傳輸系統組網方式研究軌道信息

王超

[摘 要]系統利用連續、大容量的車地雙向可靠數據通信來實現列車控制信息、列車狀態信息的無線傳輸，是先進的列車自動控制系統。通過實現車地之間雙向、連續、高速、安全的信息交互，承載了直接關系到行車安全的重要數據信息，是系統的核心。為車地無線通信網絡的數據傳輸系統作為DCS子系統的解決方案。提出具有針對性的解決方案，并對與網絡安全相關的頻率規劃和冗余設計做了簡單說明。

[關鍵詞]車地通信網絡；安全傳輸；接入認證

一、數據傳輸系統的組成

安全可靠的車地雙向數據通信是CBTC系統實現列車自動控制功能的根本。子系統主要構成包括：軌旁數據接入網絡、軌旁骨干網絡、車地雙向通信網絡和車載數據通信網絡。以上各子網將在后面章節做詳細介紹，軌旁數據通信網絡提供了各軌旁子系統（區域控制器、聯鎖控制系統等）和軌旁無線設備（軌旁無線接入點AP等）接入DCS的接口，提供的傳輸速率為100Mbit/s。

軌旁骨干網絡由傳輸模塊和骨干交換模塊構成，組網采用雙環冗余拓撲結構。傳輸層面采用RPR（Resilient Packet Ring，彈性分組環技術）連接組網。RPR集中體現了IP的智能化、以太網的經濟性以及光纖環網的高帶寬、可靠性，保證了服務的質量。接入交換機通過光接口接入骨干交換機。地面骨干網絡是有線網絡，用于連接參與數據通信的地面設備。車載無線設備通過連接在地面骨干網絡上的無線網絡地面接入點（AP）獲得地面骨干網絡的接入。車地雙向通信網絡由車載無線設備與軌旁無線接入點之間的無線鏈路組成，提供車地之間雙向、可靠、實時、安全的數據交換。車載和軌旁以太網設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，遵循IEEE 802.11i無線網絡安全協議。

車載數據通信網絡提供各車載子系統（自動列車防護、自動列車運行等）和車載設備（司機顯示器TOD、I/O控制器MTORE等）以及車載無線設備之間的通信接口，提供的傳輸速率為100Mbit/s。車載交換機遵循IEEE 802.3u和802.3x協議，提供標準的10M/100M以太網接口。網絡層和傳輸層采用UDP/IP協議。雖然DCS子系統本身并不執行安全功能，但大量的安全相關信息通過DCS子系統傳輸，因此，除了要保證信息能夠快速準確傳輸到目的地，DCS子系統還應當保證信息的安全可靠。

二、傳輸系統組網方式的發展

凡是根據CBTC系統的標準建立并能滿足CBTC系統中列車狀態信息和控制信息等傳輸要求的傳輸系統或者網絡，都可以作為CBTC系統的DCS子系統的解決方案。自從上個世紀80年代開始出現CBTC系統，也出現了一系列各不相同的DCS子系統的實現方法。在大鐵路中使用的DCS的類型有：北美的ATCS（Advanced Train Control System，先進列車控制系統）、歐洲的ETCS（European Train Control System，歐洲列車控制系統）等。隨著城市軌道交通的發展，出現了以太網及TCP/IP協議為基礎的新型DCS子系統，如法國阿爾卡特公司的列控系統。

軌旁數據接入網絡主要由軌旁接入交換機、軌旁無線接入點、天線、連接線纜、供電部分設備、保護箱等設備和組件組成。軌旁接入交換機通過冗余的以太網絡與骨干交換機相連。軌旁數據接入網絡。無線信道的電波傳播特性與電波傳播環境密切相關。需要根據無線信道的傳播特性和電波傳播方式建立恰當的傳播模型，準確地對傳播損耗做出預測。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境對無線通信系統的性能有很大的影響。因而，在設計一個無線系統之前，需要對電磁波的覆蓋和環境進行細致的規劃和預測。在實際應用中，通過計算并結合工程勘測結果，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、傳輸系統組網方式的標準

802.11g采用的調制方案是正交頻分復用（OFDM）。IEEE 802.11g工作在2.4GHz頻段（2.4～2.4835GHz，向前兼容IEEE 802.11b）。OFDM技術把數據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上的“正交性”，能夠避免解調時不同子載波之間的相互干擾。OFDM的優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，因為在典型的陸地傳播情況下，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接收器）。因為來自多個路徑的信號相互干擾（碼間干擾，ISI），需要設計復雜的均衡器來提取原始數據。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據流。OFDM，當與信道編碼（一種糾錯編碼技術）相結合，幾乎總是產生近乎“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網絡，IEEE 802.11e定義了一套服務加強品質。802.11e定義了不同種類數據的通信級別，高優先級數據（如：列車控制相關數據）相對低優先級數據具有更高機會被無線網絡優先發送出去。IEEE 802.11i是802.11標準安全部分的修正版，詳細描述了無線網絡的安全機制，提高安全等級。它采用新的編碼核心協議：高級加密標準（AES），它是當前用于機密信息加密的標準。802.11i的加密性能、信息完整性檢測和發送方校驗功能是建立在以AES為基礎的CCMP算法基礎上。同時，解決了所有先前版本的嚴重安全缺陷。

四、無線設備對傳輸系統的影響

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網絡工作在基礎設施模式（Infrastructure），即所有列車和軌旁網絡間的通信都通過AP進行。幾個AP能連接在一起形成更大的網絡，允許無線設備在其中漫游，定義為擴展服務集（ESS）。MR可以在所有設置為同一擴展服務集的基站之間漫游，當相鄰基站覆蓋區域彼此重疊時，可以實現無縫切換。地鐵環境大多為隧道環境，其多路徑反射問題嚴重。針對地鐵環境的特殊性，由于隧道環境多徑發射問題嚴重，在這種環境下，全向天線勢必帶來更嚴重的多徑發射問題，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。所以在這種環境下，通常情況下采用定向天線。在整個DCS子系統中，帶寬瓶頸主要集中在車地雙向傳輸系統，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驗和測試的結果，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設置的總體原則是：車載MR在軌道上的任何一點都能至少檢測到兩個軌旁AP發送的信號。任何軌旁AP故障都可能會導致系統性能下降，因為故障的修復可能需要等到夜間，并且這些故障將影響所有經過該區域的列車運行。為避免這些系統性能降級，在無線網絡設計中考慮了充分的冗余：同一列車上的兩個車載MR分別與兩個獨立的軌旁AP相

參考文獻：

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