地鐵車地通信數據傳輸系統設計

楊國榮

（西安鐵路職業技術學院 陜西 西安 710014）

車地數據傳輸系統（DCS）是實現移動閉塞的重要保證。它采用開放式架構，以實現車載設備和地面設備之間雙向、可靠、安全的數據交換。在此主要是通過對基于無線通信的車地通信網絡的分析，設計車地數據傳輸信系統，對其結構進行設計，包括對無線接入點（Access Point，AP）的布置間隔的討論、對WLAN所使用的標準的選擇等。通過對信號傳播模型和系統安全的分析，使系統的可靠性、有效性、安全性達到網絡的要求[1]。

1 概 述

1.1 車地通信系統

整個TWC系統由非安全邏輯仿真 （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 接收發送（Rx/Tx）板、軌旁 TWC 耦合單元（CU）和軌旁TWC環線。軌旁TWC安裝在車站和折返線內。車載TWC包括電源板、車載串行通信控制板（SCC）、車載TWC接收發送（Rx/Tx）板、TWC天線。系統框圖如圖1所示。

TWC系統是在整個ATC信號系統中，實現車載設備與軌旁設備之間數據信息的非安全通信子系統。它的功能一是保持大部分信息在軌旁TWC和車載TWC之間的通信過程中不變，二是支持列車在ATO程序停車過程中準確定位。

圖1 TWC系統框圖Fig.1 TWC system block diagram

1.2WLAN技術

WLAN（Wireless Local Area Network，WLAN），無線局域網，是指以無線信道作為傳輸介質的計算機局域網，它是相當便利的數據傳輸系統，利用射頻（RF）技術，取代雙絞銅線所構成的局域網絡，使得局域網絡能利用簡單的存取架構讓用戶透過它達到“信息隨身化，便利走天下”的理想境界。

無線局域網由無線網卡、無線接入點（AP）、計算機和有關設備組成，采用單元結構，將整個系統分成許多單元，每個單元稱為一個基本服務組 （BSS），BSS的組成有以下3種方式：1）集中控制方式，每個單元由一個中心站控制，網中的終端在該中心站的控制下與其他終端通信。盡管BSS區域較大，但其所建中心站的費用較昂貴；2）分布對等式，BSS中任意兩個終端可直接通信，無需中心站轉接。盡管BSS區域較小，但這種方式的結構簡單，使用方便；3）集中控制式與對等式相結合的方式。無線局域網的架構圖如圖2所示[2]。

圖2 WLAN系統框架圖Fig.2 WLAN system frame diagram

無線局域網是相當方便的數據傳輸系統，它取代雙絞銅線作為局域網新的物理連接方式，具有以下幾大特點：具有高移動性、抗干擾性強、安全性能強、高吞吐量、擴展能力強、建網容易，管理方便、開發運營成本低、受自然環境、地形及災害影響較小。

2 數據通信系統的設計

2.1 DCS整體結構

DCS系統由軌旁數據通信網絡、車載雙向通信網絡和車載數據通信網絡構成。軌旁數據通信網絡由軌旁骨干網、接入交換機和軌旁設備3部分組成。DCS的整體結構如圖3所示。

圖3 DCS結構圖Fig.3 DCS structure

軌旁數據通信網使用IEEE802.3以太網標準，軌旁設備以以太網電纜的形式接入到接入交換機中，接入交換機采用多模光纖的方式接入骨干網，組成接入網。軌旁數據通信網通過軌旁無線接入點（AP）和列車進行雙向通信。骨干網是冗余的高速單模光纖以太網，它由100 Mbps或1 Gbps的第2層網絡交換機構成。骨干網采用了雙向自愈的環形拓撲結構。

骨干網絡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/自恢復能力、能適應工業控制環境。為使地面骨干網絡具有抗毀/自恢復能力，應在連接交換機的鏈路上進行冗余連接，從而形成冗余的自恢復環形結構。當某條線路發生故障時，其備份線路自動由備份狀態轉換到工作狀態，從而保證通信的繼續進行。除了交換機之間的線路，其他所有連接到交換機上的設備，都應當采用冗余連接，以提高整個DCS子系統的可靠性；除交換機之間的連接使用光纖，其他連接到交換機上的設備可根據需要使用雙絞線或者光纖[3]。

2.2 車地雙向通信系統

車地無線通信系統主要由二部分組成：軌旁無線接入點（AP）、空間無線通道。軌旁無線接入點AP通過接入交換機接入到軌旁接入網中，軌旁接入網連接在骨干網上，而AP的另一端通過天線組的輻射，以空間自由波為介質，與列車車載通信單元進行通信。由于車—地無線網絡傳輸的是列車位置、速度、方向及運行命令等重要信息，因此對傳輸的實時性、丟包率等都有嚴格要求。

