地鐵車地通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊國(guó)榮

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710014）

車地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（DCS）是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞的重要保證。它采用開放式架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備和地面設(shè)備之間雙向、可靠、安全的數(shù)據(jù)交換。在此主要是通過(guò)對(duì)基于無(wú)線通信的車地通信網(wǎng)絡(luò)的分析，設(shè)計(jì)車地?cái)?shù)據(jù)傳輸信系統(tǒng)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括對(duì)無(wú)線接入點(diǎn)（Access Point，AP）的布置間隔的討論、對(duì)WLAN所使用的標(biāo)準(zhǔn)的選擇等。通過(guò)對(duì)信號(hào)傳播模型和系統(tǒng)安全的分析，使系統(tǒng)的可靠性、有效性、安全性達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的要求[1]。

1 概 述

1.1 車地通信系統(tǒng)

整個(gè)TWC系統(tǒng)由非安全邏輯仿真 （NVLE）、軌旁TWC和車載TWC組成。軌旁TWC包括電源板、軌旁串行通信控制板（SCC）、軌旁 TWC 接收發(fā)送（Rx/Tx）板、軌旁 TWC 耦合單元（CU）和軌旁TWC環(huán)線。軌旁TWC安裝在車站和折返線內(nèi)。車載TWC包括電源板、車載串行通信控制板（SCC）、車載TWC接收發(fā)送（Rx/Tx）板、TWC天線。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

TWC系統(tǒng)是在整個(gè)ATC信號(hào)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備與軌旁設(shè)備之間數(shù)據(jù)信息的非安全通信子系統(tǒng)。它的功能一是保持大部分信息在軌旁TWC和車載TWC之間的通信過(guò)程中不變，二是支持列車在ATO程序停車過(guò)程中準(zhǔn)確定位。

圖1 TWC系統(tǒng)框圖Fig.1 TWC system block diagram

1.2WLAN技術(shù)

WLAN（Wireless Local Area Network，WLAN），無(wú)線局域網(wǎng)，是指以無(wú)線信道作為傳輸介質(zhì)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，它是相當(dāng)便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，利用射頻（RF）技術(shù)，取代雙絞銅線所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)，使得局域網(wǎng)絡(luò)能利用簡(jiǎn)單的存取架構(gòu)讓用戶透過(guò)它達(dá)到“信息隨身化，便利走天下”的理想境界。

無(wú)線局域網(wǎng)由無(wú)線網(wǎng)卡、無(wú)線接入點(diǎn)（AP）、計(jì)算機(jī)和有關(guān)設(shè)備組成，采用單元結(jié)構(gòu)，將整個(gè)系統(tǒng)分成許多單元，每個(gè)單元稱為一個(gè)基本服務(wù)組 （BSS），BSS的組成有以下3種方式：1）集中控制方式，每個(gè)單元由一個(gè)中心站控制，網(wǎng)中的終端在該中心站的控制下與其他終端通信。盡管BSS區(qū)域較大，但其所建中心站的費(fèi)用較昂貴；2）分布對(duì)等式，BSS中任意兩個(gè)終端可直接通信，無(wú)需中心站轉(zhuǎn)接。盡管BSS區(qū)域較小，但這種方式的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便；3）集中控制式與對(duì)等式相結(jié)合的方式。無(wú)線局域網(wǎng)的架構(gòu)圖如圖2所示[2]。

圖2 WLAN系統(tǒng)框架圖Fig.2 WLAN system frame diagram

無(wú)線局域網(wǎng)是相當(dāng)方便的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它取代雙絞銅線作為局域網(wǎng)新的物理連接方式，具有以下幾大特點(diǎn)：具有高移動(dòng)性、抗干擾性強(qiáng)、安全性能強(qiáng)、高吞吐量、擴(kuò)展能力強(qiáng)、建網(wǎng)容易，管理方便、開發(fā)運(yùn)營(yíng)成本低、受自然環(huán)境、地形及災(zāi)害影響較小。

