据，记录板接收安全板和非安全板发送的日志信息并保存。该系统能支持LTE‑R电台，并且适用LTE‑R网络，可用于承载CTCS‑3级列控系统无线数据；此外，相对现有技术方案，本系统只需要一个LTE‑R电台即可完成其功能。
1.一种基于LTE-R分组交换网络的CTCS-3级列控车载无线通信系统，其特征在于，包括：安全板、非安全板以及记录板；其中：所述安全板与非安全板相连，所述非安全板向安全板发送密钥信息和配置参数信息，并且与安全板交互车地信息；安全板及非安全板均与记录板相连，由记录板接收安全板和非安全板发送的日志信息并保存；
所述安全板，实现基于LTE-R开放网络的通信协议的安全层与安全算法功能；安全板通过相关接口与ATP相连，接收ATP发送的连接管理命令，并与ATP交互无线消息；
所述非安全板，实现基于LTE-R开放网络的通信协议的ALE子层、TCP/IP和PPP协议栈功能，并实现密钥和配置参数管理、LTE-R电台控制功能；非安全板还通过相关接口与LTE-R电台相连，向LTE-R电台发送控制指令，并交互业务数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于LTE-R分组交换网络的CTCS-3级列控车载无线通信系统，其特征在于，系统还包括，用于为安全板、非安全板以及记录板提供电源的电源板；以及为系统内部各板卡提供连接接口的背板。
3.根据权利要求1所述的一种基于LTE-R分组交换网络的CTCS-3级列控车载无线通信系统，其特征在于，所述安全板包括：ATP通信协议模块、安全功能模块接口、安全层、第一数据收集与分发模块、安全算法接口模块、安全算法库模块以及第一通信协议模块；
其中，ATP通信协议模块、第一通信协议模块对应的连接ATP、非安全板；ATP通信协议模块、安全功能模块接口、第一数据收集与分发模块、安全算法接口模块及安全算法库模块依次相连；第一数据收集与分发模块还与安全层及第一通信协议模块相连；安全层，用于处理ATP命令、处理非安全板数据、实现安全层协议以及实现ATP数据格式的转换；
还包括：与上述各模块相连的第一日志模块及第一任务管理与超时监控模块，所述第一日志模块还与记录板相连。
4.根据权利要求3所述的一种基于LTE-R分组交换网络的CTCS-3级列控车载无线通信系统，其特征在于，ATP通信协议模块，实现安全板与ATP主控单元之间的接口协议；
安全功能模块接口，实现安全板与ATP接口协议数据的初步处理；
第一数据收集与分发模块，用于收集与分发ATP数据、非安全板数据、配置参数、密钥以及安全算法；
安全算法库模块，实现安全算法，用于为安全层生成会话密钥，以及为安全层数据计算MAC校验码；
安全算法接口模块，实现安全层与安全算法库的接口，包括安全算法库中算法选择、算法输入与输出；
第一通信协议模块，与非安全板的第二数据收集与分发模块相对应，实现安全板与非安全板之间的通信协议；
第一任务管理与超时监控模块，实现各模块初始化、顺序调度、运行时间监控以及超时处理；
5.根据权利要求1所述的一种基于LTE-R分组交换网络的CTCS-3级列控车载无线通信系统，其特征在于，所述非安全板包括：本地文件管理模块、第二数据收集与分发模块、第二通信协议模块、协调功能模块、ALE层、TCP层、IP层、PPP层、电台管理模块；
其中，第二通信协议模块、电台管理模块对应的连接安全板、LTE-R电台；第二通信协议模块、第二数据收集与分发模块、协调功能模块、ALE层、TCP层、IP层、PPP层及电台管理模块依次相连；本地文件管理模块与第二数据收集与分发模块及电台管理模块相连；协调功能模块还与PPP层及电台管理模块相连；ALE层、TCP层、IP层及PPP层，实现车地无线功能接口规范中的相应层协议栈功能；
还包括：与上述各模块相连的第二日志模块及第二任务管理与超时监控模块，所述第二日志模块通过两个接口与记录板相连。
6.根据权利要求5所述的一种基于LTE-R分组交换网络的CTCS-3级列控车载无线通信系统，其特征在于，本地文件管理模块，用于访问本地保存的配置参数与密钥；
第二数据收集与分发模块，用于收集与分发地面数据、安全板数据、配置参数及密钥；
第二通信协议模块，与安全板的第一数据收集与分发模块相对应，实现安全板与非安全板之间的通信协议；
