地鐵信號系統(tǒng)中車-地無線通信傳輸?shù)目垢蓴_研究

朱光文

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司通信信號設計處,西安 710043)

隨著國內經濟建設的不斷發(fā)展,各個城市地鐵建設的步伐也在不斷加快。信號系統(tǒng)作為控制列車運行的關鍵系統(tǒng),其安全越來越被人們所高度重視。其中代表著目前信號系統(tǒng)發(fā)展趨勢的CBTC(基于通信的移動閉塞信號控制系統(tǒng))信號控制系統(tǒng)[1],首當其沖地成為了人們關注的重點。與傳統(tǒng)固定閉塞、準移動閉塞相比,基于無線通信的移動閉塞CBTC信號系統(tǒng)通過其部署在列車以及軌旁的無線設備,有效地實現(xiàn)了車-地間連續(xù)的雙向通信,使控制中心可以根據(jù)列車實時的速度和位置,動態(tài)計算和調整列車的最大制動距離,縮短行車間隔,從而更為有效地提高運營效率和進一步確保列車的運行安全[2-3]。

CBTC信號系統(tǒng)的高安全性和高可靠性,使得信號系統(tǒng)在任何情況下均不允許出現(xiàn)系統(tǒng)故障。作為信號關鍵子系統(tǒng)的車-地無線通信傳輸子系統(tǒng),其安全性和可靠性同樣也成為了不容忽視的內容之一。

1 車-地無線通信子系統(tǒng)介紹

車-地無線通信子系統(tǒng)是地鐵CBTC信號系統(tǒng)中一個相對較為獨立的子系統(tǒng)。近幾年,隨著信號系統(tǒng)技術的不斷發(fā)展,子系統(tǒng)已由通信專業(yè)組網(wǎng)逐漸演變?yōu)樾盘柂毩⒔M網(wǎng)。它通過軌旁的無線AP和車載的接收天線將車載與地面的信號互連了起來,使整個車與地的信號系統(tǒng)形成了一個有機結合體。其子系統(tǒng)主要由軌旁的無線AP、車載接收天線、車載路由器以及室內的無線服務器、網(wǎng)絡交換機、環(huán)網(wǎng)接入交換機等組成。其中軌旁的無線AP與室內的無線服務器等通過光纜連接,簡稱地面有線網(wǎng)。車載頭尾信息冗余通過光電纜連接,簡稱車載有線網(wǎng)。車與地通過自由波連接,簡稱無線網(wǎng)。有線網(wǎng)采用IEEE802.3以太網(wǎng)標準,無線通信網(wǎng)則采用IEEE802.11X系列標準。

由于有線網(wǎng)技術的成熟性和安全性,車-地無線通信子系統(tǒng)安全傳輸?shù)膯栴}主要集中在車地無線網(wǎng)上。因此,研究車-地無線通信子系統(tǒng)無線部分的安全性就成了本文論述的重點。

2 車-地無線通信傳輸?shù)陌踩孕枨?/h2>

車-地無線通信傳輸?shù)氖橇熊嚑顟B(tài)信息及移動授權信息,對于行車安全及行車效率至關重要。 為保證整個信號系統(tǒng)的安全性、可靠性和可用性,車-地無線傳輸子系統(tǒng)須滿足以下安全性需求。

2.1 高安全性、高可靠性和高可用性

信號系統(tǒng)直接控制列車的速度和移動授權, 屬于安全控制系統(tǒng), 任何干擾都將影響信號系統(tǒng)的安全性、可靠性和可用性, 進而直接影響整個地鐵的安全運營。 因此, 信號系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴⒖煽啃院涂捎眯砸笠簿蜆O高[4]。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邔崟r性

為實現(xiàn)地鐵列車的運行追蹤,前后車的位置信息需實時傳遞。而作為移動體列車的信息傳輸延遲時間,則會作為傳輸時差最終計算到整個信號系統(tǒng)的安全裕量控制中,從而導致系統(tǒng)效率降低。傳輸延遲時間越長,越影響效率,甚至在緊急情況下將會危及列車的運行安全。

2.3 高速移動中的信息傳輸速率需滿足系統(tǒng)需求

目前,地鐵列車的運行最高速度在80～90 km/h。在高速移動中,無線傳輸受到的多普勒效應、多徑效應等的影響將加劇,導致實際傳輸速率下降。此時,車-地無線網(wǎng)傳輸設備必須能夠保證一定的傳輸速率,以維持整個系統(tǒng)的正常運行。

