地鐵車地通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計

摘要：以車地通信(TWC)系統(tǒng)為核心，完成其中數(shù)據(jù)通信(DCS)子系統(tǒng)的設計，特別是用于軌旁設備和車載設備間信息傳輸?shù)能嚨責o線通信(TWC)網(wǎng)絡的設計，著重考慮無線接入點(AP)的部署、無線局域網(wǎng)(WLAN)標準的選擇等因素，并經(jīng)過比較選出適用于DCS系統(tǒng)的WLAN標準。最后對該系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全進行分析，并說明所選的解決方法，使系統(tǒng)的可用性大大提高。
關鍵詞：車地通信；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；無線通信；無線局域網(wǎng)

    車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(DCS)是實現(xiàn)移動閉塞的重要保證。它采用開放式架構，以實現(xiàn)車載設備和地面設備之間雙向、可靠、安全的數(shù)據(jù)交換。在此主要是通過對基于無線通信的車地通信網(wǎng)絡的分析，設計車地數(shù)據(jù)傳輸信系統(tǒng)，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(tǒng)安全的分析，使系統(tǒng)的可靠性、有效性、安全性達到網(wǎng)絡的要求。

1 概 述
1．1 車地通信系統(tǒng)
    整個TWC系統(tǒng)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(fā)送(Px／Tx)板、軌旁TWC耦合單元(CU)和軌旁TWC環(huán)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(fā)送(Rx／Tx)板、TWC天線。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    TWC系統(tǒng)是在整個ATC信號系統(tǒng)中，實現(xiàn)車載設備與軌旁設備之間數(shù)據(jù)信息的非安全通信子系統(tǒng)。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(wǎng)，是指以無線信道作為傳輸介質的計算機局域網(wǎng)，它是相當便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，利用射頻(RF)技術，取代雙絞銅線所構成的局域網(wǎng)絡，使得局域網(wǎng)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(wǎng)由無線網(wǎng)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(tǒng)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(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(qū)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(qū)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(wǎng)的架構圖如圖2所示。

    無線局域網(wǎng)是相當方便的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它取代雙絞銅線作為局域網(wǎng)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(wǎng)容易，管理方便、開發(fā)運營成本低、受自然環(huán)境、地形及災害影響較小。

2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設計
2．1 DCS整體結構
    DCS系統(tǒng)由軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡、車載雙向通信網(wǎng)絡和車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡構成。軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡由軌旁骨干網(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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信網(wǎng)通過軌旁無線接入點(AP)和列車進行雙向通信。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(huán)形結構。當某條線路發(fā)生故障時，其備份線路自動由備份狀態(tài)轉換到工作狀態(tài)，從而保證通信的繼續(xù)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(tǒng)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(jù)需要使用雙絞線或者光纖。
2. 2 車地雙向通信系統(tǒng)
    車地無線通信系統(tǒng)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(wǎng)中，軌旁接入網(wǎng)連接在骨干網(wǎng)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(wǎng)絡傳輸?shù)氖橇熊囄恢?、速度、方向及運行命令等重要信息，因此對傳輸?shù)膶崟r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(tǒng)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(xié)同工作，即軌旁無線覆蓋是完全的雙層覆蓋。軌旁AP應跟據(jù)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(wǎng)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(wǎng)。

    AP的覆蓋區(qū)應沒有縫隙甚至冗余，又不能太多，因此，根據(jù)IEEE802．11g標準的物理層參數(shù)，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(wǎng)組成，遵循IEEE802．11g無線局域網(wǎng)標準。該區(qū)域由鋪設在軌旁的無線接入點AP的輻射區(qū)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(tǒng)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(tǒng)中受到廣泛的應用。
    鐵路列車自動控制系統(tǒng)的信號發(fā)送設備輸出的二進制串行數(shù)據(jù)，經(jīng)過信道編碼、數(shù)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(fā)送到信道中。鐵路列車自動控制系統(tǒng)的接收端是發(fā)送過程的逆過程。
2．3 車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)
    同樣為了縮短故障恢復時間，每列車上的無線系統(tǒng)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(xié)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(wǎng)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(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(tǒng)網(wǎng)絡安全的分析
    使用先進的加密算法保證數(shù)據(jù)安全，采用數(shù)據(jù)發(fā)送方校驗、數(shù)據(jù)過濾和數(shù)據(jù)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(tǒng)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(huán)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(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(shù)據(jù)需要通過加密的有線網(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)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(wǎng)的無線AP的布置、WLAN技術和OFDM技術以及網(wǎng)絡安全問題。根據(jù)地鐵環(huán)境下的傳播模型，將系統(tǒng)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(wǎng)絡需求。