地鐵車(chē)地通信數據傳輸系統設計

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摘要：以車(chē)地通信(TWC)系統為核心，完成其中數據通信(DCS)子系統的設計，特別是用于軌旁設備和車(chē)載設備間信息傳輸的車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信(TWC)網(wǎng)絡(luò )的設計，著(zhù)重考慮無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(AP)的部署、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)標準的選擇等因素，并經(jīng)過(guò)比較選出適用于DCS系統的WLAN標準。最后對該系統的網(wǎng)絡(luò )安全進(jìn)行分析，并說(shuō)明所選的解決方法，使系統的可用性大大提高。
關(guān)鍵詞：車(chē)地通信；數據傳輸系統；無(wú)線(xiàn)通信；無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)
車(chē)地數據傳輸系統(DCS)是實(shí)現移動(dòng)閉塞的重要保證。它采用開(kāi)放式架構，以實(shí)現車(chē)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(guò)對基于無(wú)線(xiàn)通信的車(chē)地通信網(wǎng)絡(luò )的分析，設計車(chē)地數據傳輸信系統，對其結構進(jìn)行設計，包括對無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(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(guò)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(wǎng)絡(luò )的要求。
1 概 述
1．1 車(chē)地通信系統
整個(gè)TWC系統由非安全邏輯仿真(NVLE)、軌旁TWC和車(chē)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(fā)送(Px／Tx)板、軌旁TWC耦合單元(CU)和軌旁TWC環(huán)線(xiàn)。軌旁TWC安裝在車(chē)站和折返線(xiàn)內。車(chē)載TWC包括電源板、車(chē)載串行通信控制板(SCC)、車(chē)載
TWC接收發(fā)送(Rx／Tx)板、TWC天線(xiàn)。系統框圖如圖1所示。

TWC系統是在整個(gè)ATC信號系統中，實(shí)現車(chē)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(chē)載TWC之間的通信過(guò)程中不變，二是支持列車(chē)在A(yíng)TO程序停車(chē)過(guò)程中準確定位。
1．2 WLAN技術(shù)
WLAN(Wireless Local Area Network，WLAN)，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，是指以無(wú)線(xiàn)信道作為傳輸介質(zhì)的計算機局域網(wǎng)，它是相當便利的數據傳輸系統，利用射頻(RF)技術(shù)，取代雙絞銅線(xiàn)所構成的局域網(wǎng)絡(luò )，使得局域網(wǎng)絡(luò )能利用簡(jiǎn)單的存取架構讓用戶(hù)透過(guò)它達到“信息隨身化，便利走天下”的理想境界。
無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡、無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(AP)、計算機和有關(guān)設備組成，采用單元結構，將整個(gè)系統分成許多單元，每個(gè)單元稱(chēng)為一個(gè)基本服務(wù)組(BSS)，BSS的組成有以下3種方式：1)集中控制方式，每個(gè)單元由一個(gè)中心站控制，網(wǎng)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(gè)終端可直接通信，無(wú)需中心站轉接。盡管BSS區域較小，但這種方式的結構簡(jiǎn)單，使用方便；3)集中控制式與對等式相結合的方式。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的架構圖如圖2所示。

無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)是相當方便的數據傳輸系統，它取代雙絞銅線(xiàn)作為局域網(wǎng)新的物理連接方式，具有以下幾大特點(diǎn)：具有高移動(dòng)性、抗干擾性強、安全性能強、高吞吐量、擴展能力強、建網(wǎng)容易，管理方便、開(kāi)發(fā)運營(yíng)成本低、受自然環(huán)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(wǎng)絡(luò )、車(chē)載雙向通信網(wǎng)絡(luò )和車(chē)載數據通信網(wǎng)絡(luò )構成。軌旁數據通信網(wǎng)絡(luò )由軌旁骨干網(wǎng)、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。