2.4 高速移動中的無線傳輸丟包率不得影響系統(tǒng)的有效性

列車的高速移動會導致車-地無線通信更高的丟包率和更多的數(shù)據(jù)重發(fā)。數(shù)據(jù)的丟包和重發(fā)會降低系統(tǒng)運行效率,嚴重的丟包會使接收方一段時間內無法得到完整的信息,列車被迫緊急停車，從而降低了運營的效率和乘客的安全感[5]。

2.5 需有防止無線攻擊及非法接入的安全措施

無線局域網(wǎng)的傳輸介質為開放空間,任何一個與CBTC系統(tǒng)中設備使用相同或兼容無線局域網(wǎng)協(xié)議的網(wǎng)絡設備都有可能接入CBTC系統(tǒng)的無線傳輸系統(tǒng),對系統(tǒng)安全運行構成危害。因此,無線局域網(wǎng)設備必須具備一定的接入控制能力或數(shù)據(jù)加密能力,為整個系統(tǒng)的安全運行提供一定的保障。

3 地鐵信號系統(tǒng)中車-地無線通信傳輸干擾源分析

CBTC信號系統(tǒng)中所有的列車調度、控制信息都是以無線方式在列車和軌旁網(wǎng)絡之間傳遞,由于無線網(wǎng)絡的開放性所帶來的易干擾、易攻擊問題,使無線信息的傳輸成為了CBTC信號系統(tǒng)的最大安全隱患。錯誤的控制信息可能導致危險的情況發(fā)生,降低系統(tǒng)的可用性,甚至危及列車運行安全。

根據(jù)目前工程中所遇到的實際情況,信號系統(tǒng)存在的干擾主要有:信號和乘客信息系統(tǒng)(PIS)的干擾、同站臺換乘信號頻率干擾、乘客攜帶電子設備對信號系統(tǒng)產生的干擾、列車在高速移動中帶來的多普勒效應、隧道內的多徑效應以及開放空間中采用相同協(xié)議或相同頻段的設備造成的物理干擾等。

3.1 信號和PIS系統(tǒng)安全干擾

PIS系統(tǒng)是依托多媒體網(wǎng)絡技術,以計算機系統(tǒng)為核心,以車站顯示終端和車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務的系統(tǒng)。它與信號系統(tǒng)一樣,在區(qū)間和車站的車-地傳輸均采用無線局域網(wǎng)(WLAN)技術。尤其是在列車頂部接收天線安裝時,由于位置有限,往往距離很近。因此,很容易出現(xiàn)干擾。

3.2 同站臺換乘頻率干擾

對于地鐵中同臺換乘的車站,如2條線均采用無線電臺傳輸方式的話,那么在這一層共用站臺層的區(qū)域范圍內就既存在本線的無線場強覆蓋,又存在相鄰線的無線場強覆蓋,且還會存在本線上下行頻點隔離問題。所以在這一區(qū)域內,必然會存在有2條線路以及上下行的問題。因站臺區(qū)域為敞開空間,電磁波存在反射和穿透的能力,在站臺區(qū)域就需要有4個無線覆蓋頻點,且不考慮信號系統(tǒng)越區(qū)頻點隔離需要。而基于2.4G的IEEE802.11X系列標準僅3個獨立信道,不能滿足上述覆蓋要求。因此,也容易出現(xiàn)干擾。

3.3 乘客攜帶電子設備對本系統(tǒng)產生的干擾

由于無線局域網(wǎng)自身的特點,使得其信號很容易被系統(tǒng)外的用戶發(fā)現(xiàn)。用戶只要使用帶有無線天線或無線網(wǎng)卡的電子設備,就能很輕易地搜索到無線信號,獲取SSID、信道以及是否加密等信息。甚至個別非法用戶利用一些技術手段能很輕易的侵入無線網(wǎng)。如果被非法入侵者利用,發(fā)布錯誤的行車指令,將會對列車的行車安全造成極大的安全隱患。

3.4 開放空間中采用相同協(xié)議或相同頻段的設備造成的物理干擾

對于采用WLAN技術的信號系統(tǒng)而言,在開放的露天空間中,除上述干擾外,線路周邊的一些電子產品同樣會對信號車-地無線傳輸系統(tǒng)造成干擾。如:軌道交通線路周邊小區(qū)的家用Wi-Fi設備、周邊寫字樓及開發(fā)區(qū)內的Wi-Fi設備、周邊各運營商的“熱點”設備、無繩電話(2.4或5.xGHz頻段)、藍牙設備(2.4 GHz頻段)以及脈沖雷達(5.xGHz頻段)等。

