摘 要：研究了無線CBTC系統(tǒng)中有線骨干網(wǎng)和無線移動網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)組成及實(shí)現(xiàn)技術(shù)，提出了一種無線以太網(wǎng)在列車運(yùn)行自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，并對該方案的系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析。 關(guān)鍵詞：列車運(yùn)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(shí)現(xiàn)列車的運(yùn)行控制。無線CBTC代表軌道交通信號系統(tǒng)的發(fā)展方向，系統(tǒng)的先進(jìn)性在很大程度上依賴于數(shù)據(jù)通信和無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是無線CBTC系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，該系統(tǒng)為車—地數(shù)據(jù)傳輸提供網(wǎng)絡(luò)通信平臺，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制信息的安全、高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。 　　無線CBTC相對于傳統(tǒng)的TBTC（Track Based Train Control）系統(tǒng)，其最大的技術(shù)優(yōu)勢就在于通過無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車與軌旁設(shè)備實(shí)時、大容量的雙向通信，對列車實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制。基于開放標(biāo)準(zhǔn)的無線以太網(wǎng)技術(shù)，成熟、先進(jìn)、且商用成本低廉，用于車地移動通信具有明顯的優(yōu)勢。無線以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于列車運(yùn)行自動控制系統(tǒng)中，對于城市軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營，對節(jié)約軌道交通建設(shè)的投資、提高運(yùn)輸效率、提高運(yùn)營品質(zhì)以及方便系統(tǒng)升級維護(hù)都具有重大意義。 1 無線CBTC數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 　　（1）數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 　　無線CBTC的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)由有線骨干網(wǎng)絡(luò)及無線移動網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。 [align=center] 圖1 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖[/align] 　　數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)是CBTC系統(tǒng)各部分相互通信聯(lián)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸平臺。整個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)有三個層次。 　　核心層：骨干網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的中樞，由冗余的光纖網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，具有帶寬高、可靠性高的特點(diǎn)。中央控制系統(tǒng)、區(qū)域控制系統(tǒng)直接接入有線光纖骨干網(wǎng)。 　　中間層：軌旁網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)骨干網(wǎng)與無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的連接。通過接入骨干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)使網(wǎng)絡(luò)沿線路延伸，構(gòu)成軌旁網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)連接軌旁無線單元（WRU），從而實(shí)現(xiàn)無線接入點(diǎn)（AP）的接入。 　　移動層：無線網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括：光纖骨干網(wǎng)，AP，車載無線設(shè)備，聯(lián)鎖集中站和控制中心的交換機(jī)，路由器等。 　?。?）數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)功能 　　數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的主要作用是在CBTC各個子系統(tǒng)之間傳輸ATC報文，子系統(tǒng)有靜態(tài)的和移動的。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是一個單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)，對于報文傳送來說是完全透明的。ATC 系統(tǒng)的應(yīng)用程序不需要知道數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的工作情況。反之，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)也不需要知道ATC 系統(tǒng)應(yīng)用程序的工作情況。 　　數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)采用具有開放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和接口的現(xiàn)成商用設(shè)備。