基于無線通信的城軌車-地雙向通信網絡研究分析

雷錫絨

（西安鐵路職業技術學院 電子信息系，副教授，陜西 西安 710014）

基于無線通信的城軌車-地雙向通信網絡研究分析

雷錫絨

（西安鐵路職業技術學院 電子信息系，副教授，陜西 西安 710014）

運用無線通信實現車-地數據傳輸的ATC才是真正意義上的移動閉塞。在城軌無線通信移動閉塞CBTC信號系統中，車載MR與軌旁AP之間的雙向無線傳輸鏈路傳輸的數據直接關系到行車安全。本文結合西安地鐵2號線，對車地雙向通信網絡采用的IEEE 802.11標準、無線設備及安裝、無線網絡冗余及越區切換、無線網絡安全措施進行分析。

無線通信移動閉塞；車地雙向通信網絡；IEEE 802.11；標準；冗余；安全

10.13572/j.cnki.tdyy.2015.01.016

運用無線通信實現車地數據傳輸的ATC才是真正意義上的移動閉塞〔1〕。西安地鐵2號線一期工程信號系統數據通信子系統的車地雙向通信網絡采用國際先進的無線局域網技術—IEEE 802.11標準，能夠實現高速移動環境中CBTC車地之間可靠、實時的雙向數據通信，達到列車安全監控的目的。

1 IEEE 802.11標準及應用

IEEE 802.11 g是當前比較先進和成熟的無線局域網（WLAN）標準，可提供數據通信更大的帶寬和更強的抗干擾能力，在高速移動環境中可以支持車地之間可靠、實時的雙向移動通信。

IEEE 802.11 g的最大原始數據率是54 Mbits/s，或大約24 Mbits/s有效網絡容量（去除802.11協議開銷等）。

802.11 g采用的調制方案是正交頻分復用（OFDM）技術。該技術把高速數據流以近似平均的方式分配到數十個相互正交的窄帶子載波上進行調制，這種頻率間隔技術上的“正交性”，能夠減少子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率〔2〕。另外，OFDM技術還通過增加循環前綴（CP）的方法來減少碼間干擾，能夠有效對抗多徑干擾，使系統對多徑衰落更具魯棒性；OFDM技術結合交織技術和前向糾錯編碼技術，來取得頻率分集，有效地應對頻率選擇性干擾；OFDM技術與信道編碼相結合，產生近乎“白”的光譜（即具有平坦的頻譜），對附近的其它信號源不會造成惡劣的電磁干擾。

IEEE 802.11 g工作在2.4 GHz頻段（2.4 GHz～2.483 5 GHz），該頻段技術最成熟，調制方法具有更好的傳輸性能并且抗干擾性強。使用這一頻段只需要遵守國家無線電管理委員會的頒發標準同時產品擁有無委會的核準證即可。這一頻段的頻率分配如圖1所示〔3〕。從頻率分配圖（見圖1）可知，只有1，6，11這3個信道是互不重疊的；其它信道使用的頻率相互重疊，會互相干擾。西安地鐵2#線信號系統一期工程占用2個互不重疊的信道，軌道A網絡使用第1信道，軌道B網絡使用第11信道，屬于同一網絡的AP使用同樣的頻率，采用同頻切換技術。

圖1 頻率分配圖

針對802.11網絡，IEEE 802.11 e定義了一套服務加強品質。即802.11 e定義了不同種類數據的通信級別，高優先級數據（如：列車控制相關數據）相對低優先級數據具有更高機會被無線網絡優先發送出去。

IEEE 802.11 i網絡安全協議來保障安全，阻止未授權用戶進入網絡。

2 無線設備及工程安裝

車載移動電臺MR和軌旁無線基站AP之間的無線鏈路構成車地雙向通信網絡。車載MR和軌旁AP均采用華為三康公司生產的系列無線通信設備。該設備為基礎的無線通信，具有較小的傳輸延時和高可靠性。

1）AP提供軌旁以太網設備的無線接入，AP沿軌道線路設置。地鐵隧道本身就是一個波導，地鐵內無線信號的傳播情況很難找到確切的理論公式來準確計算無線路徑損耗和覆蓋范圍。參考以往經驗和測試的結果，沿線大約每隔200 m安裝1個無線AP。無線AP設置的總體原則是列車上的MR在軌道上的任何一點都能至少檢測到2個AP發送的信號。為了避免AP之間覆蓋區域的過渡重疊，結合實際情況將AP發射功率設定在與其覆蓋范圍相對應的級別上，從而大大降低同頻干擾的可能。

AP采用八木天線（提高傳輸性能，避免信號的無效泄漏）定向安裝來取得更高的接收信噪比和更大的無線覆蓋。車輛段和停車線由于具有較大的彎度，為了達到全線覆蓋采用相對大些角度的定向天線。天線安裝方式為抱桿安裝，在隧道墻壁上先安裝一根短抱桿，然后用天線自帶的安裝夾將天線固定在抱桿。為避免干擾和出于其他考慮，AP天線與車載MR的天線高度相近。

