軌道交通車載無線通信終端設計與實現

于 健，姜 正，陳廣泰，杜海賓，曲長萍

（中國中車股份有限公司 中車大連機車研究所有限公司，大連 116021）

伴隨著我國經濟的持續增長，軌道交通行業得到了迅速發展，基于各種需求的軌道交通車輛及車載設備的種類和數量持續增加。這也使得軌道交道車輛與車載設備的保有量增加，相應的運用維護與運行監測變得異常艱難。同時，新興的智慧云交通、在線專家診斷和全壽命周期管理對軌道交通在線維護與監控、車地實時信息交互等服務提出了更高的要求。這些需求直接推動了車載無線通信技術的深入探索與相關設備的研發應用。

當前，國內外無線通信網絡技術快速發展，特別是5G 技術的研發成功與投入應用，使得多種新型無線通信設備應運而生。但是，軌道交通行業作為一個專業性強、較為封閉的業務領域，無線通信技術的應用還有待發展。文獻[1]基于通用無線分組業務（GPRS）的無線數據傳輸系統，利用GPRS 覆蓋范圍廣、低成本的優勢實現無線數據傳輸，但其較低通信速率已不能滿足運用需求；文獻[2]的無線傳輸設備具有多種無線傳輸方式，但其高昂的硬件與通信成本及復雜的布線工序，直接阻礙了其大規模推廣；文獻[3]介紹的WLAN 優化方法，暫未得到無線車地通信實踐驗證。

本文基于移動通信網絡、WLAN 和無線接入點（AP）的車載無線通信終端，設計了以高頻現場可編程邏輯門陣列（FPGA）搭載實時Linux 操作系統的核心控制器，結合通信控制技術，以滿足大數據下對于車地數據交互的多連接、穩定性和高效性的需求，為軌道交通運行監測、運用維護和整備檢修搭建了快捷便利的無線通道。

1 總體設計

該軌道交通車載無線通信終端主要由多模式無線車地交互模塊、WLAN 數據通信模塊、無線AP熱點接入模塊、主控模塊及對外接口組成，如圖1所示[3]。

圖1 車載無線通信終端組成

1.1 多模式無線車地交互模塊

該模塊用以實現軌道交通與地面的雙向實時交互。設計有5G[4]、4G 和3G 無線通信模式的3 種無線傳輸制式，以及自適應控制策略和手動配置控制策略2 種通信控制策略。

主控部分能夠根據當前所處環境的無線基站信號模式和強度狀態，選定與模塊內部預設的無線通信模式相匹配且信號強度最好的無線基站進行通信連接；當通信連接成功后，則按照預設的無線通信控制策略（自適應控制策略或手動配置控制策略）實現控制模塊跳轉至對應的無線通信模式，最終實現車地數據的無線傳輸交互。

多模式無線車地交互模塊可用于完成對軌道交通實時狀態數據，包括列車控制管理系統（TCMS）數據、列車運行監控記錄裝置（LKJ）數據、機車車載安全防護系統數據，以及軌道交通維護性消息信息、故障信息等的無線傳輸和本地轉存功能。同時，模塊能夠接收、轉儲地面系統主動發起的無線傳輸指令和數據，為車載設備的地面監測、軟件升級等提供通道，達到軌道交通與地面的雙向傳輸交互功能。

1.2 WLAN 數據通信模塊

該模塊能夠定時自動檢索周圍環境中的WLAN信號[5]，與預先配置在系統內部的WLAN 連接配置文件進行匹配比較，匹配成功后將自動進行WLAN連接，連接成功后即可同該WLAN 中的任何主機進行無線信息交互。模塊具有自學習功能，對于WLAN連接配置文件中不存在且連接成功的WLAN 信號，將自動追加到配置文件中以備下次檢索連接[6]。

WLAN 數據通信模塊可用于軌道交通非實時數據、消息事件、車載設備的運行維護記錄、日志文件等存儲量較大的數據的無線下載，以及軌道交通全壽命周期管理記錄文件、設備維護記錄文件等的無線上傳。