整個網(wǎng)絡(luò)的有線部分采用IEEE802.3 的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，而網(wǎng)內(nèi)的所有移動通信則采用了IEEE 802.11 的跳頻擴(kuò)譜（FHSS）無線標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)通信采用UDP/IP 協(xié)議來傳輸ATC 報文，并通過IPSec 協(xié)議來保證網(wǎng)絡(luò)的保密性。 2 基于無線以太網(wǎng)的車—地數(shù)據(jù)通信網(wǎng) 　?。?）無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 　　無線網(wǎng)絡(luò)遵循IEEE802.11 無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是802.3 標(biāo)準(zhǔn)專門針對移動用戶的一個擴(kuò)展。 　　物理層協(xié)議采用了802.11 中的無線跳頻擴(kuò)譜技術(shù)。無線工作波段為2.4G或5G 赫茲ISM，但是經(jīng)過簡單調(diào)整后也可以方便地用于其他頻段。跳頻技術(shù)提供了最強(qiáng)的無線網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力。 　　介質(zhì)層協(xié)議是專門為移動通信設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)MAC 適配協(xié)議。它采用了可選配RTS/CTS 的CSMA/CA 協(xié)議，以避免載波信號的沖突。更高層的協(xié)議與802.3 標(biāo)準(zhǔn)相同，與有線網(wǎng)實(shí)現(xiàn)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(wǎng)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(jī)的端口以及OBRU 都有一個鑒定網(wǎng)關(guān)。鑒定網(wǎng)關(guān)保證DCS 網(wǎng)絡(luò)的ATC 報文的鑒定。為實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的冗余，每個WRU鏈，每端都分別與不同的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，這就為WRU提供了一系列冗余的本地供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。 　　軌旁網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與本地WRU 供應(yīng)鏈連接。該鏈由光纖組成，考慮技術(shù)要求和系統(tǒng)成本，一般選用多模光纖。WRU 沿線路安裝，大約每250 米一個。實(shí)際距離要取決于詳細(xì)路由勘測所確定的地形、隧道結(jié)構(gòu)、地方標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)交換機(jī)。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(jù)線路測量期間實(shí)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(nèi)，而不會使無線的交叉覆蓋出現(xiàn)任何縫隙。 　?。?） 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(shí)現(xiàn)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(qiáng)信號的強(qiáng)度，減少設(shè)備的數(shù)量。 3 網(wǎng)絡(luò)性能分析 　　（1）網(wǎng)絡(luò)容量 　　數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸列車控制信息所需的數(shù)據(jù)通信容量，取決于運(yùn)行列車的最大數(shù)量。我們進(jìn)行測算，假設(shè)按多條線路的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營，最大通信流量按1000 列列車，一列列車所需數(shù)據(jù)流量需要20kb/s，那么系統(tǒng)容量大約需要20Mb/s。輔助系統(tǒng)的應(yīng)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(yīng)用，如骨干網(wǎng)上的計算機(jī)之間的通信，還需要增加另外5Mb/s。合計整個系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)流量30 Mb/s。骨干網(wǎng)絡(luò)若以最低100Mb/s 的速率工作，實(shí)際數(shù)據(jù)流量不及網(wǎng)絡(luò)帶寬的1/3。所以，以太網(wǎng)作為骨干網(wǎng)完全能夠滿足系統(tǒng)需要。 　　IEEE802.11 無線跳頻系統(tǒng)的傳輸速率可以運(yùn)行在11Mb/s、22Mb/、54 Mb /s。作為最壞情況下的設(shè)計要求，每一個WRU 必須承載多達(dá)8 列列車的總共160kb/s 的數(shù)據(jù)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(yīng)用，例如視頻和音頻信息，來提高運(yùn)營服務(wù)品質(zhì)。 　?。?）容錯與可用性 　　數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中采用了冗余的機(jī)制以保證網(wǎng)絡(luò)的容錯和高可用性。 　?、俟歉删W(wǎng)容錯 　　數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)采用了雙向自愈的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)單個設(shè)備故障時，不會導(dǎo)致與任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信丟失。自愈協(xié)議能夠在一個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障后的很短時間內(nèi)（300 ms—500ms），重新配置網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。在如此短時間內(nèi)的既是通信丟失，也不會導(dǎo)致ATC 的服務(wù)中斷，報文會自動重發(fā)。