地鐵車地通信數據傳輸系統設計

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摘要：以車地通信(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載設備間信息傳輸的車地無線通信(TWC)網絡的設計，著重考慮無線接入點(AP)的部署、無線局域網(WLAN)標準的選擇等因素，并經過比較選出適用于DCS系統的WLAN標準。最后對該系統的網絡安全進行分析，并說明所選的解決方法，使系統的可用性大大提高。
關鍵詞：車地通信；數據傳輸系統；無線通信；無線局域網
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 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(Px／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。
1．2 WLAN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。

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。

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100Mbps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。
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。由于車一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。

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。
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。
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。
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CENELEC50159—2的安全標準。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。