无线以太网在列车运行自动控制中的应用

关键词：列车运行自动控制; 基于通信的列车控制; IEEE802.11

0 引言

　　无线CBTC（Communication Based Train Control）是通过无线通信方式来确定列车位置，从而实现列车的运行控制。无线CBTC代表轨道交通信号系统的发展方向，系统的先进性在很大程度上依赖于数据通信和无线数据网络技术。数据通信系统是无线CBTC系统的一个子系统，该系统为车—地数据传输提供网络通信平台，实现列车运行控制信息的安全、高效、可靠的数据传输。

　　无线CBTC相对于传统的TBTC（Track Based Train Control）系统，其最大的技术优势就在于通过无线通信技术，实现列车与轨旁设备实时、大容量的双向通信，对列车实现连续控制。基于开放标准的无线以太网技术，成熟、先进、且商用成本低廉，用于车地移动通信具有明显的优势。无线以太网技术应用于列车运行自动控制系统中，对于城市轨道交通的网络化运营，对节约轨道交通建设的投资、提高运输效率、提高运营品质以及方便系统升级维护都具有重大意义。

1 无线CBTC数据通信系统

　　（1）数据通信网络结构

　　无线CBTC的数据通信网络由有线骨干网络及无线移动网络两部分组成，网络结构示意图，如图1所示。

图1 数据通信网络结构示意图

　　数据通信网络是CBTC系统各部分相互通信联络的数据传输平台。整个数据通信系统有三个层次。

　　核心层：骨干网络，该网络是数据通信网络系统的中枢，由冗余的光纤网实现，具有带宽高、可靠性高的特点。中央控制系统、区域控制系统直接接入有线光纤骨干网。

　　中间层：轨旁网络，该网络实现骨干网与无线网络系统的连接。通过接入骨干网的网络交换机使网络沿线路延伸，构成轨旁网络。该网络连接轨旁无线单元（WRU），从而实现无线接入点（AP）的接入。

　　移动层：无线网络，该网络实现车-地双向移动通信，轨旁AP与移动列车的车载无线单元（OBRU）通过无线方式通信，建立起地面与移动列车通信的链路。无线链路的一端是AP，而另外一端则在列车上，并连接到车载无线单元（OBRU）。

　　数据通信网络设备包括：光纤骨干网，AP，车载无线设备，联锁集中站和控制中心的交换机，路由器等。

　　（2）数据通信网络功能

　　数据通信网络的主要作用是在CBTC各个子系统之间传输ATC报文，子系统有静态的和移动的。数据通信系统是一个单独的网络，对于报文传送来说是完全透明的。ATC 系统的应用程序不需要知道数据通信网络的工作情况。反之，数据通信网络也不需要知道ATC 系统应用程序的工作情况。

　　数据通信网络采用具有开放标准协议和接口的现成商用设备。整个网络的有线部分采用IEEE802.3 的以太网标准，而网内的所有移动通信则采用了IEEE 802.11 的跳频扩谱（FHSS）无线标准。数据通信采用UDP/IP 协议来传输ATC 报文，并通过IPSec 协议来保证网络的保密性。

2 基于无线以太网的车—地数据通信网

　　（1）无线网络技术

　　无线网络遵循IEEE802.11 无线局域网标准。该标准是802.3 标准专门针对移动用户的一个扩展。

　　物理层协议采用了802.11 中的无线跳频扩谱技术。无线工作波段为2.4G或5G 赫兹ISM，但是经过简单调整后也可以方便地用于其他频段。跳频技术提供了最强的无线网络抗干扰能力。

　　介质层协议是专门为移动通信设计的标准MAC 适配协议。它采用了可选配RTS/CTS 的CSMA/CA 协议，以避免载波信号的冲突。更高层的协议与802.3 标准相同，与有线网实现无缝对接。

　　（2）轨旁无线单元

　　无线链路的一端连接着轨旁有线网的AP，而另外一端则在移动的列车上，并连接到车载无线单元（OBRU）。每个交换机的端口以及OBRU 都有一个鉴定网关。鉴定网关保证DCS 网络的ATC 报文的鉴定。为实现无线网络的冗余，每个WRU链，每端都分别与不同的网络交换机连接，这就为WRU提供了一系列冗余的本地供应网络。

　　轨旁网络交换机与本地WRU 供应链连接。该链由光纤组成，考虑技术要求和系统成本，一般选用多模光纤。WRU 沿线路安装，大约每250 米一个。实际距离要取决于详细路由勘测所确定的地形、隧道结构、地方标准及天线类型等等。每个WRU 上的AP 无线装置通过本地伺服链连接到以太网交换机。每个AP 无线装置一般都有两个定向天线，并分别面向线路的相反方向。

　　AP天线的布置要考虑轨道弯道的特殊传播情况，以及长站间距离。天线安放，不论是隧道还是室外，都将根据线路测量期间实际测到的无线信号覆盖范围来安装天线。通过这种方式就可以将影响信号传播的诸如线路曲线、坡度和其它因素都考虑在内，而不会使无线的交叉覆盖出现任何缝隙。

　　（3） 车载无线单元

　　列车的每端都装备一个包含移动无线电台（MR）的车载无线单元（OBRU）。为了实现轨旁与列车链路的冗余，这两个OBRU 单元都与VOBC 连接。另外，为了提供信号接收的多样性，每个MR 都连接到两个车载天线。由于重叠覆盖，所以任何时候每端的MR 都能搜索到至少两个AP 信号。车载天线是定向的，以增强信号的强度，减少设备的数量。