2.2.1 軌旁無線接入點AP

為防止無線單元故障致使系統受到影響，如圖4所示，軌旁AP應包括一個 （或兩個）完全冗余的無線單元協同工作，即軌旁無線覆蓋是完全的雙層覆蓋。軌旁AP應跟據本地拓撲條件與一組或兩組含2～4個天線的天線組連接。每個AP通過光纖以太網UDP/IP層，分別連接到相應的接入交換機。每個接入交換機直接與其所屬的骨干交換機連接，從而接入到骨干網。

圖4 車地無線通信系統結構Fig.4 Car to wireless communication system structure

AP的覆蓋區應沒有縫隙甚至冗余，又不能太多，因此，根據IEEE802.11g標準的物理層參數，結合ISM 2.4 GHz頻段的信號傳播模型，進行AP間距的設計。當車地間距是300 m，傳輸速率是18 Mbit/s時不同傳輸速率的列車接收信號電平低于靈敏度的概率都大于99%。因此AP布置間距應設計為300 m，此距離對包丟失率的標準也完全符合[4]。

2.2.2 空間無線通道

空間無線通道主要由標準的無線局域網組成，遵循IEEE802.11g[3]無線局域網標準。該區域由鋪設在軌旁的無線接入點AP的輻射區域組成，以軌道為中心呈帶狀分布在軌道沿線，IEEE802.11g標準以其大信道容量、高吞吐量、高傳輸速率和強抗干擾能力，成為系統的首選標準。無線信息的傳輸采用OFDM技術，OFDM技術由于頻譜利用率高，抗多徑干擾和頻率選擇性衰落能力強，所以在ATC系統中受到廣泛的應用。

鐵路列車自動控制系統的信號發送設備輸出的二進制串行數據，經過信道編碼、數字調制、串/并變換形成頻域信號并進行傅立葉反變換，插入保護間隔，再進行D/A轉換，以射頻的形式發送到信道中。鐵路列車自動控制系統的接收端是發送過程的逆過程[5]。

2.3 車載數據通信網

同樣為了縮短故障恢復時間，每列車上的無線系統包括兩個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傳來的信號由它們接收），分別安裝在靠近車頭和車尾的車載設備機架內。車載通信單元包括兩個冗余的無線單元，它們之間協同工作。每個無線單元都與兩個一組的車載天線相連。

每個車載通信單元都有自己固定的IP地址，每個列車單元就像一個普通的路由器直接連接在軌旁網絡上。各個設備通過唯一的IP地址（源/目的地標識）解析來接收和發送信息，冗余的設備也是一樣，都具有自己獨特的IP地址[6]。

3 DCS系統網絡安全的分析

使用先進的加密算法保證數據安全，采用數據發送方校驗、數據過濾和數據完整性檢驗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，使系統滿足CENELEC 50159-2的安全標準[7]。措施如下：

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

2）禁用服務集標志（SSID）廣播功能，減小惡意用戶侵入AP的可能性。

3）動態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的遠程管理數據需要通過加密的有線網絡。

5）使用先進的加密保護手段。

4 結束語

文中以車地通信為背景，重點設計數據傳輸系統的組成，以及各組成部分的接入方式以及標準，主要考慮車地雙向通信網的無線AP的布置、WLAN技術和OFDM技術以及網絡安全問題。根據地鐵環境下的傳播模型，將系統中AP的間距設為300 m，WLAN技術采用IEEE802.11g，無線傳輸采用OFDM技術，從而滿足網絡需求。

[1]連健.城市軌道交通通信系統設計[J].科技資訊，2010（2）:69-71.LIAN Jian.Urban rail traffic communication system design[J].Science and technology information，2010（2）:69-71.

[2]曾小清，王長林，張樹京.基于通信的軌道交通運行控制[M].上海：同濟大學出版社，2007.

[3]朱力，寧濱.基于802.11g標準的CBTC車地通信系統設計[J].中國鐵道科學，2010（9）:131-135.ZHU Li，NING Bin.Based on the 802.11g standard CBTC car to communication system design[J].China railway scientific，2010（9）:131-135.

[4]樊昌信.通信原理5版[M].北京：國防工業出版社，2002.

[5]任春華.提高載車定位與衛星跟蹤精度的多信息融合系統研究[J].應用基礎與工程科學學報，2010（2）:188-192.REN Chun-hua.Improve the load car positioning and satellite tracking accuracy of information integration system research[J].Application basis and engineering science journal，2010（2）:188-192.

[6]楊雪.基于CSM-R車地通信誤碼的分析與研究[D].西南交通大學，2010.

[7]蔣鐵珍.車流量檢測雷達中基于ARM中斷的軟件設計[J].計算機工程與應用，2005.JIANG Tie-zhen.Traffic radar detection based on ARM interruptsoftware design[J].Computerengineering and application，2005（7）:35-39.