2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 DCS整體結(jié)構(gòu)

DCS系統(tǒng)由軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、車載雙向通信網(wǎng)絡(luò)和車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)由軌旁骨干網(wǎng)、接入交換機(jī)和軌旁設(shè)備3部分組成。DCS的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 DCS結(jié)構(gòu)圖Fig.3 DCS structure

軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)使用IEEE802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，軌旁設(shè)備以以太網(wǎng)電纜的形式接入到接入交換機(jī)中，接入交換機(jī)采用多模光纖的方式接入骨干網(wǎng)，組成接入網(wǎng)。軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)通過(guò)軌旁無(wú)線接入點(diǎn)（AP）和列車進(jìn)行雙向通信。骨干網(wǎng)是冗余的高速單模光纖以太網(wǎng)，它由100 Mbps或1 Gbps的第2層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)構(gòu)成。骨干網(wǎng)采用了雙向自愈的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

骨干網(wǎng)絡(luò)必須具備的主要特性有：傳輸延遲小、傳輸帶寬大、便于管理、具有抗毀/自恢復(fù)能力、能適應(yīng)工業(yè)控制環(huán)境。為使地面骨干網(wǎng)絡(luò)具有抗毀/自恢復(fù)能力，應(yīng)在連接交換機(jī)的鏈路上進(jìn)行冗余連接，從而形成冗余的自恢復(fù)環(huán)形結(jié)構(gòu)。當(dāng)某條線路發(fā)生故障時(shí)，其備份線路自動(dòng)由備份狀態(tài)轉(zhuǎn)換到工作狀態(tài)，從而保證通信的繼續(xù)進(jìn)行。除了交換機(jī)之間的線路，其他所有連接到交換機(jī)上的設(shè)備，都應(yīng)當(dāng)采用冗余連接，以提高整個(gè)DCS子系統(tǒng)的可靠性；除交換機(jī)之間的連接使用光纖，其他連接到交換機(jī)上的設(shè)備可根據(jù)需要使用雙絞線或者光纖[3]。

2.2 車地雙向通信系統(tǒng)

車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要由二部分組成：軌旁無(wú)線接入點(diǎn)（AP）、空間無(wú)線通道。軌旁無(wú)線接入點(diǎn)AP通過(guò)接入交換機(jī)接入到軌旁接入網(wǎng)中，軌旁接入網(wǎng)連接在骨干網(wǎng)上，而AP的另一端通過(guò)天線組的輻射，以空間自由波為介質(zhì)，與列車車載通信單元進(jìn)行通信。由于車—地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖橇熊囄恢谩⑺俣?、方向及運(yùn)行命令等重要信息，因此對(duì)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、丟包率等都有嚴(yán)格要求。

2.2.1 軌旁無(wú)線接入點(diǎn)AP

為防止無(wú)線單元故障致使系統(tǒng)受到影響，如圖4所示，軌旁AP應(yīng)包括一個(gè) （或兩個(gè)）完全冗余的無(wú)線單元協(xié)同工作，即軌旁無(wú)線覆蓋是完全的雙層覆蓋。軌旁AP應(yīng)跟據(jù)本地拓?fù)錀l件與一組或兩組含2～4個(gè)天線的天線組連接。每個(gè)AP通過(guò)光纖以太網(wǎng)UDP/IP層，分別連接到相應(yīng)的接入交換機(jī)。每個(gè)接入交換機(jī)直接與其所屬的骨干交換機(jī)連接，從而接入到骨干網(wǎng)。

圖4 車地?zé)o線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Car to wireless communication system structure

AP的覆蓋區(qū)應(yīng)沒(méi)有縫隙甚至冗余，又不能太多，因此，根據(jù)IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的物理層參數(shù)，結(jié)合ISM 2.4 GHz頻段的信號(hào)傳播模型，進(jìn)行AP間距的設(shè)計(jì)。當(dāng)車地間距是300 m，傳輸速率是18 Mbit/s時(shí)不同傳輸速率的列車接收信號(hào)電平低于靈敏度的概率都大于99%。因此AP布置間距應(yīng)設(shè)計(jì)為300 m，此距離對(duì)包丟失率的標(biāo)準(zhǔn)也完全符合[4]。