1.3 無線AP 熱點接入模塊

無線AP 熱點接入模塊能夠構建基于無線傳輸方式的WLAN，為其它設備或用戶提供無線熱點接入服務，提供同一WLAN 內的各個客戶端間的通信數據傳輸。該模塊作為無線通信服務器提供穩定的Wi-Fi 信號，具備向WLAN 內所有接入點提供基于動態主機配置協議（DHCP）的IP 自動分配服務。

該模塊能夠為其信號覆蓋范圍內的所有接入設備提供端到端的穩定數據交互通道[7]，為地面人員進行軌道交通車載設備快捷便利的整備檢修提供了新的方法。

此外，該模塊與多模式無線車地交互模塊結合使用，可以為任何接入該Wi-Fi 的局域網用戶提供穩定快速的公網訪問服務。

2 設計實現

本設計的實現主要包括3 個部分，分別是系統主控部分實現、多模式車地無線交互實現、局域網連接服務實現。

2.1 系統主控實現

系統主控部分主要實現整個裝置的系統維護、任務調度、資源管理、模式識別等功能，為整個軌道交通車載無線通信裝置提供快速穩定的運行平臺。

該部分采用基于Altera 系列FPGA 芯片作為主處理器，并搭載自剪裁Linux 多任務實時操作系統實現對多模式車地無線通信模塊、WLAN 數據通信模塊、無線AP 熱點接入模塊、對外接口的初始化、通信支撐和調度控制[8]。

2.2 多模式車地無線交互實現

多模式車地無線交互模塊經過系統主控初始化后，將分為自適應控制策略和手動配置控制策略兩個不同的實現方式。多模式車地無線交互流程，如圖2 所示。

圖2 多模式車地無線交互流程

2.2.1 自適應控制策略

自適應控制策略會從當前選定的無線基站，向無線通信模塊相匹配、網絡級別最高的無線通信模式跳轉，同時實時檢測當前信號狀態，若當前選擇的無線通信模式無法實現通信，則向次一級網絡無線通信模式跳轉，即按照向下模式跳轉，包括5G 模式向4G 模式跳轉、4G 模式向3G 模式跳轉、5G 模式向3G 模式跳轉。同時也可按照向上模式跳轉，包括從3G 模式向4G 模式、4G 模式向5G 模式、3G向5G 模式。一般情況下，具備較高級別網絡模式的基站均兼容低級網絡模式，因此優選使用向下模式跳轉。

2.2.2 手動配置控制策略

手動配置控制策略用以指定該模塊始終通過5G、4G 或3G 中的一種模式進行無線通信。模塊將自動識別用戶發送的手動配置參數，匹配對應的無線通信模式，最終實現控制無線通信方式跳轉至對應的無線通信模式。

2.3 WLAN 連接服務實現

WLAN 連接服務實現主要包括WLAN 無線數據通信，實現和無線AP 熱點的并行接入。下面分別給出2 種WLAN 連接和接入服務的具體實現流程。

2.3.1 WLAN 無線數據通信實現

WLAN 無線數據通信流程，如圖3 所示。依托WLAN 零資費、大寬帶、高速率、信號穩定的優勢，借助完善的應用層FTP、TCP/IP 等通信協議支撐，安全穩定地實現了機車運行產生的大容量防護記錄數據的無線轉儲功能、機車運用維護記錄信息及運行應用軟件的上傳下載功能。

圖3 WLAN 無線數據通信流程

2.3.2 AP 熱點接入服務實現

AP 熱點接入服務流程，如圖4 所示。具備特定AP 熱點連接功能的設備可憑借有效的用戶名和連接秘鑰成功接入無線AP 服務，通過AP 服務提供的無線通信信道訪問其它接入節點設備，實現設備間的數據交互功能。AP 熱點接入服務的應用為無法安裝布置WLAN 的大容量數據無線轉儲提供了有效的鏈路支撐。

3 結束語

圖4 AP 熱點接入服務流程

本設計將多種無線通信技術實際應用到軌道交通車載設備中，具有無線通信方式的自動切換和手動切換功能[9]，為軌道交通數據的多方式分類無線傳輸、軌道交通整備檢修維護、車地實時雙向交互搭建了重要的無線鏈接通道[10]。軌道交通車載無線通信終端可以連接或集成到其它車載設備，具有良好的可擴展性和應用前景，目前，已經在HXD2B 等軌道交通車輛使用，性能穩定，可為同類產品研發提供設計參考。