3.5 列車在高速移動中帶來的多普勒效應

在列車高速移動的情況下,車載天線接近信號發(fā)送端時,頻率變高。遠離時, 頻率變低。由此造成頻率發(fā)生偏移,增加了系統(tǒng)的誤碼率,也限制了系統(tǒng)的帶寬。所以,在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中同樣要考慮多普勒效應由此而帶來的信號系統(tǒng)安全性問題。

3.6 隧道內的多徑效應

地鐵隧道是典型的多徑信道環(huán)境,無線信號在傳播的過程中存在多個通過不同路徑到達接收點。而這些信號分量所經過的路徑延時不同,并且有反射過程中的信號倒相,使得到達接收點的所有信號分量在合成相位和幅度上發(fā)生變化,造成接收信號產生衰落失真。最終導致通信的不穩(wěn)定。另外由于信息來自多個路徑,使得原始數(shù)據(jù)的提取也變得較為麻煩。

4 車-地無線通信傳輸?shù)陌踩雷o措施

針對以上信號系統(tǒng)車-地無線通信傳輸子系統(tǒng)安全性需求和干擾源的分析,信號系統(tǒng)在設計中,首要的應選擇合適的無線傳輸技術以及做好相應的頻點規(guī)劃,以避開和減弱干擾。如傳輸媒介、編碼技術、信道容量以及頻率和頻點的選擇等。同時,還應結合目前各系統(tǒng)商的產品特點和技術水平,提出切實可行的防范措施。本文如下措施的描述主要基于對目前各系統(tǒng)商共有的技術特點,同時結合工程實際,對上述干擾源的防范提出相應的解決措施。

4.1 信號和PIS系統(tǒng)安全干擾的防范

信號系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)較少,占用無線傳輸帶寬資源較低,但安全等級高,適用的無線通信標準為IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g。而PIS系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)量大,安全等級較低,可選擇IEEE 802.11b、IEEE 802.11g無線通信標準。由于IEEE 802.11X系列標準采用通用的信道編號(信道編號各國有所不同，有11和13個信道2種編號方式，歐洲和中國可以采用13個信道的方式),其中只有1、6和11三個信道完全隔離。為保證無線通信的可靠性,信號系統(tǒng)與PIS系統(tǒng)均需要各采用2個信道,如果信號系統(tǒng)與PIS系統(tǒng)共用2.4 GHz頻段,將會造成3個獨立的信道不夠用,勢必帶來干擾和沖突[6-7]。

為解決上述問題,通常可采用2種方式：一種方式是采用頻點隔離措施,分離兩者的輸出頻率,但會造成帶寬的減少,在一定程度上影響數(shù)據(jù)的傳輸。如廣州地鐵4號線中,信號使用1、6信道,主用1信道,備用6信道,PIS系統(tǒng)使用8、13信道,主用13信道,備用8信道。另一種方式為PIS系統(tǒng)采用補空(即PIS利用信號系統(tǒng)的備用信道)方式。該方式理論可行，但從應用情況看,信號系統(tǒng)與PIS一般分屬不同的供貨商，工程實施難度較大。

因此,為了徹底解決干擾和沖突,信號系統(tǒng)與PIS系統(tǒng)可分別采用5.8 GHz和2.4 GHz頻段。目前,802.11b/g的2.4 GHz頻段是不需要申批的,可直接使用[8],5.8 GHz的頻點需向無線電管理委員會申請有償使用,國內有些城市(如北京、西安)已在審批及收費標準方面開展了工作。

4.2 同站臺換乘頻率干擾的安全防范

對于同站臺換乘的車站,由于物理空間的相對開敞,使得對同站臺換乘信號頻率存在一定的干擾,通?？刹扇∫韵麓胧p少和防范干擾。

(1)在信號系統(tǒng)無線通信的頻點上進行區(qū)分,即本線和相鄰線使用不同頻點的信號制式設備。如5GHz以上的頻段。因5GHz以上的頻段的獨立信道數(shù)量比2.4GHz的要多很多,在頻點使用上靈活性要大大的增加。

