传输系统组网方式研究轨道信息

[摘 要]系统利用连续、大容量的车地双向可靠数据通信来实现列车控制信息、列车状态信息的无线传输，是先进的列车自动控制系统。通过实现车地之间双向、连续、高速、安全的信息交互，承载了直接关系到行车安全的重要数据信息，是系统的核心。为车地无线通信网络的数据传输系统作为DCS子系统的解决方案。提出具有针对性的解决方案，并对与网络安全相关的频率规划和冗余设计做了简单说明。

[关键词]车地通信网络；安全传输；接入认证

一、数据传输系统的组成

安全可靠的车地双向数据通信是CBTC系统实现列车自动控制功能的根本。子系统主要构成包括：轨旁数据接入网络、轨旁骨干网络、车地双向通信网络和车载数据通信网络。以上各子网将在后面章節做详细介绍，轨旁数据通信网络提供了各轨旁子系统（区域控制器、联锁控制系统等）和轨旁无线设备（轨旁无线接入点AP等）接入DCS的接口，提供的传输速率为100Mbit/s。

轨旁骨干网络由传输模块和骨干交换模块构成，组网采用双环冗余拓扑结构。传输层面采用RPR（Resilient Packet Ring，弹性分组环技术）连接组网。RPR集中体现了IP的智能化、以太网的经济性以及光纤环网的高带宽、可靠性，保证了服务的质量。接入交换机通过光接口接入骨干交换机。地面骨干网络是有线网络，用于连接参与数据通信的地面设备。车载无线设备通过连接在地面骨干网络上的无线网络地面接入点（AP）获得地面骨干网络的接入。车地双向通信网络由车载无线设备与轨旁无线接入点之间的无线链路组成，提供车地之间双向、可靠、实时、安全的数据交换。车载和轨旁以太网设备的无线接入分别由MR和AP提供。提供的传输速率为20Mbit/s。无线接口采用IEEE 802.11g技术，遵循IEEE 802.11i无线网络安全协议。

车载数据通信网络提供各车载子系统（自动列车防护、自动列车运行等）和车载设备（司机显示器TOD、I/O控制器MTORE等）以及车载无线设备之间的通信接口，提供的传输速率为100Mbit/s。车载交换机遵循IEEE 802.3u和802.3x协议，提供标准的10M/100M以太网接口。网络层和传输层采用UDP/IP协议。虽然DCS子系统本身并不执行安全功能，但大量的安全相关信息通过DCS子系统传输，因此，除了要保证信息能够快速准确传输到目的地，DCS子系统还应当保证信息的安全可靠。

二、传输系统组网方式的发展

凡是根据CBTC系统的标准建立并能满足CBTC系统中列车状态信息和控制信息等传输要求的传输系统或者网络，都可以作为CBTC系统的DCS子系统的解决方案。自从上个世纪80年代开始出现CBTC系统，也出现了一系列各不相同的DCS子系统的实现方法。在大铁路中使用的DCS的类型有：北美的ATCS（Advanced Train Control System，先进列车控制系统）、欧洲的ETCS（European Train Control System，欧洲列车控制系统）等。随着城市轨道交通的发展，出现了以太网及TCP/IP协议为基础的新型DCS子系统，如法国阿尔卡特公司的列控系统。

轨旁数据接入网络主要由轨旁接入交换机、轨旁无线接入点、天线、连接线缆、供电部分设备、保护箱等设备和组件组成。轨旁接入交换机通过冗余的以太网络与骨干交换机相连。轨旁数据接入网络。无线信道的电波传播特性与电波传播环境密切相关。需要根据无线信道的传播特性和电波传播方式建立恰当的传播模型，准确地对传播损耗做出预测。同时，无线信道与有线信道的不同，在于周围信源与信宿之间的物理环境对无线通信系统的性能有很大的影响。因而，在设计一个无线系统之前，需要对电磁波的覆盖和环境进行细致的规划和预测。在实际应用中，通过计算并结合工程勘测结果，同时考虑2倍AP间距覆盖距离的因素，通常情况下隧道内的AP分布间距为200米左右，弯道、高架、共线路段、线路交叉坡道路段等处AP间的分布间距小于200米。

三、传输系统组网方式的标准

802.11g采用的调制方案是正交频分复用（OFDM）。IEEE 802.11g工作在2.4GHz频段（2.4～2.4835GHz，向前兼容IEEE 802.11b）。OFDM技术把数据分配到大量的子载波上，这些子载波按照精确的频率隔开。这种间隔提供了技术上的“正交性”，能够避免解调时不同子载波之间的相互干扰。OFDM的优势在于较高的频谱效率，能够有效对抗射频干扰、频率选择性干扰，以及多径干扰。这种特性非常重要，因为在典型的陆地传播情况下，无线通信都有多径的情况（比如：被传输信号通过不同的路径到达接收器）。因为来自多个路径的信号相互干扰（码间干扰，ISI），需要设计复杂的均衡器来提取原始数据。另一方面，OFDM在多个窄带子载波中以近似平均的方式分配高速数据流。OFDM，当与信道编码（一种纠错编码技术）相结合，几乎总是产生近乎“白”的光谱（即具有平坦的频谱），对附近的其它信号源不会造成恶劣的电磁干扰。特别针对802.11网络，IEEE 802.11e定义了一套服务加强品质。802.11e定义了不同种类数据的通信级别，高优先级数据（如：列车控制相关数据）相对低优先级数据具有更高机会被无线网络优先发送出去。IEEE 802.11i是802.11标准安全部分的修正版，详细描述了无线网络的安全机制，提高安全等级。它采用新的编码核心协议：高级加密标准（AES），它是当前用于机密信息加密的标准。802.11i的加密性能、信息完整性检测和发送方校验功能是建立在以AES为基础的CCMP算法基础上。同时，解决了所有先前版本的严重安全缺陷。

四、无线设备对传输系统的影响

对于车载MR和轨旁AP，均要求具有较小的传输延时和高可靠性。WLAN网络工作在基础设施模式（Infrastructure），即所有列车和轨旁网络间的通信都通过AP进行。几个AP能连接在一起形成更大的网络，允许无线设备在其中漫游，定义为扩展服务集（ESS）。MR可以在所有设置为同一扩展服务集的基站之间漫游，当相邻基站覆盖区域彼此重叠时，可以实现无缝切换。地铁环境大多为隧道环境，其多路径反射问题严重。针对地铁环境的特殊性，由于隧道环境多径发射问题严重，在这种环境下，全向天线势必带来更严重的多径发射问题，而定向天线具有较小的信号辐射角度，可以大大降低多径问题带来的影响。所以在这种环境下，通常情况下采用定向天线。在整个DCS子系统中，带宽瓶颈主要集中在车地双向传输系统，也就是车载MR与轨旁AP之间的无线链路上。参考无线链路计算及以往工程经验和测试的结果，直线沿线大约每隔200米左右安装一个轨旁AP。同时，轨旁AP的具体位置还需要详尽的线路测量来确定。轨旁AP设置的总体原则是：车载MR在轨道上的任何一点都能至少检测到两个轨旁AP发送的信号。任何轨旁AP故障都可能会导致系统性能下降，因为故障的修复可能需要等到夜间，并且这些故障将影响所有经过该区域的列车运行。为避免这些系统性能降级，在无线网络设计中考虑了充分的冗余：同一列车上的两个车载MR分别与两个独立的轨旁AP相

参考文献：

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