軌旁數據通信網(wǎng)使用IEEE802．3以太網(wǎng)標準，軌旁設備以以太網(wǎng)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(wǎng)，組成接入網(wǎng)。軌旁數據通信網(wǎng)通過(guò)軌旁無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(AP)和列車(chē)進(jìn)行雙向通信。骨干網(wǎng)是冗余的高速單模光纖以太網(wǎng)，它由100Mbps或1 Gbps的第2層網(wǎng)絡(luò )交換機構成。骨干網(wǎng)采用了雙向自愈的環(huán)形拓撲結構。
骨干網(wǎng)絡(luò )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(yè)控制環(huán)境。為使地面骨干網(wǎng)絡(luò )具有抗毀／自恢復能力，應在連接交換機的鏈路上進(jìn)行冗余連接，從而形成冗余的自恢復環(huán)形結構。當某條線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)，其備份線(xiàn)路自動(dòng)由備份狀態(tài)轉換到工作狀態(tài)，從而保證通信的繼續進(jìn)行。除了交換機之間的線(xiàn)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(gè)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(xiàn)或者光纖。
2. 2 車(chē)地雙向通信系統
車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信系統主要由二部分組成：軌旁無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(AP)、空間無(wú)線(xiàn)通道。軌旁無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)AP通過(guò)接入交換機接入到軌旁接入網(wǎng)中，軌旁接入網(wǎng)連接在骨干網(wǎng)上，而AP的另一端通過(guò)天線(xiàn)組的輻射，以空間自由波為介質(zhì)，與列車(chē)車(chē)載通信單元進(jìn)行通信。由于車(chē)一地無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸的是列車(chē)位置、速度、方向及運行命令等重要信息，因此對傳輸的實(shí)時(shí)性、丟包率等都有嚴格要求。
2．2．1 軌旁無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)AP
為防止無(wú)線(xiàn)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(gè)(或兩個(gè))完全冗余的無(wú)線(xiàn)單元協(xié)同工作，即軌旁無(wú)線(xiàn)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(gè)天線(xiàn)的天線(xiàn)組連接。每個(gè)AP通過(guò)光纖以太網(wǎng)UDP／IP層，分別連接到相應的接入交換機。每個(gè)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(wǎng)。

AP的覆蓋區應沒(méi)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(jìn)行AP間距的設計。當車(chē)地間距是300 m，傳輸速率是18 Mbit／s時(shí)不同傳輸速率的列車(chē)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。
2．2．2 空間無(wú)線(xiàn)通道
空間無(wú)線(xiàn)通道主要由標準的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)組成，遵循IEEE802．11g無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標準。該區域由鋪設在軌旁的無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)AP的輻射區域組成，以軌道為中心呈帶狀分布在軌道沿線(xiàn)，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(wú)線(xiàn)信息的傳輸采用OFDM技術(shù)，OFDM技術(shù)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A(yíng)TC系統中受到廣泛的應用。
鐵路列車(chē)自動(dòng)控制系統的信號發(fā)送設備輸出的二進(jìn)制串行數據，經(jīng)過(guò)信道編碼、數字調制、串／并變換形成頻域信號并進(jìn)行傅立葉反變換，插入保護間隔，再進(jìn)行D／A轉換，以射頻的形式發(fā)送到信道中。鐵路列車(chē)自動(dòng)控制系統的接收端是發(fā)送過(guò)程的逆過(guò)程。
2．3 車(chē)載數據通信網(wǎng)
同樣為了縮短故障恢復時(shí)間，每列車(chē)上的無(wú)線(xiàn)系統包括兩個(gè)完全冗余的車(chē)載通信單元，它們是軌旁AP的通信客戶(hù)端(從AP傳來(lái)的信號由它們接收)，分別安裝在靠近車(chē)頭和車(chē)尾的車(chē)載設備機架內。車(chē)載通信單元包括兩個(gè)冗余的無(wú)線(xiàn)單元，它們之間協(xié)同工作。每個(gè)無(wú)線(xiàn)單元都與兩個(gè)一組的車(chē)載天線(xiàn)相連。
每個(gè)車(chē)載通信單元都有自己固定的IP地址，每個(gè)列車(chē)單元就像一個(gè)普通的路由器直接連接在軌旁網(wǎng)絡(luò )上。各個(gè)設備通過(guò)唯一的IP地址(源／目的地標識)解析來(lái)接收和發(fā)送信息，冗余的設備也是一樣，都具有自己獨特的IP地址。
3 DCS系統網(wǎng)絡(luò )安全的分析
使用先進(jìn)的加密算法保證數據安全，采用數據發(fā)送方校驗、數據過(guò)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(mǎn)足CENELEC50159—2的安全標準。措施如下：
1)AP(不包括外置天線(xiàn))，放置在適應環(huán)境和防盜竊的密閉盒中，確保有授權的人員才能啟動(dòng)。
2)禁用服務(wù)集標志(SSID)廣播功能，減小惡意用戶(hù)侵入AP的可能性。
3)動(dòng)態(tài)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(guò)加密的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。
5)使用先進(jìn)的加密保護手段。
4 結束語(yǔ)
文中以車(chē)地通信為背景，重點(diǎn)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(chē)地雙向通信網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)AP的布置、WLAN技術(shù)和OFDM技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò )安全問(wèn)題。根據地鐵環(huán)境下的傳播模型，將系統中AP的間距設為300 m，WLAN技術(shù)采用IEEE802．11g，無(wú)線(xiàn)傳輸采用OFDM技術(shù)，從而滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )需求。