(2)如各線無線系統(tǒng)用戶采用同頻段(如ISM頻段)時,亦可采取以下措施以盡量減少相互間的干擾。

①選擇不同極化方向天線

垂直極化無線電波要用具有垂直極化特性的天線來接收,水平極化無線電波要用具有水平極化特性的天線來接收。當微波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時,在接收過程中都要產生極化損失,通常都不能有效地通信。因此,若本線信號用垂直極化天線,其他線就用水平極化天線。

②采用帶沖突避免的載波偵聽多址協(xié)議

為了將相同頻道和交疊頻道干擾的影響降至最低,IEEE802.11標準定義并應用了帶沖突避免的載波偵聽多址協(xié)議(CSMA/CA),該協(xié)議為每個接入點和客戶端定義了“傳輸前先偵聽”的順序。CSMA/CA強制規(guī)定在連續(xù)2次幀發(fā)送之間,介質上必須要有一段退避間隔。在發(fā)送數(shù)據(jù)前,應檢測介質上是否有其他工作站正在發(fā)送數(shù)據(jù)。若介質空閑則工作站就可以發(fā)送數(shù)據(jù)。如果介質檢測表明處于忙狀態(tài)時,工作站將推遲其數(shù)據(jù)發(fā)送,直至當前幀發(fā)送完畢。這樣就保證了兩線信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)包的有序發(fā)送和接收。

③選擇不同的車地通信方式

為有效降低同站臺頻率干擾,也可采用不同的車地通信方式,如本線采用無線電臺方式,而相鄰線路采用波導管、漏纜、感應環(huán)線,或者也可以考慮兩線均采用除無線電臺以外的其他傳輸方式,如波導管、漏纜、感應環(huán)線。因漏纜和裂縫波導管在無線場強覆蓋上具有很好的均勻性,其對外漏泄量不大(裂縫波導管的有效距離小于1 m,而漏纜的有效距離小于10 m),對鄰線的干擾不大。因此,均可有效解決同站臺換乘頻率干擾的問題。

④采用方向角合適的定向天線

開放空間的軌道交通系統(tǒng)現(xiàn)場環(huán)境復雜,周邊的帶內干擾不可控制。為了保證通信質量,可根據(jù)線路情況采用相應角度的定向天線[9],使來自軌道方向的有用信號增強,來自干擾方向的信號減弱,提高載干比。在特別復雜的環(huán)境中也可采用分集天線來增加車地通信的可靠性。

4.3 無線攻擊及非法接入的防御

雖然由于無線局域網(wǎng)采用公共的電磁波作為載體,任何人都有條件竊聽或干擾信息,但通過以下相應手段,依然可以減弱或是消除非法的接入和攻擊。

(1)采用禁用服務集標志(SSID)廣播功能,這樣客戶端SSID就必須與AP設置一樣才能接入網(wǎng)絡。以此可減小惡意用戶侵入AP的可能性。

(2)設置媒體接入子層(MAC)的允許接入用戶列表以防止非法用戶接入網(wǎng)絡。

(3)使用2層或更高層的交換機,把網(wǎng)絡分成小的區(qū)段來減少惡意用戶通過連接上集線器而侵入網(wǎng)絡并監(jiān)測網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的可能性。

(4)采用動態(tài)刷新密碼,減少密碼被破獲的可能性。

(5)在無線網(wǎng)絡部分設置入侵檢測系統(tǒng)來檢測可疑情況和非法侵入等行為。

(6) 設置防火墻以阻止非法用戶接入網(wǎng)絡。

4.4 開放空間中采用相同協(xié)議或相同頻段設備造成的物理干擾的安全防范

對于線路周邊的開放空間中采用相同協(xié)議或相同頻段設備造成的物理干擾[10],由于不是主動攻擊和侵入, 抗干擾措施主要從先進的編碼調制技術來提高信噪比、保證系統(tǒng)充分的冗余備份、采用方向角合適的定向天線、控制發(fā)射功率、降低占空比、采用合理的重傳機制等多方面考慮。另外還可以利用二層接入控制技術。如IEEE802.1X/LEAP協(xié)議,對連接到接入設備上的通信終端進行驗證。對于不能通過驗證的終端,接入設備會拒絕為其提供訪問。

