無線以太網在列車運行自動控制中的應用

關鍵詞：列車運行自動控制; 基于通信的列車控制; IEEE802.11

0 引言

　　無線CBTC（Communication Based Train Control）是通過無線通信方式來確定列車位置，從而實現列車的運行控制。無線CBTC代表軌道交通信號系統的發展方向，系統的先進性在很大程度上依賴于數據通信和無線數據網絡技術。數據通信系統是無線CBTC系統的一個子系統，該系統為車—地數據傳輸提供網絡通信平臺，實現列車運行控制信息的安全、高效、可靠的數據傳輸。

　　無線CBTC相對于傳統的TBTC（Track Based Train Control）系統，其最大的技術優勢就在于通過無線通信技術，實現列車與軌旁設備實時、大容量的雙向通信，對列車實現連續控制。基于開放標準的無線以太網技術，成熟、先進、且商用成本低廉，用于車地移動通信具有明顯的優勢。無線以太網技術應用于列車運行自動控制系統中，對于城市軌道交通的網絡化運營，對節約軌道交通建設的投資、提高運輸效率、提高運營品質以及方便系統升級維護都具有重大意義。

1 無線CBTC數據通信系統

　　（1）數據通信網絡結構

　　無線CBTC的數據通信網絡由有線骨干網絡及無線移動網絡兩部分組成，網絡結構示意圖，如圖1所示。

圖1 數據通信網絡結構示意圖

　　數據通信網絡是CBTC系統各部分相互通信聯絡的數據傳輸平臺。整個數據通信系統有三個層次。

　　核心層：骨干網絡，該網絡是數據通信網絡系統的中樞，由冗余的光纖網實現，具有帶寬高、可靠性高的特點。中央控制系統、區域控制系統直接接入有線光纖骨干網。

　　中間層：軌旁網絡，該網絡實現骨干網與無線網絡系統的連接。通過接入骨干網的網絡交換機使網絡沿線路延伸，構成軌旁網絡。該網絡連接軌旁無線單元（WRU），從而實現無線接入點（AP）的接入。

　　移動層：無線網絡，該網絡實現車-地雙向移動通信，軌旁AP與移動列車的車載無線單元（OBRU）通過無線方式通信，建立起地面與移動列車通信的鏈路。無線鏈路的一端是AP，而另外一端則在列車上，并連接到車載無線單元（OBRU）。

　　數據通信網絡設備包括：光纖骨干網，AP，車載無線設備，聯鎖集中站和控制中心的交換機，路由器等。

　　（2）數據通信網絡功能

　　數據通信網絡的主要作用是在CBTC各個子系統之間傳輸ATC報文，子系統有靜態的和移動的。數據通信系統是一個單獨的網絡，對于報文傳送來說是完全透明的。ATC 系統的應用程序不需要知道數據通信網絡的工作情況。反之，數據通信網絡也不需要知道ATC 系統應用程序的工作情況。

　　數據通信網絡采用具有開放標準協議和接口的現成商用設備。整個網絡的有線部分采用IEEE802.3 的以太網標準，而網內的所有移動通信則采用了IEEE 802.11 的跳頻擴譜（FHSS）無線標準。數據通信采用UDP/IP 協議來傳輸ATC 報文，并通過IPSec 協議來保證網絡的保密性。

2 基于無線以太網的車—地數據通信網

　　（1）無線網絡技術

　　無線網絡遵循IEEE802.11 無線局域網標準。該標準是802.3 標準專門針對移動用戶的一個擴展。

　　物理層協議采用了802.11 中的無線跳頻擴譜技術。無線工作波段為2.4G或5G 赫茲ISM，但是經過簡單調整后也可以方便地用于其他頻段。跳頻技術提供了最強的無線網絡抗干擾能力。

　　介質層協議是專門為移動通信設計的標準MAC 適配協議。它采用了可選配RTS/CTS 的CSMA/CA 協議，以避免載波信號的沖突。更高層的協議與802.3 標準相同，與有線網實現無縫對接。