协调功能模块，用于选择电台和通道、管理ALE连接管理、管理TCP/IP协议栈和PPP协议；
电台管理模块，用于管理电台的状态、处理电台指令以及传送电台数据；
第二任务管理与超时监控模块，实现各模块初始化、顺序调度、运行时间监控以及超时处理；
7.根据权利要求1所述的一种基于LTE-R分组交换网络的CTCS-3级列控车载无线通信系统，其特征在于，系统的前面板上还设有一个拨纽开关，用于区分记录板的运行态和维护态，还设有若干USB接口，用于下载日志。
一种基于LTE-R分组交换网络的CTCS-3级列控车载无线通信
系统
技术领域
[0001] 本发明涉及铁路通信信号技术领域，尤其涉及一种基于LTE-R分组交换网络的CTCS-3级列控车载无线通信系统。
背景技术
[0002] 中国高速铁路CTCS-3级列控系统中，地面RBC设备负责生成行车许可消息并将其发送给车载ATP设备，从而控制列车运行。当前运营的ATP设备均采用GSM-R电台，利用GSM-R电路交换网络与RBC设备进行通信。CTCS-3级无线通信系统结构简图如图1所示。
[0003] 现有CTCS-3级列控的无线通信系统，是采用GSM-R电台，并且基于GSM-R电路交换网络，与RBC进行通信，其通信协议包括了安全层(ERTMS ETCS subset-037V2.3.0)、传输层(ITU-T X.224TP2)、网络层(ITU-T T.70CSPDN header)、链路层(ISO7776HDLC)、物理层(GSM-R)等。ATP与RBC建立连接后，需要长期独占所分配的GSM-R电路域时隙和无线信道，直到与RBC无线会话中断才能释放链路。为了完成与两个RBC的切换过程，现有车载无线通信系统需要采用2个GSM-R电台，每个电台负责与其中一个RBC进行通信。
[0004] 但是，GSM-R电路切换网络为CTCS-3级列车控制业务分配独占的电路域时隙和无线信道，这降低了整个系统的容量和可承载用户量；GSM-R电路交换网络传输速率较低，波特率一般是2400、4800或9600；另外还受GSM-R系统能力限制。此外，GSM-R网络的生命周期将在2025年终结，所有厂商均将停止GSM-R网络设备的维护。
[0005] LTE-R作为下一代铁路通信系统，将用于承载CTCS-3级列控系统业务，因此现有的无线通信系统将无法继续服务于CTCS-3级等的列控系统。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种基于LTE-R分组交换网络的CTCS-3级列控车载无线通信系统。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008] 一种基于LTE-R分组交换网络的CTCS-3级列控车载无线通信系统，包括：安全板、非安全板以及记录板；其中：
[0009] 所述安全板与非安全板相连，所述非安全板向安全板发送密钥信息和配置参数信息，并且与安全板交互车地信息；安全板及非安全板均与记录板相连，由记录板接收安全板和非安全板发送的日志信息并保存；
[0010] 所述安全板，实现基于LTE-R开放网络的通信协议的安全层与安全算法功能；安全板通过相关接口与ATP相连，接收ATP发送的连接管理命令，并与ATP交互无线消息；
[0011] 所述非安全板，实现基于LTE-R开放网络的通信协议的ALE子层、TCP/IP和PPP协议栈功能，并实现密钥和配置参数管理、LTE-R电台控制功能；非安全板还通过相关接口与LTE-R电台相连，向LTE-R电台发送控制指令，并交互业务数据。
[0012] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，能支持LTE-R电台，并且适用LTE-R网络；可用于承载CTCS-3级列控系统无线数据；此外，相对现有的需两个GSM-R电台的技术方案，本系统只需要一个LTE-R电台即可完成其功能。
附图说明
[0013] 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。
[0014] 图1为本发明背景技术提供的CTCS-3级无线通信系统结构简图；
[0015] 图2为本发明实施例提供的一种基于LTE-R分组交换网络的CTCS-3级列控车载无线通信系统的示意图；