4.5 多普勒效應的安全防范

由于地鐵列車的高速運行,使得車地信息發(fā)送和接收端的相對位移發(fā)生快速的變化。位移的快速變化引起信道參數(shù)快速變化,增加了系統(tǒng)的誤碼率,也限制了系統(tǒng)的帶寬。按地鐵運行最高速度80 km/h計算,多普勒效應在2.4～2.5 GHz的IEEE 802.11g應用頻段所引起的頻偏在將在±250 Hz以內。因此,極易引起信號無線傳輸?shù)闹袛?。在通信系統(tǒng)中加入糾錯編碼,通過編碼的方式降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率,以克服多普勒效應對系統(tǒng)帶來的影響。該方式是通信系統(tǒng)發(fā)展的新方向,可以明顯增加通信系統(tǒng)的魯棒性,減少危害。

4.6 多徑效應的安全防范

多徑效應使得車-地信息傳輸?shù)男盘柈a生衰落失真,最終造成通信的不穩(wěn)定。采用正交頻分復用等技術,利用多子載波交織冗余同時傳遞數(shù)據(jù)。在傳輸?shù)倪^程中,即使某個子載波出現(xiàn)頻率偏移或者干擾,甚至丟失此載波所有數(shù)據(jù)。但接收端通過子載波的聯(lián)合編碼,可恢復出丟失子載波數(shù)據(jù),達到子信道間的頻率分集的作用,OFDM技術增強了對脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力,因此具有良好抗多徑效應能力[11]。

5 結語

綜上所述,地鐵車-地無線通信傳輸擔負著提高地鐵運營效率、保障行車安全的重要使命。為此,各系統(tǒng)供貨商都在積極尋求最優(yōu)的解決辦法。但由于各系統(tǒng)供貨商核心技術的差異及各地鐵線路的特點不同,所采取的措施也各有不同。在工程實際中,如西安地鐵2號線對于PIS和信號系統(tǒng)的干擾,采取了信號系統(tǒng)與PIS系統(tǒng)分用2.4 G和5.8 G頻段的方法。北京地鐵9號線和房山線在郭公莊的同站臺換乘以及廣州地鐵3號線和北延段在體育西同站臺換乘,信號系統(tǒng)均采用同一系統(tǒng)商的車地通信方式。經實踐表明,整體來說各自效果都較為不錯。

當然,車-地無線通信傳輸?shù)陌踩雷o措施還很多,以上只是對其中的一些方面進行了簡單的闡述,具體在各個城市的軌道交通建設中,各個系統(tǒng)商所采用的方法可能都不盡相同。但作為信號系統(tǒng)發(fā)展的一個方向,該項技術的研究一直在繼續(xù),并且在不斷地提出新的抗干擾措施。除了硬件設備的提升,更多的集中在頻率的規(guī)劃、干擾的主動避讓以及軟件更新上?？傊?安全問題永遠是無線網(wǎng)絡不可忽視的技術難點,也是信號系統(tǒng)安全所要考慮的重大議題之一。

[1] 陶偉,袁一方.無線CBTC數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的射頻信號傳播研究[J].都市快軌交通,2007(3):43-45．

[2] 劉曉娟,黨建武,劉蓓.基于通信的列車控制系統(tǒng)中無線傳輸系統(tǒng)的安全性研究[J]. 城市軌道交通研究,2009(12):37-41．

[3] 郜春海.基于通信的軌道交通列車運行控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2007(2):9-12．

[4] 鄧紅元.初探信號CBTC系統(tǒng)與乘客信息系統(tǒng)共建WLAN的可行性[J].鐵道通信信號,2007(1)：38-41.

[5] 謝凡,李開成.無線局域網(wǎng)在CBTC系統(tǒng)中可用性及測試方案的研究[J].蘭州交通大學學報,2006(4):103-105.

[6] 吳招鋒,周俊林,林必毅.地鐵無線通信技術的研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2010(3):40-42.

[7] 張定銘,楊承東.城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)車-地信息傳輸方式的探討[J].軌道交通,2007(3):38-42.

[8] 林海香,董昱.無線CBTC系統(tǒng)車地通信方案的研究[J].蘭州交通大學學報,2010(6):124-128．

[9] 徐杲,黎江.CBTC無線子系統(tǒng)的應用與發(fā)展[J].鐵道通信信號,2007(3):17-19．

[10] 邱鵬,李亮.關于CBTC系統(tǒng)無線通信抗干擾技術的研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2009(6):52-55．

[11] 張紅旗.信息網(wǎng)絡安全[M].北京:清華大學出版社,2002．