摘要：针对多网融合工况下高速列车大流量高带宽数据的实时性与确定性传输难题，本文聚焦高确定性时间敏感网络（TSN）技术展开研究。随着列车通信系统复杂度提升，传统通信技术难以满足突发流量下关键数据的传输需求。研究验证表明，TSN 技术可将列车中央控制单元（CU）与各子系统的通信周期从数十至数百毫秒缩短至1毫秒，具备突发流量下优先传输控制数据的能力，为列车安全稳定运行提供可靠通信保障，为列车通信技术升级提供新路径。

关键词：动车组网络系统；时间敏感网络（TSN）；时钟同步；流量调度；实时传输

1 绪论

随着列车智能化与安全监测需求的持续增长，网络需同时满足实时性、确定性与大带宽传输要求。传统实时以太网采用 “尽力而为” 服务机制，在突发流量、多等级业务混合传输场景下，关键控制数据流的服务质量难以保障，数据传输稳定性不足。

时间敏感网络（TSN）作为集约型网络解决方案，已获行业广泛认可，被视为下一代列车网络核心技术。本文针对列车通信核心需求，开展 TSN 技术应用研究，验证其在高速列车网络控制系统中的可行性与优越性。

2 时间敏感网络（TSN）核心技术

TSN 并非全新技术体系，而是基于标准以太网与虚拟桥接局域网，在数据链路层进行增强的系列标准协议簇，属于面向实时传输的特殊局域网，其核心优势与技术机制如下：

2.1 核心技术优势

（1）高精度时间同步：基于 IEEE802.1AS 协议，通过同步消息传递实现全局高精度时间同步，保障数据帧传输时隙匹配，满足端到端确定性时延要求；

（2）确定性传输保障：通过流量整形、无缝冗余传输、优先级调度等机制，确保关键数据在最坏工况下仍能实现低时延、零分组丢失传输；

（3）良好兼容性：支持关键流量与 “尽力而为” 流量共享网络基础设施，遵循开放以太网标准，实现不同厂商设备兼容互通；

（4）安全防护能力：依托 IEEE 802.1QCI 协议筛选管控输入数据，阻拦违规帧与入侵数据，可与其他安全协议协同提升网络安全性。

2.2 核心技术机制

TSN 技术源于 2005 年 IEEE 802.1AVB 工作组的研究，2011 年后逐步拓展为TSN 协议簇，在向下兼容传统以太网的同时，显著强化实时传输能力：

（1）时钟同步原理：通过最佳主时钟算法（BMCA）筛选最优主时钟，构建时钟同步生成树；借助时间戳记录报文传输时间，结合传播延时测量算法，实现各节点精确同步；

（2）流量调度机制：采用时间感知整形器定义 8 个优先级队列，通过门控列表管理队列门状态与持续时间，实现数据流精准调度，保障高优先级控制数据优先传输。

3 实验结果与应用价值

3.1 测试环境与性能对比

为验证 TSN 技术在列车场景的适用性，搭建模拟列车通信环境，对比 TSN 网络与普通以太网的核心性能指标，结果如下表所示：

测试结果表明，TSN 网络在注入满带宽背景流时，时延稳定在 420μs 左右，抖动接近零，同步精度显著优于普通以太网；普通以太网时延波动大、抖动剧烈，无法保障关键数据传输稳定性。

3.2 列车控制性能优化效果

3.2.1 恒速控制优化

列车恒速控制通过调节牵引力与制动力维持车速恒定，其核心流程为：CCU 接收TCU（传动控制单元）、BCU（制动控制单元）的速度信息，结合目标速度、车重、阻力及最大牵引 / 制动力，计算牵引制动百分比与控制指令并下发至 TCU、BCU。依托TSN 技术，CCU 与 TCU、BCU 的最小通信周期从 30ms 降至 10ms，闭环控制时延从 150ms 缩短至 50ms，显著提升恒速控制精度。

3.2.2 过分相控制优化

过分相是动车组高速运行中跨越供电分区边界的关键工况，需精准协同 TCU 与BCU，避免速度骤变与冲击载荷。当 CR450 动车组速度从 400km/h 提升至 450km/h 时，通过分相区的时间缩短 11% （典型分相区 100-150m，450km/h 工况下通过时间仅0.8-1.2s），通信链路允许的传输抖动裕量从 200ms 降至 16ms。TSN 网络端到端最大时延 0.42ms 、最大周期抖动 0.27ms ，远低于允许裕量，确保 “分相前预减载”“分相中保速”“分相后平顺加力” 等指令精准同步传输，实现牵引制动毫秒级协同。

3.3 核心应用价值

TSN 技术的核心价值体现在三方面：其一，突发大流量场景下可保障高优先级控制数据传输，确保列车正常运行；其二，大幅缩短通信周期，提升列车控制精度；其三，将网络带宽利用率从传统的 20% 提升至 80% ，支持更多设备接入与数据传输，为动车组智能化升级奠定基础。

4 结论

TSN 技术通过高精度时间同步、确定性传输、灵活流量调度等核心特性，有效解决了列车通信系统的实时性与可靠性难题。实验验证与应用分析表明，其在新一代高速动车组网络中的应用显著优于传统以太网与既有通信机制，既满足了多业务融合与高带宽需求，又提升了列车控制精度与运行安全性。作为下一代列车网络核心技术，TSN 为轨道交通通信系统升级优化提供了关键支撑，将推动列车通信技术向更高效率、更高可靠性方向发展。

参考文献

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