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地铁车地通信数据传输系统设计

发布日期:2019-05-30 15:06 来源:未知 点击:

  (TWC)系统为核心,完成其中数据通信(DCS)子系统的设计,特别是用于轨旁设备和车载设备间信息传输的车地(WLAN)标准的选择等因素,并经过比较选出适用于DCS系统的WLAN标准。最后对该系统的网络安全进行分析,并说明所选的解决方法,使系统的可用性大大提高。

  车地数据传输系统(DCS)是实现移动闭塞的重要。它采用式架构,以实现车载设备和地面设备之间双向、可靠、安全的数据交换。在此主要是通过对基于无线通信车地通信网络的分析,设计车地数据传输信系统,对其结构进行设计,包括对无线接入点(Access Point,AP)的布置间隔的讨论、对WLAN所使用的标准的选择等。通过对信号模型和系统安全的分析,使系统的可靠性、有效性、安全性达到网络的要求。

  整个TWC系统由非安全逻辑仿真(NVLE)、轨旁TWC和车载TWC组成。轨旁TWC包括电源板、轨旁串行通信控制板(SCC)、轨旁TWC接收发送(Px/Tx)板、轨旁TWC耦合单元(CU)和轨旁TWC环线。轨旁TWC安装在车站和折返线内。车载TWC包括电源板、车载串行通信控制板(SCC)、车载

  TWC系统是在整个ATC信号系统中,实现车载设备与轨旁设备之间数据信息的非安全通信子系统。它的功能一是保持大部分信息在轨旁TWC和车载TWC之间的通信过程中不变,二是支持列车在ATO程序停车过程中准确定位。

  WLAN(Wireless Local Area Network,WLAN),无线局域网,是指以无线信道作为传输介质的计算机局域网,它是相当便利的数据传输系统,利用射频(RF)技术,取代双绞铜线所构成的局域网络,使得局域网络能利用简单的存取架构让用户透过它达到“信息随身化,便利走天下”的理想境界。

  无线局域网由无线网卡、无线接入点(AP)、计算机和有关设备组成,采用单元结构,将整个系统分成许多单元,每个单元称为一个基本服务组(BSS),BSS的组成有以下3种方式:1)集中控制方式,每个单元由一个中心站控制,网中的终端在该中心站的控制下与其他终端通信。尽管BSS区域较大,但其所建中心站的费用较昂贵;2)分布对等式,BSS中任意两个终端可直接通信,无需中心站转接。尽管BSS区域较小,但这种方式的结构简单,使用方便;3)集中控制式与对等式相结合的方式。无线所示。

  无线局域网是相当方便的数据传输系统,它取代双绞铜线作为局域网新的物理连接方式,具有以下几大特点:具有高移动性、抗干扰性强、安全性能强、高吞吐量、扩展能力强、建网容易,管理方便、开发运营成本低、受自然、地形及灾害影响较小。

  DCS系统由轨旁数据通信网络、车载双向通信网络和车载数据通信网络构成。轨旁数据通信网络由轨旁网、接入交换机和轨旁设备3部分组成。DCS的整体结构如图3所示。

  轨旁数据通信网使用IEEE802.3以太网标准,轨旁设备以以太网电缆的形式接入到接入交换机中,接入交换机采用多模光纤的方式接入网,组成接入网。轨旁数据通信网通过轨旁无线接入点(AP)和列车进行双向通信。网是冗余的高速单模光纤以太网,它由100Mbps或1 Gbps的第2层网络交换机构成。网采用了双向自愈的环形拓扑结构。

  网络必须具备的主要特性有:传输延迟小、传输带宽大、便于管理、具有抗毁/自恢复能力、能适应工业控制。为使地面网络具有抗毁/自恢复能力,应在连接交换机的链上进行冗余连接,从而形成冗余的自恢复环形结构。当某条线发生故障时,其备份线自动由备份状态转换到工作状态,从而通信的继续进行。除了交换机之间的线,其他所有连接到交换机上的设备,都应当采用冗余连接,以提高整个DCS子系统的可靠性;除交换机之间的连接使用光纤,其他连接到交换机上的设备可根据需要使用双绞线 车地双向通信系统