3 网络性能分析

　　（1）网络容量

　　数据通信网络中传输列车控制信息所需的数据通信容量，取决于运行列车的最大数量。我们进行测算，假设按多条线路的网络化运营，最大通信流量按1000 列列车，一列列车所需数据流量需要20kb/s，那么系统容量大约需要20Mb/s。辅助系统的应用，例如屏蔽门控制，可能会增加大约5Mb/s 的双向通信流量。其他额外应用，如骨干网上的计算机之间的通信，还需要增加另外5Mb/s。合计整个系统所需的数据流量30 Mb/s。骨干网络若以最低100Mb/s 的速率工作，实际数据流量不及网络带宽的1/3。所以，以太网作为骨干网完全能够满足系统需要。

　　IEEE802.11 无线跳频系统的传输速率可以运行在11Mb/s、22Mb/、54 Mb /s。作为最坏情况下的设计要求，每一个WRU 必须承载多达8 列列车的总共160kb/s 的数据流量。该无线吞吐量可以很容易地由单个无线链接提供。如果需要的话，富余的无线带宽可用于支持其它应用，例如视频和音频信息，来提高运营服务品质。

　　（2）容错与可用性

　　数据通信网络中采用了冗余的机制以保证网络的容错和高可用性。

　　①骨干网容错

　　数据通信网络的骨干网采用了双向自愈的环形拓扑结构，当单个设备故障时，不会导致与任何网络设备的通信丢失。自愈协议能够在一个节点出现故障后的很短时间内（300 ms—500ms），重新配置网络，如图2所示。在如此短时间内的既是通信丢失，也不会导致ATC 的服务中断，报文会自动重发。在列车速度小于150km/h的情况下，任何原因造成的列车和控制中心之间小于3 秒的通信丢失，都不会影响ATC 的运行。

图2 自愈环形网络的拓扑结构

　　核心网络设备的冗余，实现网络的容错。在控制中心，为了防止控制中心系统的通信中断，将安装两个交换机。每个交换机可以连接到骨干环网的不同侧。冗余的设备和到交换机的冗余连接，提高了系统的可用性。

　　②无线网容错

　　列车的两端都安装有车载无线单元MR，在任何一端的无线单元失效或是到AP 的无线信号丢失时，都可以保持通信。相邻WRU 的信号可以重叠覆盖整个进路。这种重叠提供了轨旁无线信号的冗余，如果一个WRU 或者隔一个WRU 交替发生故障，也能确保连续的无线覆盖。

　　冗余的AP 覆盖，AP 沿线路以一定的间距布置，并确保即便是在每隔一个AP 有一个AP 失效的情况下仍然可以保证信号的完整覆盖，如图3所示。

图3 AP的冗余覆盖

　　（3）噪声及干扰控制

　　在802.11 无线系统内，热噪声能量通常是远远低于规定的无线灵敏度的，因而很少会发生问题。另一方面，短时的窄带干扰占用的是从几K 赫兹到几M 赫兹的带宽，这可能会导致潜在的严重问题。窄带干扰主要是由于假传输、带宽共用或者来自机器及电力系统的电磁干扰而引起的。

　　在数据通信网络中，特别进行了FHSS 调制以防止窄带干扰。当应用了跳频技术后，重新传输就会有更高的成功机会，因为它可以在一个完全不同的，也许是50M 赫兹或更高频率上工作，从而避开了所有的干扰。这项技术非常有效，它能使多个用户同时进入一个相同的频段而互不干扰。跳频为用户提供了一种机制，使它们能通过虚拟的随机移动带宽来互相避让。例如，2.4G 赫兹的ISM 频带总共有大约80M 赫兹的带宽，可提供最多79 个跳频通道，每个通道的带宽为1M 赫兹。另外，也可以根据用户需要进行跳序。正是由于开放的标准技术，数据通信网络可以在列车周围或接入点天线旁同时有蓝牙设备及WiFi 系统运行的情况下，正常运行而不丢失数据包。

　　（4）系统扩展与升级

　　该网络与任何以太网一样，可以自由扩展。针对实际应用，网络的扩展能力要主要受到一些特定性能要求的限制，例如延迟，以及故障时所需的的重新配置时间等。在100Mb/s 的传输速率下，具有30 个节点的环状结构和具有100 个节点的串结构联，仍然可以满足对延迟的要求。这样的网络结构确保了即便是列车控制需要最大的网络时也可以作到。

　　对于无线网络，同样可以通过增加更多的交换机，更多的AP 和MR，对既有网络进行扩展。对于一条既有线路或者是一条新线路，可以通过增加AP 来实现无线覆盖的扩展。这两种情况下，网络都可以自动进行调整。要对某个指定区域扩展无线覆盖和提升吞吐量，可以联合设置数个AP。根据802.11 标准，可以配置的正交跳频序列可以实现这种功能性和扩展性。由于网络标准的开放型和延续性，随着技术的发展和设备的更新，网络能够方便进行升级。根据相同的802.x 协议标准所进行的网络提升是无缝隙升级，确保系统应用的提升及投资的保护。

4 结束语

　　无线CBTC是轨道交通信号系统的发展方向。 基于IEEE802.11的无线以太网技术和基于802.3的以太网技术，作为开放的技术标准，其技术成熟、先进、且产品价格低廉，并已成功应用于列车运行自动控制系统中。本文讨论分析表明，基于802.11的无线无线以太网的性能能够满足城市轨道交通信号系统应用及发展的需要，应用前景广阔。

　　本文作者创新点：分析了基于开放标准（IEEE802.1）的无线以太网用于城市轨道交通信号系统的可用性;提出了一种基于无线以太网的CBTC车-地通信的无线网络容错方案。

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