[0016] 图3为本发明实施例提供的安全板的示意图；
[0017] 图4为本发明实施例提供的非安全板的示意图。
具体实施方式
[0018] 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。
[0019] 为了能让CTCS-3级ATP车载设备和RBC设备能够适用于LTE-R网络，并且能够替换现有的车载设备，本发明实施例提供一种基于LTE-R分组交换网络的CTCS-3级列控车载无线通信系统。该系统能够替代现有的CTCS-3级ATP车载设备的无线通信系统，使之与RBC设备建立连接，进行列控相关数据的交互；该系统是基于LTE-R分组交换网络的，仅利用一个LTE-R电台便可与两个RBC建立无线连接，并完成RBC移交过程。
[0020] 如图2所示，该系统主要包括：安全板、非安全板以及记录板；其中：
[0021] 所述安全板与非安全板相连，所述非安全板向安全板发送密钥信息和配置参数信息，并且与安全板交互车地信息；安全板及非安全板均与记录板相连，由记录板接收安全板和非安全板发送的日志信息并保存；
[0022] 所述安全板，实现基于LTE-R开放网络的通信协议的安全层与安全算法功能；安全板通过相关接口与ATP相连，接收ATP发送的连接管理命令，并与ATP交互无线消息；
[0023] 所述非安全板，实现基于LTE-R开放网络的通信协议的ALE子层、TCP/IP和PPP协议栈功能，并实现密钥和配置参数管理、LTE-R电台控制功能；非安全板还与通过相关接口与LTE-R电台相连，向LTE-R电台发送控制指令，并交互业务数据。
[0024] 该系统还包括，用于为安全板、非安全板以及记录板提供电源的电源板；以及为系统内部各板卡提供连接接口的背板。
[0025] 下面示例性的给出系统及各板卡的尺寸。
[0026] 系统的总尺寸为：宽19TE，高3U，深160mm。
[0027] 各板卡尺寸如下：
[0028] 安全板4TE，3U，160mm；
[0029] 非安全板4TE，3U，160mm；
[0030] 记录板4TE，3U，160mm；
[0031] 电源板7TE，3U，160mm；
[0032] 背板19TE，3U。
[0033] 如图2所示的接口1～接口2为系统与外部设备的接口：
[0034] 接口1：RS422，与ATP的接口
[0035] 接口2：RS422，与电台间的ILTE-R接口。
[0036] 如图2所示的接口3～接口6为系统内部各板卡之间的接口，这些接口均采用背板RS422接口方式：
[0037] 接口3：安全板与非安全板间的通信接口。
[0038] 接口4：安全板与记录板间的接口。
[0039] 接口5和6：非安全板与记录板间的接口。
[0040] 下面针对系统中各板卡做详细的介绍。
[0041] 本发明实施例中，非安全板与安全板都是功能板，在前面板提供状态指示灯，应用软件运行于MCU芯片，并采用实时操作系统。
[0042] 应用软件提供任务调度和超时监控功能，应用任务调度周期均为100ms，且周期运行时间不得超时。为了尽量不影响应用任务运行周期，RS422各个接口的输入输出均采用DMA方式实现。
[0043] 1、安全板
[0044] 安全板的主要结构如图3所示，其主要包括：ATP通信协议模块、安全功能模块接口、安全层、第一数据收集与分发模块、安全算法接口模块、安全算法库模块以及第一通信协议模块；
[0045] 其中，ATP通信协议模块、第一通信协议模块对应的连接ATP、非安全板；ATP通信协议模块、安全功能模块接口、第一数据收集与分发模块、安全算法接口模块及安全算法库模块依次相连；第一数据收集与分发模块还与安全层及第一通信协议模块相连；
[0046] 还包括：与上述各模块相连的第一日志模块及第一任务管理与超时监控模块，所述第一日志模块还与记录板相连。
[0047] 如前所述，安全板主要实现基于LTE-R开放网络的通信协议的安全层与安全算法功能；还接收ATP发送的连接管理命令，并与ATP交互无线消息。
[0048] 本发明实施例中，第一日志模块及第一任务管理与超时监控模块属于支撑模块，用于为安全板的其他各模块提供底层支持。
[0049] 下面从针对安全板中各个模块的功能进行介绍。
[0050] 1)ATP通信协议模块，实现安全板与ATP主控单元之间的接口协议。
