基于無線通信的城軌車-地雙向通信網(wǎng)絡(luò)研究分析

雷錫絨

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，副教授，陜西 西安 710014）

基于無線通信的城軌車-地雙向通信網(wǎng)絡(luò)研究分析

雷錫絨

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，副教授，陜西 西安 710014）

運用無線通信實現(xiàn)車-地數(shù)據(jù)傳輸?shù)腁TC才是真正意義上的移動閉塞。在城軌無線通信移動閉塞CBTC信號系統(tǒng)中，車載MR與軌旁AP之間的雙向無線傳輸鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)直接關(guān)系到行車安全。本文結(jié)合西安地鐵2號線，對車地雙向通信網(wǎng)絡(luò)采用的IEEE 802.11標(biāo)準、無線設(shè)備及安裝、無線網(wǎng)絡(luò)冗余及越區(qū)切換、無線網(wǎng)絡(luò)安全措施進行分析。

無線通信移動閉塞；車地雙向通信網(wǎng)絡(luò)；IEEE 802.11；標(biāo)準；冗余；安全

10.13572/j.cnki.tdyy.2015.01.016

運用無線通信實現(xiàn)車地數(shù)據(jù)傳輸?shù)腁TC才是真正意義上的移動閉塞〔1〕。西安地鐵2號線一期工程信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)的車地雙向通信網(wǎng)絡(luò)采用國際先進的無線局域網(wǎng)技術(shù)—IEEE 802.11標(biāo)準，能夠?qū)崿F(xiàn)高速移動環(huán)境中CBTC車地之間可靠、實時的雙向數(shù)據(jù)通信，達到列車安全監(jiān)控的目的。

1 IEEE 802.11標(biāo)準及應(yīng)用

IEEE 802.11 g是當(dāng)前比較先進和成熟的無線局域網(wǎng)（WLAN）標(biāo)準，可提供數(shù)據(jù)通信更大的帶寬和更強的抗干擾能力，在高速移動環(huán)境中可以支持車地之間可靠、實時的雙向移動通信。

IEEE 802.11 g的最大原始數(shù)據(jù)率是54 Mbits/s，或大約24 Mbits/s有效網(wǎng)絡(luò)容量（去除802.11協(xié)議開銷等）。

802.11 g采用的調(diào)制方案是正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)。該技術(shù)把高速數(shù)據(jù)流以近似平均的方式分配到數(shù)十個相互正交的窄帶子載波上進行調(diào)制，這種頻率間隔技術(shù)上的“正交性”，能夠減少子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率〔2〕。另外，OFDM技術(shù)還通過增加循環(huán)前綴（CP）的方法來減少碼間干擾，能夠有效對抗多徑干擾，使系統(tǒng)對多徑衰落更具魯棒性；OFDM技術(shù)結(jié)合交織技術(shù)和前向糾錯編碼技術(shù)，來取得頻率分集，有效地應(yīng)對頻率選擇性干擾；OFDM技術(shù)與信道編碼相結(jié)合，產(chǎn)生近乎“白”的光譜（即具有平坦的頻譜），對附近的其它信號源不會造成惡劣的電磁干擾。

IEEE 802.11 g工作在2.4 GHz頻段（2.4 GHz～2.483 5 GHz），該頻段技術(shù)最成熟，調(diào)制方法具有更好的傳輸性能并且抗干擾性強。使用這一頻段只需要遵守國家無線電管理委員會的頒發(fā)標(biāo)準同時產(chǎn)品擁有無委會的核準證即可。這一頻段的頻率分配如圖1所示〔3〕。從頻率分配圖（見圖1）可知，只有1，6，11這3個信道是互不重疊的；其它信道使用的頻率相互重疊，會互相干擾。西安地鐵2#線信號系統(tǒng)一期工程占用2個互不重疊的信道，軌道A網(wǎng)絡(luò)使用第1信道，軌道B網(wǎng)絡(luò)使用第11信道，屬于同一網(wǎng)絡(luò)的AP使用同樣的頻率，采用同頻切換技術(shù)。

圖1 頻率分配圖

針對802.11網(wǎng)絡(luò)，IEEE 802.11 e定義了一套服務(wù)加強品質(zhì)。即802.11 e定義了不同種類數(shù)據(jù)的通信級別，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)（如：列車控制相關(guān)數(shù)據(jù)）相對低優(yōu)先級數(shù)據(jù)具有更高機會被無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先發(fā)送出去。