  车地无线通信系统主要由二部分组成:轨旁无线接入点(AP)、空间无线通道。轨旁无线接入点AP通过接入交换机接入到轨旁接入网中,轨旁接入网连接在网上,而AP的另一端通过天线组的辐射,以空间波为介质,与列车车载通信单元进行通信。由于车一地无线网络传输的是列车、速度、方向及运行命令等重要信息,因此对传输的实时性、丢包率等都有严格要求。

  为防止无线单元故障致使系统受到影响,如图4所示,轨旁AP应包括一个(或两个)完全冗余的无线单元协同工作,即轨旁无线覆盖是完全的双层覆盖。轨旁AP应跟据本地拓扑条件与一组或两组含2~4个天线的天线组连接。每个AP通过光纤以太网UDP/IP层,分别连接到相应的接入交换机。每个接入交换机直接与其所属的交换机连接,从而接入到网。

  AP的覆盖区应没有缝隙甚至冗余,又不能太多,因此,根据IEEE802.11g标准的物理层参数,结合ISM 2.4 GHz频段的信号模型,进行AP间距的设计。当车地间距是300 m,传输速率是18 Mbit/s时不同传输速率的列车接收信号电平低于灵敏度的概率都大于99%。因此AP布置间距应设计为300 m,此距离对包丢失率的标准也完全符合。

  空间无线通道主要由标准的无线局域网组成,遵循IEEE802.11g无线局域网标准。该区域由铺设在轨旁的无线接入点AP的辐射区域组成,以轨道为中心呈带状分布在轨道沿线g标准以其大信道容量、高吞吐量、高传输速率和强抗干扰能力,成为系统的首选标准。无线信息的传输采用OFDM技术,OFDM技术由于频谱利用率高,抗多径干扰和频率选择性衰落能力强,所以在ATC系统中受到广泛的应用。

  铁列车自动控制系统的信号发送设备输出的二进制串行数据,经过信道编码、数字调制、串/并变换形成频域信号并进行傅立叶反变换,插入间隔,再进行D/A转换,以射频的形式发送到信道中。铁列车自动控制系统的接收端是发送过程的逆过程。

  同样为了缩短故障恢复时间,每列车上的无线系统包括两个完全冗余的车载通信单元,它们是轨旁AP的通信客户端(从AP传来的信号由它们接收),分别安装在靠近车头和车尾的车载设备机架内。车载通信单元包括两个冗余的无线单元,它们之间协同工作。每个无线单元都与两个一组的车载天线相连。

  每个车载通信单元都有自己固定的IP地址,每个列车单元就像一个普通的由器直接连接在轨旁网络上。各个设备通过唯一的IP地址(源/目的地标识)解析来接收和发送信息,冗余的设备也是一样,都具有自己独特的IP地址。

  使用先进的加密算法数据安全,采用数据发送方校验、数据过滤和数据完整性检验等安全措施以减少危害,不仅确保信息安全传输,而且接入,使系统满足CENELEC501592的安全标准。措施如下:

  1)AP(不包括外置天线),放置在适应和防盗窃的密闭盒中,确保有授权的人员才能启动。2)禁用服务集标志(SSID)功能,减小恶意用户侵入AP的可能性。

  文中以车地通信为背景,重点设计数据传输系统的组成,以及各组成部分的接入方式以及标准,主要考虑车地双向通信网的无线AP的布置、WLAN技术和OFDM技术以及网络安全问题。根据地铁下的模型,将系统中AP的间距设为300 m,WLAN技术采用IEEE802.11g,无线传输采用OFDM技术,从而满足网络需求。

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