傳輸系統(tǒng)組網(wǎng)方式研究軌道信息

王超

[摘 要]系統(tǒng)利用連續(xù)、大容量的車地雙向可靠數(shù)據(jù)通信來實(shí)現(xiàn)列車控制信息、列車狀態(tài)信息的無線傳輸，是先進(jìn)的列車自動控制系統(tǒng)。通過實(shí)現(xiàn)車地之間雙向、連續(xù)、高速、安全的信息交互，承載了直接關(guān)系到行車安全的重要數(shù)據(jù)信息，是系統(tǒng)的核心。為車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)作為DCS子系統(tǒng)的解決方案。提出具有針對性的解決方案，并對與網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)的頻率規(guī)劃和冗余設(shè)計做了簡單說明。

[關(guān)鍵詞]車地通信網(wǎng)絡(luò)；安全傳輸；接入認(rèn)證

一、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的組成

安全可靠的車地雙向數(shù)據(jù)通信是CBTC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車自動控制功能的根本。子系統(tǒng)主要構(gòu)成包括：軌旁數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)、軌旁骨干網(wǎng)絡(luò)、車地雙向通信網(wǎng)絡(luò)和車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。以上各子網(wǎng)將在后面章節(jié)做詳細(xì)介紹，軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)提供了各軌旁子系統(tǒng)（區(qū)域控制器、聯(lián)鎖控制系統(tǒng)等）和軌旁無線設(shè)備（軌旁無線接入點(diǎn)AP等）接入DCS的接口，提供的傳輸速率為100Mbit/s。

軌旁骨干網(wǎng)絡(luò)由傳輸模塊和骨干交換模塊構(gòu)成，組網(wǎng)采用雙環(huán)冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳輸層面采用RPR（Resilient Packet Ring，彈性分組環(huán)技術(shù)）連接組網(wǎng)。RPR集中體現(xiàn)了IP的智能化、以太網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性以及光纖環(huán)網(wǎng)的高帶寬、可靠性，保證了服務(wù)的質(zhì)量。接入交換機(jī)通過光接口接入骨干交換機(jī)。地面骨干網(wǎng)絡(luò)是有線網(wǎng)絡(luò)，用于連接參與數(shù)據(jù)通信的地面設(shè)備。車載無線設(shè)備通過連接在地面骨干網(wǎng)絡(luò)上的無線網(wǎng)絡(luò)地面接入點(diǎn)（AP）獲得地面骨干網(wǎng)絡(luò)的接入。車地雙向通信網(wǎng)絡(luò)由車載無線設(shè)備與軌旁無線接入點(diǎn)之間的無線鏈路組成，提供車地之間雙向、可靠、實(shí)時、安全的數(shù)據(jù)交換。車載和軌旁以太網(wǎng)設(shè)備的無線接入分別由MR和AP提供。提供的傳輸速率為20Mbit/s。無線接口采用IEEE 802.11g技術(shù)，遵循IEEE 802.11i無線網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議。

車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)提供各車載子系統(tǒng)（自動列車防護(hù)、自動列車運(yùn)行等）和車載設(shè)備（司機(jī)顯示器TOD、I/O控制器MTORE等）以及車載無線設(shè)備之間的通信接口，提供的傳輸速率為100Mbit/s。車載交換機(jī)遵循IEEE 802.3u和802.3x協(xié)議，提供標(biāo)準(zhǔn)的10M/100M以太網(wǎng)接口。網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層采用UDP/IP協(xié)議。雖然DCS子系統(tǒng)本身并不執(zhí)行安全功能，但大量的安全相關(guān)信息通過DCS子系統(tǒng)傳輸，因此，除了要保證信息能夠快速準(zhǔn)確傳輸?shù)侥康牡?，DCS子系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)保證信息的安全可靠。

二、傳輸系統(tǒng)組網(wǎng)方式的發(fā)展

凡是根據(jù)CBTC系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)建立并能滿足CBTC系統(tǒng)中列車狀態(tài)信息和控制信息等傳輸要求的傳輸系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)，都可以作為CBTC系統(tǒng)的DCS子系統(tǒng)的解決方案。自從上個世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)CBTC系統(tǒng)，也出現(xiàn)了一系列各不相同的DCS子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。在大鐵路中使用的DCS的類型有：北美的ATCS（Advanced Train Control System，先進(jìn)列車控制系統(tǒng)）、歐洲的ETCS（European Train Control System，歐洲列車控制系統(tǒng)）等。隨著城市軌道交通的發(fā)展，出現(xiàn)了以太網(wǎng)及TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的新型DCS子系統(tǒng)，如法國阿爾卡特公司的列控系統(tǒng)。