　　（2）軌旁無線單元

　　無線鏈路的一端連接著軌旁有線網的AP，而另外一端則在移動的列車上，并連接到車載無線單元（OBRU）。每個交換機的端口以及OBRU 都有一個鑒定網關。鑒定網關保證DCS 網絡的ATC 報文的鑒定。為實現無線網絡的冗余，每個WRU鏈，每端都分別與不同的網絡交換機連接，這就為WRU提供了一系列冗余的本地供應網絡。

　　軌旁網絡交換機與本地WRU 供應鏈連接。該鏈由光纖組成，考慮技術要求和系統成本，一般選用多模光纖。WRU 沿線路安裝，大約每250 米一個。實際距離要取決于詳細路由勘測所確定的地形、隧道結構、地方標準及天線類型等等。每個WRU 上的AP 無線裝置通過本地伺服鏈連接到以太網交換機。每個AP 無線裝置一般都有兩個定向天線，并分別面向線路的相反方向。

　　AP天線的布置要考慮軌道彎道的特殊傳播情況，以及長站間距離。天線安放，不論是隧道還是室外，都將根據線路測量期間實際測到的無線信號覆蓋范圍來安裝天線。通過這種方式就可以將影響信號傳播的諸如線路曲線、坡度和其它因素都考慮在內，而不會使無線的交叉覆蓋出現任何縫隙。

　　（3） 車載無線單元

　　列車的每端都裝備一個包含移動無線電臺（MR）的車載無線單元（OBRU）。為了實現軌旁與列車鏈路的冗余，這兩個OBRU 單元都與VOBC 連接。另外，為了提供信號接收的多樣性，每個MR 都連接到兩個車載天線。由于重疊覆蓋，所以任何時候每端的MR 都能搜索到至少兩個AP 信號。車載天線是定向的，以增強信號的強度，減少設備的數量。

3 網絡性能分析

　　（1）網絡容量

　　數據通信網絡中傳輸列車控制信息所需的數據通信容量，取決于運行列車的最大數量。我們進行測算，假設按多條線路的網絡化運營，最大通信流量按1000 列列車，一列列車所需數據流量需要20kb/s，那么系統容量大約需要20Mb/s。輔助系統的應用，例如屏蔽門控制，可能會增加大約5Mb/s 的雙向通信流量。其他額外應用，如骨干網上的計算機之間的通信，還需要增加另外5Mb/s。合計整個系統所需的數據流量30 Mb/s。骨干網絡若以最低100Mb/s 的速率工作，實際數據流量不及網絡帶寬的1/3。所以，以太網作為骨干網完全能夠滿足系統需要。

　　IEEE802.11 無線跳頻系統的傳輸速率可以運行在11Mb/s、22Mb/、54 Mb /s。作為最壞情況下的設計要求，每一個WRU 必須承載多達8 列列車的總共160kb/s 的數據流量。該無線吞吐量可以很容易地由單個無線鏈接提供。如果需要的話，富余的無線帶寬可用于支持其它應用，例如視頻和音頻信息，來提高運營服務品質。

　　（2）容錯與可用性

　　數據通信網絡中采用了冗余的機制以保證網絡的容錯和高可用性。

　　①骨干網容錯

　　數據通信網絡的骨干網采用了雙向自愈的環形拓撲結構，當單個設備故障時，不會導致與任何網絡設備的通信丟失。自愈協議能夠在一個節點出現故障后的很短時間內（300 ms—500ms），重新配置網絡，如圖2所示。在如此短時間內的既是通信丟失，也不會導致ATC 的服務中斷，報文會自動重發。在列車速度小于150km/h的情況下，任何原因造成的列車和控制中心之間小于3 秒的通信丟失，都不會影響ATC 的運行。

圖2 自愈環形網絡的拓撲結構

　　核心網絡設備的冗余，實現網絡的容錯。在控制中心，為了防止控制中心系統的通信中斷，將安裝兩個交換機。每個交換機可以連接到骨干環網的不同側。冗余的設備和到交換機的冗余連接，提高了系統的可用性。