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(yùn)行。 [align=center] 圖2 自愈環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[/align] 　　核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的冗余，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的容錯。在控制中心，為了防止控制中心系統(tǒng)的通信中斷，將安裝兩個交換機(jī)。每個交換機(jī)可以連接到骨干環(huán)網(wǎng)的不同側(cè)。冗余的設(shè)備和到交換機(jī)的冗余連接，提高了系統(tǒng)的可用性。 　　②無線網(wǎng)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(jìn)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(fā)生故障，也能確保連續(xù)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。 [align=center] 圖3 AP的冗余覆蓋[/align] 　?。?）噪聲及干擾控制 　　在802.11 無線系統(tǒng)內(nèi)，熱噪聲能量通常是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)定的無線靈敏度的，因而很少會發(fā)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(dǎo)致潛在的嚴(yán)重問題。窄帶干擾主要是由于假傳輸、帶寬共用或者來自機(jī)器及電力系統(tǒng)的電磁干擾而引起的。 　　在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中，特別進(jìn)行了FHSS 調(diào)制以防止窄帶干擾。當(dāng)應(yīng)用了跳頻技術(shù)后，重新傳輸就會有更高的成功機(jī)會，因?yàn)樗梢栽谝粋€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(xiàng)技術(shù)非常有效，它能使多個用戶同時進(jìn)入一個相同的頻段而互不干擾。跳頻為用戶提供了一種機(jī)制，使它們能通過虛擬的隨機(jī)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(jù)用戶需要進(jìn)行跳序。正是由于開放的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)可以在列車周圍或接入點(diǎn)天線旁同時有藍(lán)牙設(shè)備及WiFi 系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，正常運(yùn)行而不丟失數(shù)據(jù)包。 　?。?）系統(tǒng)擴(kuò)展與升級 　　該網(wǎng)絡(luò)與任何以太網(wǎng)一樣，可以自由擴(kuò)展。針對實(shí)際應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)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(jié)點(diǎn)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和具有100 個節(jié)點(diǎn)的串結(jié)構(gòu)聯(lián)，仍然可以滿足對延遲的要求。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確保了即便是列車控制需要最大的網(wǎng)絡(luò)時也可以作到。 　　對于無線網(wǎng)絡(luò)，同樣可以通過增加更多的交換機(jī)，更多的AP 和MR，對既有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)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(shí)現(xiàn)無線覆蓋的擴(kuò)展。這兩種情況下，網(wǎng)絡(luò)都可以自動進(jìn)行調(diào)整。要對某個指定區(qū)域擴(kuò)展無線覆蓋和提升吞吐量，可以聯(lián)合設(shè)置數(shù)個AP。根據(jù)802.11 標(biāo)準(zhǔn)，可以配置的正交跳頻序列可以實(shí)現(xiàn)這種功能性和擴(kuò)展性。由于網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的開放型和延續(xù)性，隨著技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備的更新，網(wǎng)絡(luò)能夠方便進(jìn)行升級。根據(jù)相同的802.x 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)所進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)提升是無縫隙升級，確保系統(tǒng)應(yīng)用的提升及投資的保護(hù)。 4 結(jié)束語 　　無線CBTC是軌道交通信號系統(tǒng)的發(fā)展方向。 基于IEEE802.11的無線以太網(wǎng)技術(shù)和基于802.3的以太網(wǎng)技術(shù)，作為開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其技術(shù)成熟、先進(jìn)、且產(chǎn)品價格低廉，并已成功應(yīng)用于列車運(yùn)行自動控制系統(tǒng)中。本文討論分析表明，基于802.11的無線無線以太網(wǎng)的性能能夠滿足城市軌道交通信號系統(tǒng)應(yīng)用及發(fā)展的需要，應(yīng)用前景廣闊。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：分析了基于開放標(biāo)準(zhǔn)（IEEE802.1）的無線以太網(wǎng)用于城市軌道交通信號系統(tǒng)的可用性;提出了一種基于無線以太網(wǎng)的CBTC車-地通信的無線網(wǎng)絡(luò)容錯方案。 參考文獻(xiàn): 　　[1] 鮑愛華,李開成. 基于IEEE802.11的CBTC數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)难芯縖J]. 微計算機(jī)信息, 2006, 3-3：37-39。 　　[2] 舒安潔, 李開成. 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