[0051] 2)安全功能模块接口，实现安全板与ATP接口协议数据的初步处理。
[0052] 3)安全层，安全板的核心模块，处理ATP命令、处理非安全板数据、实现安全层协议以及实现ATP数据格式的转换。
[0053] 4)第一数据收集与分发模块，ATP数据、非安全板数据、配置参数、密钥以及安全算法输入输出等数据，都需要通过本模块进行收集与分发。
[0054] 5)安全算法库，实现安全算法，用于为安全层生成会话密钥，以及为安全层数据计算MAC校验码。
[0055] 6)安全算法接口模块，实现安全层与安全算法库的接口，包括安全算法库中算法选择、算法输入与输出等。
[0056] 7)第一通信协议模块，与非安全板的第二数据收集与分发模块相对应，实现安全板与非安全板之间的通信协议。
[0057] 8)第一任务管理与超时监控模块，实现各模块初始化、顺序调度、运行时间监控以及超时处理等功能。
[0058] 9)第一日志模块，提供日志保存功能与记录板接口功能。
[0059] 2、非安全板
[0060] 非安全板的主要结构如图4所示，其主要包括：本地文件管理模块、第二数据收集与分发模块、第二通信协议模块、协调功能模块、ALE层、TCP层、IP层、PPP层、电台管理模块；
[0061] 其中，第二通信协议模块、电台管理模块对应的连接安全板、LTE-R电台；第二通信协议模块、第二数据收集与分发模块、协调功能模块、ALE层、TCP层、IP层、PPP层及电台管理模块依次相连；本地文件管理模块与第二数据收集与分发模块及电台管理模块相连；协调功能模块还与PPP层及电台管理模块相连；
[0062] 还包括：与上述各模块相连的第二日志模块及第二任务管理与超时监控模块，所述第二日志模块通过两个接口与记录板相连。
[0063] 如前所述，非安全板主要实现基于LTE-R开放网络的通信协议的ALE子层、TCP/IP和PPP协议栈，并实现密钥和配置参数管理、LTE-R电台控制等功能。非安全板向安全板发送密钥信息和配置参数信息，并且与安全板交互车地信息；非安全板还向电台发送控制指令，并且交互业务数据。
[0064] 本发明实施例中，第二日志模块及第二任务管理与超时监控模块属于支撑模块，用于为非安全板的其他各模块提供底层支持。
[0065] 下面针对非安全板中各个模块的功能进行介绍。
[0066] 1)本地文件管理模块，用于访问本地保存的配置参数与密钥。
[0067] 2)第二数据收集与分发模块，地面数据、安全板数据、配置参数、密钥等数据，都需要通过本模块进行收集与分发。
[0068] 3)第二通信协议模块，与安全板的第一数据收集与分发模块相对应，实现安全板与非安全板之间的通信协议。
[0069] 4)协调功能模块，非安全板的核心模块，选择电台和通道、管理ALE连接管理、管理TCP/IP协议栈和PPP协议等。
[0070] 5)电台管理模块，管理电台的状态、处理电台指令以及传送电台数据。
[0071] 6)ALE层、TCP层、IP层及PPP层，实现车地无线功能接口规范中的相应层协议栈功能。
[0072] 7)第二任务管理与超时监控模块，实现各模块初始化、顺序调度、运行时间监控以及超时处理等功能。
[0073] 8)第二日志模块，提供日志保存功能与记录板接口功能。
[0074] 此外，非安全板设计有Flash和MRAM芯片，用于存储可执行文件、参数文件、密钥文件。现场工程相关的参数、密钥等都可以根据需要进行配置。非安全板通过DB26接口控制LTE-R电台。
[0075] 3、记录板
[0076] 记录板从安全板和非安全板接收日志信息并保存，系统的前面板上还设有一个拨纽开关，用于区分记录板的运行态和维护态，还设有若干USB接口，用于下载日志。
[0077] 4、电源板
[0078] 电源板接收外部110V电源，并向安全板、非安全板和记录板提供运行和维护所需的电源输入。
[0079] 本发明实施例上述方案，能支持LTE-R电台，并且适用LTE-R网络；可用于承载CTCS-3级列控系统无线数据；此外，相对现有的需两个GSM-R电台的技术方案，本系统只需要一个LTE-R电台即可完成其功能。
[0080] 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。