　　②無線網容錯

　　列車的兩端都安裝有車載無線單元MR，在任何一端的無線單元失效或是到AP 的無線信號丟失時，都可以保持通信。相鄰WRU 的信號可以重疊覆蓋整個進路。這種重疊提供了軌旁無線信號的冗余，如果一個WRU 或者隔一個WRU 交替發生故障，也能確保連續的無線覆蓋。

　　冗余的AP 覆蓋，AP 沿線路以一定的間距布置，并確保即便是在每隔一個AP 有一個AP 失效的情況下仍然可以保證信號的完整覆蓋，如圖3所示。

圖3 AP的冗余覆蓋

　　（3）噪聲及干擾控制

　　在802.11 無線系統內，熱噪聲能量通常是遠遠低于規定的無線靈敏度的，因而很少會發生問題。另一方面，短時的窄帶干擾占用的是從幾K 赫茲到幾M 赫茲的帶寬，這可能會導致潛在的嚴重問題。窄帶干擾主要是由于假傳輸、帶寬共用或者來自機器及電力系統的電磁干擾而引起的。

　　在數據通信網絡中，特別進行了FHSS 調制以防止窄帶干擾。當應用了跳頻技術后，重新傳輸就會有更高的成功機會，因為它可以在一個完全不同的，也許是50M 赫茲或更高頻率上工作，從而避開了所有的干擾。這項技術非常有效，它能使多個用戶同時進入一個相同的頻段而互不干擾。跳頻為用戶提供了一種機制，使它們能通過虛擬的隨機移動帶寬來互相避讓。例如，2.4G 赫茲的ISM 頻帶總共有大約80M 赫茲的帶寬，可提供最多79 個跳頻通道，每個通道的帶寬為1M 赫茲。另外，也可以根據用戶需要進行跳序。正是由于開放的標準技術，數據通信網絡可以在列車周圍或接入點天線旁同時有藍牙設備及WiFi 系統運行的情況下，正常運行而不丟失數據包。

　　（4）系統擴展與升級

　　該網絡與任何以太網一樣，可以自由擴展。針對實際應用，網絡的擴展能力要主要受到一些特定性能要求的限制，例如延遲，以及故障時所需的的重新配置時間等。在100Mb/s 的傳輸速率下，具有30 個節點的環狀結構和具有100 個節點的串結構聯，仍然可以滿足對延遲的要求。這樣的網絡結構確保了即便是列車控制需要最大的網絡時也可以作到。

　　對于無線網絡，同樣可以通過增加更多的交換機，更多的AP 和MR，對既有網絡進行擴展。對于一條既有線路或者是一條新線路，可以通過增加AP 來實現無線覆蓋的擴展。這兩種情況下，網絡都可以自動進行調整。要對某個指定區域擴展無線覆蓋和提升吞吐量，可以聯合設置數個AP。根據802.11 標準，可以配置的正交跳頻序列可以實現這種功能性和擴展性。由于網絡標準的開放型和延續性，隨著技術的發展和設備的更新，網絡能夠方便進行升級。根據相同的802.x 協議標準所進行的網絡提升是無縫隙升級，確保系統應用的提升及投資的保護。

4 結束語

　　無線CBTC是軌道交通信號系統的發展方向。 基于IEEE802.11的無線以太網技術和基于802.3的以太網技術，作為開放的技術標準，其技術成熟、先進、且產品價格低廉，并已成功應用于列車運行自動控制系統中。本文討論分析表明，基于802.11的無線無線以太網的性能能夠滿足城市軌道交通信號系統應用及發展的需要，應用前景廣闊。

　　本文作者創新點：分析了基于開放標準（IEEE802.1）的無線以太網用于城市軌道交通信號系統的可用性;提出了一種基于無線以太網的CBTC車-地通信的無線網絡容錯方案。

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