GRE 隧道在地鐵車地無線通信傳輸中的應用

張 軼

（1. 上海申通地鐵集團有限公司，上海 201103；2. 上海申中軌道交通運行安全工程技術研究有限公司 ，上海 201204）

1 引言

隨著地鐵新技術的發展以及智能化水平的提高，各地鐵運營公司對地鐵列車實時數據傳輸的需求也在不斷提升，如智能運維系統、專家系統、車廂視頻監控、司機行為分析等都對數據的延遲、質量、帶寬、安全性和部署成本提出了越來越高的要求。在這些新技術試點過程中，安全、快捷并對現有運行系統產生較小影響的車地無線通信方案，逐漸受到各地鐵運營公司的重視。

本文通過介紹工程車智能安全監控系統（ISM）對車地無線通信傳輸的性能需求，對比分析多種車地無線通信傳輸方式，進而提出物聯網卡搭配通用路由封裝（GRE）隧道的方案，實現ISM系統數據和視頻數據的車地無線通信傳輸，以滿足安全防護和監控要求。

2 ISM 系統

地鐵工程車（圖1）主要用于地鐵車輛段場調車作業、線路施工和養護、正線突發事故救援等。由于車輛段場內股道和道岔較多、平行作業場景復雜、調車作業內容繁多，如果完全依靠人工控制，難免會發生場內調車作業冒進信號、異物侵限、擠岔脫軌、沖撞車擋、列車沖突等安全事故，而禁止段場內并行作業則會大幅影響施工效率。ISM系統可對工程車冒進信號、異物侵限、擠岔脫軌、沖撞車擋、列車沖突等情況進行智能化防護，同時該系統集成了司機行為分析、登乘人員人臉識別和行程記錄儀的功能，從而實現地鐵工程車的安全高效運作，有利于整體提升城市軌道交通系統的安全和管理水平。

ISM系統對車地無線通信傳輸具有較高需求，如何在不影響其他系統的情況下，保證ISM系統可靠獲取軌旁設備數據、信號聯鎖數據、吊車作業單數據和車輛位置信息等，也成為整個系統搭建過程中的難點。

3 車地無線通信傳輸現狀

目前，地鐵車地無線通信傳輸存在多種方式，主要可分為信號專用的長期演進的通用移動通信技術（LTE）、工務所使用的泛歐集群無線電（TETRA）系統、車地WIFI系統（地鐵移動互聯網系統（MMIS））和移動通信4G/5G業務等。上述通信傳輸方式均在地鐵的車地無線通信傳輸中有所運用，出于安全性考慮，除信號系統專用的LTE通信傳輸方式外其他方式均可適用于ISM系統。車地無線傳輸方式情況對比如表1所示。

4 ISM 系統無線通信傳輸帶寬需求分析

根據ISM系統的功能需求，分析該系統車地無線通信傳輸的項目、傳輸周期及帶寬需求，如表2所示。

由表2可得出ISM系統所需的固定周期帶寬為25 kbps，條件觸發帶寬為8.02 Mbps，合計峰值帶寬為8.04 Mbps。該系統對數據傳輸的帶寬和延遲都提出了較高要求，同時對車地網絡部署成本、難度及速度方面也有較高要求。

通過對比表1及表2可以得出以下結論。

表1 車地無線傳輸方式情況對比表

表2 ISM系統車地無線數據傳輸需求

（1）TETRA系統1個時隙最高帶寬為7.2 kbps，已經遠遠不能滿足1臺工程車固定周期交互的數據量（25 kbps），如果按多時隙建立通道則需固定多個時隙給工程車使用，會對TETRA本身的業務有較大影響。因此，因TETRA網的傳輸帶寬不能滿足工程車車地傳輸帶寬的需求，該方案不能用于本次試點測試。

（2）MMIS系統可根據需求部署相關網絡，且帶寬要求可以滿足需求，但由于全網包括基地全覆蓋施工成本大、施工周期長，所以只可以在已部署MMIS系統的線路試點使用。

（3）移動通信的4G業務可以滿足業務的帶寬需求，且只需車載設備配屬4G模塊即可實現通信，具備部署難度低、成本低且迅速的特點，也可滿足科研試點的要求。

（4）移動通信的5G業務與4G業務相比，在目前軌道交通車地無線通信傳輸中有更高的帶寬與更低的延遲，其余功能基本一致，在綜合考慮成本及使用工況的前提下優先考慮4G方式。