AP（不包括外置天線）必須要放置在一個適應環境要求和防盜竊的密閉盒（符合IP 65級別的設備箱）中。AP還必須加裝防雷設施。

2）MR提供車載以太網設備的無線接入，每列列車安裝2臺MR，分別安裝在列車的車頭和車尾。所有車地之間的通信都是通過位于車頭和車尾的MR同時進行。由于車頭車尾相距較遠，它們的周圍的無線衰落是彼此獨立的，因此，通過MR的同時收發可以實現分集（空間分集技術），使得系統對于無線信道的衰落具有較強抵抗能力。

3 無線網絡冗余及越區切換

3.1 無線網絡冗余任何無線AP的故障都可能會導致系統性能下降，因為故障的修復可能需要等到夜間，并且這些故障將影響所有經過該區域的列車運行。為避免系統性能降級，需提供充分的冗余：

1）軌旁所有AP屬于2個網絡：軌道A網絡和軌道B網絡，這2個網絡互為冗余備份。同一列車上的2個車載MR分別與這2個獨立的軌旁網絡中的AP相關聯，車載MR在軌道上的任何一點都能至少檢測到2個軌旁AP發送的數據信號。如圖2所示〔3〕。

圖2 無線覆蓋示意圖

2）MR可在屬于同側網絡的AP間漫游。任何兩個相鄰AP的覆蓋區域彼此交疊，以確保覆蓋的連續性和無縫漫游。當一個AP發生故障時，可以由相鄰的AP繼續提供覆蓋。

3.2 越區切換由于車地雙向通信網絡傳輸的CBTC數據直接關系到行車安全，故要求列車即使在高速運行下，也要保持AP與MR之間的無線鏈路不能中斷。當MR從一個AP的覆蓋范圍移動到下一個AP的覆蓋范圍時，將發生切換。小區之間的無線切換操作是自動的，并且對于列車操作來說是透明的。

通常，802.11 g的越區切換時間在500 ms到2 s之間，在切換期間，MR可能與AP通信中斷。這對于列車運行是不能接受的。為達到零切換時間（避免切換過程中任何可能的數據丟失），采用華為三康公司開發的新越區切換技術，WLAN基于預測的切換技術（簡稱WHFT）。

WHFT算法與標準802.11 g切換算法的不同在于：WHFT允許MR在與舊AP（如APn）脫離前與新AP（如APn+1）建立連接，即在中斷前連接。再加上相鄰AP彼此重疊足夠的區域，就能夠實現零切換時間。也就是說，所有與切換有關的處理，在列車運行在相鄰AP重疊區域內都會完成，而重疊區域的大小應該按照列車全速運行來設計，確保切換過程中沒有任何數據丟失。

4 無線網絡安全分析

車地無線通信的開放性，容易遭受惡意用戶的攔截或襲擊。錯誤信息可能導致危險情況發生，危及列車運行安全，降低系統的可用性。

無線局域網的安全隱患可以通過相應手段來消除。下面列舉的網絡安全措施（遵循IEEE 802.11 i的標準），能夠創建并維護一個安全的802.11無線網絡。

1）確保AP的重新啟動，Reset功能只在必需的時候才被使用，并且只能由得到授權的人員來實施。重新啟動功能能夠允許個人規避網絡管理員事先設置在AP上的所有安全措施。

2）禁用服務集標志（SSID）廣播功能，這樣客戶端SSID必須與AP設置一樣才能接入網絡，減小惡意用戶侵入AP的可能性。

3）設置媒體接入子層（MAC）的允許接入用戶列表。

4）安裝2層或更高層交換機用于與AP的連接，而不采用集線器，減少惡意用戶通過連接上集線器而侵入網絡并監測網絡數據的可能性。

5）密鑰動態刷新，減少密碼被破獲的可能性。

6）傳往AP的遠程管理數據需要通過加密的有線網絡。使用SNMP v 3和SSL/TLS安全協議可以提供安全的鑒權和加密手段來保障基于網頁的AP配置安全性。

7）無線網絡部分需要設置入侵檢測系統（IDS）來監測可疑情況和非法侵入等行為并做出反應（向管理員發出警告等）。

8）使用先進的加密保護手段。采用CBC-MAC協議和先進加密協議CCMP/AES，使用128位AES密碼。

9）有線網絡與無線網絡的結合點采用基于802.1 x或者WPA 2+PSK的端口認證。

5 結束語

隨著通信技術的飛速發展，無線通信的可靠性、可用性大大提高，基于無線通信的列車運行控制（CBTC）系統是未來發展的趨勢。西安地鐵2#線一期工程信號系統中的車地雙向通信網絡采用國際先進的IEEE 802.11 g無線局域網技術來實現真正意義上的移動閉塞列車運行控制。目前該技術方案已實施運營兩年多。

〔1〕林瑜筠.城市軌道交通信號〔M〕.北京：中國鐵道出版社，2008 192

〔2〕曾小清等.基于通信的軌道交通運行控制〔M〕.上海：同濟大學出版社，2007.5：45

〔3〕美國聯合道岔與信號國際公司.西安地鐵2號線信號系統設計方案〔S〕，2007

U285.5

A

1006-8686（2015）0045-03

2013年陜西省教育科學“十二五”規劃課題（SGH13566）