IEEE 802.11 i網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議來保障安全，阻止未授權(quán)用戶進入網(wǎng)絡(luò)。

2 無線設(shè)備及工程安裝

車載移動電臺MR和軌旁無線基站AP之間的無線鏈路構(gòu)成車地雙向通信網(wǎng)絡(luò)。車載MR和軌旁AP均采用華為三康公司生產(chǎn)的系列無線通信設(shè)備。該設(shè)備為基礎(chǔ)的無線通信，具有較小的傳輸延時和高可靠性。

1）AP提供軌旁以太網(wǎng)設(shè)備的無線接入，AP沿軌道線路設(shè)置。地鐵隧道本身就是一個波導(dǎo)，地鐵內(nèi)無線信號的傳播情況很難找到確切的理論公式來準確計算無線路徑損耗和覆蓋范圍。參考以往經(jīng)驗和測試的結(jié)果，沿線大約每隔200 m安裝1個無線AP。無線AP設(shè)置的總體原則是列車上的MR在軌道上的任何一點都能至少檢測到2個AP發(fā)送的信號。為了避免AP之間覆蓋區(qū)域的過渡重疊，結(jié)合實際情況將AP發(fā)射功率設(shè)定在與其覆蓋范圍相對應(yīng)的級別上，從而大大降低同頻干擾的可能。

AP采用八木天線（提高傳輸性能，避免信號的無效泄漏）定向安裝來取得更高的接收信噪比和更大的無線覆蓋。車輛段和停車線由于具有較大的彎度，為了達到全線覆蓋采用相對大些角度的定向天線。天線安裝方式為抱桿安裝，在隧道墻壁上先安裝一根短抱桿，然后用天線自帶的安裝夾將天線固定在抱桿。為避免干擾和出于其他考慮，AP天線與車載MR的天線高度相近。

AP（不包括外置天線）必須要放置在一個適應(yīng)環(huán)境要求和防盜竊的密閉盒（符合IP 65級別的設(shè)備箱）中。AP還必須加裝防雷設(shè)施。

2）MR提供車載以太網(wǎng)設(shè)備的無線接入，每列列車安裝2臺MR，分別安裝在列車的車頭和車尾。所有車地之間的通信都是通過位于車頭和車尾的MR同時進行。由于車頭車尾相距較遠，它們的周圍的無線衰落是彼此獨立的，因此，通過MR的同時收發(fā)可以實現(xiàn)分集（空間分集技術(shù)），使得系統(tǒng)對于無線信道的衰落具有較強抵抗能力。

3 無線網(wǎng)絡(luò)冗余及越區(qū)切換

3.1 無線網(wǎng)絡(luò)冗余任何無線AP的故障都可能會導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，因為故障的修復(fù)可能需要等到夜間，并且這些故障將影響所有經(jīng)過該區(qū)域的列車運行。為避免系統(tǒng)性能降級，需提供充分的冗余：

1）軌旁所有AP屬于2個網(wǎng)絡(luò)：軌道A網(wǎng)絡(luò)和軌道B網(wǎng)絡(luò)，這2個網(wǎng)絡(luò)互為冗余備份。同一列車上的2個車載MR分別與這2個獨立的軌旁網(wǎng)絡(luò)中的AP相關(guān)聯(lián)，車載MR在軌道上的任何一點都能至少檢測到2個軌旁AP發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。如圖2所示〔3〕。

圖2 無線覆蓋示意圖

2）MR可在屬于同側(cè)網(wǎng)絡(luò)的AP間漫游。任何兩個相鄰AP的覆蓋區(qū)域彼此交疊，以確保覆蓋的連續(xù)性和無縫漫游。當(dāng)一個AP發(fā)生故障時，可以由相鄰的AP繼續(xù)提供覆蓋。

3.2 越區(qū)切換由于車地雙向通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腃BTC數(shù)據(jù)直接關(guān)系到行車安全，故要求列車即使在高速運行下，也要保持AP與MR之間的無線鏈路不能中斷。當(dāng)MR從一個AP的覆蓋范圍移動到下一個AP的覆蓋范圍時，將發(fā)生切換。小區(qū)之間的無線切換操作是自動的，并且對于列車操作來說是透明的。