2.2.2 空間無(wú)線通道

空間無(wú)線通道主要由標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)組成，遵循IEEE802.11g[3]無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。該區(qū)域由鋪設(shè)在軌旁的無(wú)線接入點(diǎn)AP的輻射區(qū)域組成，以軌道為中心呈帶狀分布在軌道沿線，IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)以其大信道容量、高吞吐量、高傳輸速率和強(qiáng)抗干擾能力，成為系統(tǒng)的首選標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)線信息的傳輸采用OFDM技術(shù)，OFDM技術(shù)由于頻譜利用率高，抗多徑干擾和頻率選擇性衰落能力強(qiáng)，所以在ATC系統(tǒng)中受到廣泛的應(yīng)用。

鐵路列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)送設(shè)備輸出的二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)信道編碼、數(shù)字調(diào)制、串/并變換形成頻域信號(hào)并進(jìn)行傅立葉反變換，插入保護(hù)間隔，再進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，以射頻的形式發(fā)送到信道中。鐵路列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的接收端是發(fā)送過(guò)程的逆過(guò)程[5]。

2.3 車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)

同樣為了縮短故障恢復(fù)時(shí)間，每列車上的無(wú)線系統(tǒng)包括兩個(gè)完全冗余的車載通信單元，它們是軌旁AP的通信客戶端（從AP傳來(lái)的信號(hào)由它們接收），分別安裝在靠近車頭和車尾的車載設(shè)備機(jī)架內(nèi)。車載通信單元包括兩個(gè)冗余的無(wú)線單元，它們之間協(xié)同工作。每個(gè)無(wú)線單元都與兩個(gè)一組的車載天線相連。

每個(gè)車載通信單元都有自己固定的IP地址，每個(gè)列車單元就像一個(gè)普通的路由器直接連接在軌旁網(wǎng)絡(luò)上。各個(gè)設(shè)備通過(guò)唯一的IP地址（源/目的地標(biāo)識(shí)）解析來(lái)接收和發(fā)送信息，冗余的設(shè)備也是一樣，都具有自己獨(dú)特的IP地址[6]。

3 DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全的分析

使用先進(jìn)的加密算法保證數(shù)據(jù)安全，采用數(shù)據(jù)發(fā)送方校驗(yàn)、數(shù)據(jù)過(guò)濾和數(shù)據(jù)完整性檢驗(yàn)等安全措施以減少危害，不僅確保信息安全傳輸，而且限制接入，使系統(tǒng)滿足CENELEC 50159-2的安全標(biāo)準(zhǔn)[7]。措施如下：

1）AP（不包括外置天線），放置在適應(yīng)環(huán)境和防盜竊的密閉盒中，確保有授權(quán)的人員才能啟動(dòng)。

2）禁用服務(wù)集標(biāo)志（SSID）廣播功能，減小惡意用戶侵入AP的可能性。

3）動(dòng)態(tài)刷新密碼提高密碼的安全性，減少密碼被破獲的可能性。

4）傳往AP的遠(yuǎn)程管理數(shù)據(jù)需要通過(guò)加密的有線網(wǎng)絡(luò)。

5）使用先進(jìn)的加密保護(hù)手段。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中以車地通信為背景，重點(diǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的組成，以及各組成部分的接入方式以及標(biāo)準(zhǔn)，主要考慮車地雙向通信網(wǎng)的無(wú)線AP的布置、WLAN技術(shù)和OFDM技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題。根據(jù)地鐵環(huán)境下的傳播模型，將系統(tǒng)中AP的間距設(shè)為300 m，WLAN技術(shù)采用IEEE802.11g，無(wú)線傳輸采用OFDM技術(shù)，從而滿足網(wǎng)絡(luò)需求。

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