通過綜合考慮各種方案的車地無線網絡部署難度、成本及局限性，最終選用4G方式作為該系統的車地無線網絡傳輸方式。

5 GRE 隧道的應用

5.1 GRE 隧道介紹

4G車地無線通信方案通過運營商既有的物聯網平臺，實現車地數據的傳輸。在考慮數據流的安全性、IP地址可控、實施難度、改造成本和調試時間等前提下，又分為網絡地址轉換（NAT）直連、常規虛擬專用網絡（VPN）和GRE隧道3種方案。

GRE是一種常用隧道協議，是在網絡上建立直接點對點連接的一種方法，目的是簡化單獨網絡之間的連接。其通過將一個路由協議的數據包封裝在另一協議的數據包中，通過私有的“封裝”實現2個遠程網絡連接的安全性，并可實現2個遠程網絡達到直連的效果，它適用于各種網絡層協議。針對3種方案進行比選，其比選情況如表3所示。

表3 4G方案比選

由表3可知，NAT直連方案因安全性最低，故不推薦采納。VPN方案則需在地面數據中心額外增設VPN服務器，在增加了系統建設成本的同時，也無法固定4G網卡IP地址，增加了系統對網絡鏈路的規劃和管理的難度。

經過比選，最終采用的GRE隧道方案通過配屬專用物聯網卡以替代傳統手機所使用的SIM卡，其特點在于可實現建立GRE隧道的同時也能實現較高的安全性（如物聯網卡與使用設備進行綁定，如需更換設備需管理員進行授權），同時，可以將定制化的固定物聯網卡IP地址納入集團信息網的管理范圍。此外，其只需在車載端和地面段的接口端進行配置即可實現數據的聯通，避免后期ISM系統擴容后需額外配置的問題。

5.2 GRE 隧道實現方式

GRE隧道的具體實現方式包括以下2種：根據總體網絡規劃，對工程車終端、地面服務器及鏈路中網絡設備的IP進行規劃，確認終端及物聯網卡的IP地址；由物聯網平臺在配置卡的時候，將IP信息存入歸屬位置寄存器（HLR）中，同時在網關通用分組無線服務技術（GPRS）支持節點（GGSN）配置IP路由，分配專用通信傳輸隧道，工程車終端上線后從HLR中獲得固定IP，通過GGSN專用隧道與地面服務器通信。其流程如圖2所示。

配置過程中需地面接口網關（實際為防火墻）與運營商服務器網關進行隧道相關參數的配置，實現隧道的搭建和聯通。而車載設備只需配置接入點名稱（APN）即可自動獲得相應的IP和網關地址，實現數據進入隧道。通過上述配置即可實現工程車終端與地面服務器的網絡連接，數據經過服務網關進行了私有的“封裝”并通過專用的隧道到達地面接口網關再進行解包，解包后的數據可以保證兩端的數據如同在同一網域直連的效果。數據在公網區域有私有“封裝”和專用通道，而外部的攻擊也因為沒有私有“封裝”無法進入相關終端，所以保證了數據的安全性和私密性。同時，改造只涉及車載終端增加4G模塊和地面接口網關與聯通的隧道調試，而使用期間的費用主要包括流量費及物聯網卡費用。

6 結語

本文通過對比分析多種車地無線通信傳輸方式，進而提出物聯網卡搭配GRE隧道的方案，實現了ISM系統數據和視頻數據的車地傳輸，以滿足安全防護和監控要求。該方案具有改造成本低、對設備需求性能小、設備部署簡單、數據安全性高等特點及優勢，可以實現物聯網卡的IP固定，以便網絡的統一化管理和部署、防火墻白名單的配置等。同時，方案不僅可適用于工程車ISM系統，也可適用于任意對數據安全有要求的老車和設備的數據傳輸，還可作為WIFI方案部署完成前的過渡方案，具有一定的推廣價值。