通常，802.11 g的越區(qū)切換時間在500 ms到2 s之間，在切換期間，MR可能與AP通信中斷。這對于列車運行是不能接受的。為達到零切換時間（避免切換過程中任何可能的數(shù)據(jù)丟失），采用華為三康公司開發(fā)的新越區(qū)切換技術(shù)，WLAN基于預(yù)測的切換技術(shù)（簡稱WHFT）。

WHFT算法與標(biāo)準802.11 g切換算法的不同在于：WHFT允許MR在與舊AP（如APn）脫離前與新AP（如APn+1）建立連接，即在中斷前連接。再加上相鄰AP彼此重疊足夠的區(qū)域，就能夠?qū)崿F(xiàn)零切換時間。也就是說，所有與切換有關(guān)的處理，在列車運行在相鄰AP重疊區(qū)域內(nèi)都會完成，而重疊區(qū)域的大小應(yīng)該按照列車全速運行來設(shè)計，確保切換過程中沒有任何數(shù)據(jù)丟失。

4 無線網(wǎng)絡(luò)安全分析

車地?zé)o線通信的開放性，容易遭受惡意用戶的攔截或襲擊。錯誤信息可能導(dǎo)致危險情況發(fā)生，危及列車運行安全，降低系統(tǒng)的可用性。

無線局域網(wǎng)的安全隱患可以通過相應(yīng)手段來消除。下面列舉的網(wǎng)絡(luò)安全措施（遵循IEEE 802.11 i的標(biāo)準），能夠創(chuàng)建并維護一個安全的802.11無線網(wǎng)絡(luò)。

1）確保AP的重新啟動，Reset功能只在必需的時候才被使用，并且只能由得到授權(quán)的人員來實施。重新啟動功能能夠允許個人規(guī)避網(wǎng)絡(luò)管理員事先設(shè)置在AP上的所有安全措施。

2）禁用服務(wù)集標(biāo)志（SSID）廣播功能，這樣客戶端SSID必須與AP設(shè)置一樣才能接入網(wǎng)絡(luò)，減小惡意用戶侵入AP的可能性。

3）設(shè)置媒體接入子層（MAC）的允許接入用戶列表。

4）安裝2層或更高層交換機用于與AP的連接，而不采用集線器，減少惡意用戶通過連接上集線器而侵入網(wǎng)絡(luò)并監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可能性。

5）密鑰動態(tài)刷新，減少密碼被破獲的可能性。

6）傳往AP的遠程管理數(shù)據(jù)需要通過加密的有線網(wǎng)絡(luò)。使用SNMP v 3和SSL/TLS安全協(xié)議可以提供安全的鑒權(quán)和加密手段來保障基于網(wǎng)頁的AP配置安全性。

7）無線網(wǎng)絡(luò)部分需要設(shè)置入侵檢測系統(tǒng)（IDS）來監(jiān)測可疑情況和非法侵入等行為并做出反應(yīng)（向管理員發(fā)出警告等）。

8）使用先進的加密保護手段。采用CBC-MAC協(xié)議和先進加密協(xié)議CCMP/AES，使用128位AES密碼。

9）有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合點采用基于802.1 x或者WPA 2+PSK的端口認證。

5 結(jié)束語

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信的可靠性、可用性大大提高，基于無線通信的列車運行控制（CBTC）系統(tǒng)是未來發(fā)展的趨勢。西安地鐵2#線一期工程信號系統(tǒng)中的車地雙向通信網(wǎng)絡(luò)采用國際先進的IEEE 802.11 g無線局域網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)真正意義上的移動閉塞列車運行控制。目前該技術(shù)方案已實施運營兩年多。

〔1〕林瑜筠.城市軌道交通信號〔M〕.北京：中國鐵道出版社，2008 192

〔2〕曾小清等.基于通信的軌道交通運行控制〔M〕.上海：同濟大學(xué)出版社，2007.5：45

〔3〕美國聯(lián)合道岔與信號國際公司.西安地鐵2號線信號系統(tǒng)設(shè)計方案〔S〕，2007

U285.5

A

1006-8686（2015）0045-03

2013年陜西省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題（SGH13566）