地铁车地通信数据传输系统设计

摘要：以车地通信(TWC)系统为核心，完成其中数据通信(DCS)子系统的设计，特别是用于轨旁设备和车载设备间信息传输的车地无线通信(TWC)网络的设计，着重考虑无线接入点(AP)的部署、无线局域网(WLAN)标准的选择等因素，并经过比较选出适用于DCS系统的WLAN标准。最后对该系统的网络安全进行分析，并说明所选的解决方法，使系统的可用性大大提高。
关键词：车地通信；数据传输系统；无线通信；无线局域网

    车地数据传输系统(DCS)是实现移动闭塞的重要保证。它采用开放式架构，以实现车载设备和地面设备之间双向、可靠、安全的数据交换。在此主要是通过对基于无线通信的车地通信网络的分析，设计车地数据传输信系统，对其结构进行设计，包括对无线接入点(Access Point，AP)的布置间隔的讨论、对WLAN所使用的标准的选择等。通过对信号传播模型和系统安全的分析，使系统的可靠性、有效性、安全性达到网络的要求。

1 概 述
1．1 车地通信系统
    整个TWC系统由非安全逻辑仿真(NVLE)、轨旁TWC和车载TWC组成。轨旁TWC包括电源板、轨旁串行通信控制板(SCC)、轨旁TWC接收发送(Px／Tx)板、轨旁TWC耦合单元(CU)和轨旁TWC环线。轨旁TWC安装在车站和折返线内。车载TWC包括电源板、车载串行通信控制板(SCC)、车载
TWC接收发送(Rx／Tx)板、TWC天线。系统框图如图1所示。

    TWC系统是在整个ATC信号系统中，实现车载设备与轨旁设备之间数据信息的非安全通信子系统。它的功能一是保持大部分信息在轨旁TWC和车载TWC之间的通信过程中不变，二是支持列车在ATO程序停车过程中准确定位。
1．2 WLAN技术
    WLAN(Wireless Local Area Network，WLAN)，无线局域网，是指以无线信道作为传输介质的计算机局域网，它是相当便利的数据传输系统，利用射频(RF)技术，取代双绞铜线所构成的局域网络，使得局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它达到“信息随身化，便利走天下”的理想境界。
    无线局域网由无线网卡、无线接入点(AP)、计算机和有关设备组成，采用单元结构，将整个系统分成许多单元，每个单元称为一个基本服务组(BSS)，BSS的组成有以下3种方式：1)集中控制方式，每个单元由一个中心站控制，网中的终端在该中心站的控制下与其他终端通信。尽管BSS区域较大，但其所建中心站的费用较昂贵；2)分布对等式，BSS中任意两个终端可直接通信，无需中心站转接。尽管BSS区域较小，但这种方式的结构简单，使用方便；3)集中控制式与对等式相结合的方式。无线局域网的架构图如图2所示。

    无线局域网是相当方便的数据传输系统，它取代双绞铜线作为局域网新的物理连接方式，具有以下几大特点：具有高移动性、抗干扰性强、安全性能强、高吞吐量、扩展能力强、建网容易，管理方便、开发运营成本低、受自然环境、地形及灾害影响较小。

2 数据通信系统的设计
2．1 DCS整体结构
    DCS系统由轨旁数据通信网络、车载双向通信网络和车载数据通信网络构成。轨旁数据通信网络由轨旁骨干网、接入交换机和轨旁设备3部分组成。DCS的整体结构如图3所示。