軌旁數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)主要由軌旁接入交換機(jī)、軌旁無線接入點(diǎn)、天線、連接線纜、供電部分設(shè)備、保護(hù)箱等設(shè)備和組件組成。軌旁接入交換機(jī)通過冗余的以太網(wǎng)絡(luò)與骨干交換機(jī)相連。軌旁數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)。無線信道的電波傳播特性與電波傳播環(huán)境密切相關(guān)。需要根據(jù)無線信道的傳播特性和電波傳播方式建立恰當(dāng)?shù)膫鞑ツＰ?，?zhǔn)確地對傳播損耗做出預(yù)測。同時，無線信道與有線信道的不同，在于周圍信源與信宿之間的物理環(huán)境對無線通信系統(tǒng)的性能有很大的影響。因而，在設(shè)計一個無線系統(tǒng)之前，需要對電磁波的覆蓋和環(huán)境進(jìn)行細(xì)致的規(guī)劃和預(yù)測。在實(shí)際應(yīng)用中，通過計算并結(jié)合工程勘測結(jié)果，同時考慮2倍AP間距覆蓋距離的因素，通常情況下隧道內(nèi)的AP分布間距為200米左右，彎道、高架、共線路段、線路交叉坡道路段等處AP間的分布間距小于200米。

三、傳輸系統(tǒng)組網(wǎng)方式的標(biāo)準(zhǔn)

802.11g采用的調(diào)制方案是正交頻分復(fù)用（OFDM）。IEEE 802.11g工作在2.4GHz頻段（2.4～2.4835GHz，向前兼容IEEE 802.11b）。OFDM技術(shù)把數(shù)據(jù)分配到大量的子載波上，這些子載波按照精確的頻率隔開。這種間隔提供了技術(shù)上的“正交性”，能夠避免解調(diào)時不同子載波之間的相互干擾。OFDM的優(yōu)勢在于較高的頻譜效率，能夠有效對抗射頻干擾、頻率選擇性干擾，以及多徑干擾。這種特性非常重要，因?yàn)樵诘湫偷年懙貍鞑デ闆r下，無線通信都有多徑的情況（比如：被傳輸信號通過不同的路徑到達(dá)接收器）。因?yàn)閬碜远鄠€路徑的信號相互干擾（碼間干擾，ISI），需要設(shè)計復(fù)雜的均衡器來提取原始數(shù)據(jù)。另一方面，OFDM在多個窄帶子載波中以近似平均的方式分配高速數(shù)據(jù)流。OFDM，當(dāng)與信道編碼（一種糾錯編碼技術(shù)）相結(jié)合，幾乎總是產(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。特別針對802.11網(wǎng)絡(luò)，IEEE 802.11e定義了一套服務(wù)加強(qiáng)品質(zhì)。802.11e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(jī)會被無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先發(fā)送出去。IEEE 802.11i是802.11標(biāo)準(zhǔn)安全部分的修正版，詳細(xì)描述了無線網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制，提高安全等級。它采用新的編碼核心協(xié)議：高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES），它是當(dāng)前用于機(jī)密信息加密的標(biāo)準(zhǔn)。802.11i的加密性能、信息完整性檢測和發(fā)送方校驗(yàn)功能是建立在以AES為基礎(chǔ)的CCMP算法基礎(chǔ)上。同時，解決了所有先前版本的嚴(yán)重安全缺陷。

四、無線設(shè)備對傳輸系統(tǒng)的影響

對于車載MR和軌旁AP，均要求具有較小的傳輸延時和高可靠性。WLAN網(wǎng)絡(luò)工作在基礎(chǔ)設(shè)施模式（Infrastructure），即所有列車和軌旁網(wǎng)絡(luò)間的通信都通過AP進(jìn)行。幾個AP能連接在一起形成更大的網(wǎng)絡(luò)，允許無線設(shè)備在其中漫游，定義為擴(kuò)展服務(wù)集（ESS）。MR可以在所有設(shè)置為同一擴(kuò)展服務(wù)集的基站之間漫游，當(dāng)相鄰基站覆蓋區(qū)域彼此重疊時，可以實(shí)現(xiàn)無縫切換。地鐵環(huán)境大多為隧道環(huán)境，其多路徑反射問題嚴(yán)重。針對地鐵環(huán)境的特殊性，由于隧道環(huán)境多徑發(fā)射問題嚴(yán)重，在這種環(huán)境下，全向天線勢必帶來更嚴(yán)重的多徑發(fā)射問題，而定向天線具有較小的信號輻射角度，可以大大降低多徑問題帶來的影響。所以在這種環(huán)境下，通常情況下采用定向天線。在整個DCS子系統(tǒng)中，帶寬瓶頸主要集中在車地雙向傳輸系統(tǒng)，也就是車載MR與軌旁AP之間的無線鏈路上。參考無線鏈路計算及以往工程經(jīng)驗(yàn)和測試的結(jié)果，直線沿線大約每隔200米左右安裝一個軌旁AP。同時，軌旁AP的具體位置還需要詳盡的線路測量來確定。軌旁AP設(shè)置的總體原則是：車載MR在軌道上的任何一點(diǎn)都能至少檢測到兩個軌旁AP發(fā)送的信號。任何軌旁AP故障都可能會導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，因?yàn)楣收系男迯?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(yùn)行。為避免這些系統(tǒng)性能降級，在無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中考慮了充分的冗余：同一列車上的兩個車載MR分別與兩個獨(dú)立的軌旁AP相

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