    轨旁数据通信网使用IEEE802．3以太网标准，轨旁设备以以太网电缆的形式接入到接入交换机中，接入交换机采用多模光纤的方式接入骨干网，组成接入网。轨旁数据通信网通过轨旁无线接入点(AP)和列车进行双向通信。骨干网是冗余的高速单模光纤以太网，它由100Mbps或1 Gbps的第2层网络交换机构成。骨干网采用了双向自愈的环形拓扑结构。
    骨干网络必须具备的主要特性有：传输延迟小、传输带宽大、便于管理、具有抗毁／自恢复能力、能适应工业控制环境。为使地面骨干网络具有抗毁／自恢复能力，应在连接交换机的链路上进行冗余连接，从而形成冗余的自恢复环形结构。当某条线路发生故障时，其备份线路自动由备份状态转换到工作状态，从而保证通信的继续进行。除了交换机之间的线路，其他所有连接到交换机上的设备，都应当采用冗余连接，以提高整个DCS子系统的可靠性；除交换机之间的连接使用光纤，其他连接到交换机上的设备可根据需要使用双绞线或者光纤。
2. 2 车地双向通信系统
    车地无线通信系统主要由二部分组成：轨旁无线接入点(AP)、空间无线通道。轨旁无线接入点AP通过接入交换机接入到轨旁接入网中，轨旁接入网连接在骨干网上，而AP的另一端通过天线组的辐射，以空间自由波为介质，与列车车载通信单元进行通信。由于车一地无线网络传输的是列车位置、速度、方向及运行命令等重要信息，因此对传输的实时性、丢包率等都有严格要求。
2．2．1 轨旁无线接入点AP
    为防止无线单元故障致使系统受到影响，如图4所示，轨旁AP应包括一个(或两个)完全冗余的无线单元协同工作，即轨旁无线覆盖是完全的双层覆盖。轨旁AP应跟据本地拓扑条件与一组或两组含2～4个天线的天线组连接。每个AP通过光纤以太网UDP／IP层，分别连接到相应的接入交换机。每个接入交换机直接与其所属的骨干交换机连接，从而接入到骨干网。

    AP的覆盖区应没有缝隙甚至冗余，又不能太多，因此，根据IEEE802．11g标准的物理层参数，结合ISM 2．4 GHz频段的信号传播模型，进行AP间距的设计。当车地间距是300 m，传输速率是18 Mbit／s时不同传输速率的列车接收信号电平低于灵敏度的概率都大于99％。因此AP布置间距应设计为300 m，此距离对包丢失率的标准也完全符合。
2．2．2 空间无线通道
    空间无线通道主要由标准的无线局域网组成，遵循IEEE802．11g无线局域网标准。该区域由铺设在轨旁的无线接入点AP的辐射区域组成，以轨道为中心呈带状分布在轨道沿线，IEEE802．11g标准以其大信道容量、高吞吐量、高传输速率和强抗干扰能力，成为系统的首选标准。无线信息的传输采用OFDM技术，OFDM技术由于频谱利用率高，抗多径干扰和频率选择性衰落能力强，所以在ATC系统中受到广泛的应用。
    铁路列车自动控制系统的信号发送设备输出的二进制串行数据，经过信道编码、数字调制、串／并变换形成频域信号并进行傅立叶反变换，插入保护间隔，再进行D／A转换，以射频的形式发送到信道中。铁路列车自动控制系统的接收端是发送过程的逆过程。
2．3 车载数据通信网
    同样为了缩短故障恢复时间，每列车上的无线系统包括两个完全冗余的车载通信单元，它们是轨旁AP的通信客户端(从AP传来的信号由它们接收)，分别安装在靠近车头和车尾的车载设备机架内。车载通信单元包括两个冗余的无线单元，它们之间协同工作。每个无线单元都与两个一组的车载天线相连。
    每个车载通信单元都有自己固定的IP地址，每个列车单元就像一个普通的路由器直接连接在轨旁网络上。各个设备通过唯一的IP地址(源／目的地标识)解析来接收和发送信息，冗余的设备也是一样，都具有自己独特的IP地址。

3 DCS系统网络安全的分析
    使用先进的加密算法保证数据安全，采用数据发送方校验、数据过滤和数据完整性检验等安全措施以减少危害，不仅确保信息安全传输，而且限制接入，使系统满足CENELEC50159—2的安全标准。措施如下：
    1)AP(不包括外置天线)，放置在适应环境和防盗窃的密闭盒中，确保有授权的人员才能启动。
    2)禁用服务集标志(SSID)广播功能，减小恶意用户侵入AP的可能性。
    3)动态刷新密码提高密码的安全性，减少密码被破获的可能性。
    4)传往AP的远程管理数据需要通过加密的有线网络。
    5)使用先进的加密保护手段。

4 结束语
    文中以车地通信为背景，重点设计数据传输系统的组成，以及各组成部分的接入方式以及标准，主要考虑车地双向通信网的无线AP的布置、WLAN技术和OFDM技术以及网络安全问题。根据地铁环境下的传播模型，将系统中AP的间距设为300 m，WLAN技术采用IEEE802．11g，无线传输采用OFDM技术，从而满足网络需求。