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摘要：CBTC系统是基于无线通信的列车自动控制系统，它利用无线通信技术实现列车与地面的双向通信，用来替代传统的轨道电路作为媒介来实行列车运行控制。本文将探讨在不影响轨道CBTC系统安全运行的同时，是否能通过此系统同时互不干扰的传输其他信息。 关键词：轨道交通、移动闭塞、CBTC、IEEE802.11、车-地无线通信系统、WLAN。 引言 在城市轨道交通中，为保证列车运行安全，必须保证列车间以一定的安全间隔运行。早期，人们通常将线路划分为若干闭塞分区，以不同的信号表示该分区或前方分区是否被列车占用等状态，列车则根据信号显示运行。不论采取何种信号显示制式，列车间都必须有一定数量的空闲分区作为列车安全间隔。 移动闭塞技术则在对列车的安全间隔控制上更进了一步。通过车载设备和轨旁设备不间断的双向通信,控制中心可以根据列车实时的速度和位置动态计算列车的最大制动距离。列车的长度加上这一最大制动距离并在列车后方加上一定的防护距离，便组成了一个与列车同步移动的虚拟分区。由于保证了列车前后的安全距离，两个相邻的移动闭塞分区就能以很小的间隔同时前进，这使列车能以较高的速度和较小的间隔运行，从而提高运营效率。 早期的移动闭塞系统是通过在轨间布置感应环线来定位列车和实现车载计算机与车辆控制中心(之间的连续通信。现今,大多数先进的移动闭塞系统已采用无线通信系统实现各子系统间的通信，即基于通信的列车控制系统CBTC。 1、CBTC系统简介 CBTC（Communication Based Train Control），中文译名为基于通信的列车控制系统，现在正代表着世界城市轨道交通信号控制技术的发展方向和趋势，并成为我国城市轨道交通信号系统的主流制式。 CBTC系统采用独立于轨道的车-地双向通信设备，从而避免了钢轨传输带宽的限制和钢轨牵引回流的影响，与列车的精确定位技术相结合，实现移动闭塞的功能。车-地双向连续通信方式作为CBTC信号系统的关键技术之一，其稳定性和可靠性决定了信号系统的性能。 在采用无线天线构建网络时，列车通过安装在车顶的车载天线实时接收轨旁控制器单元、ATS等发送给无线AP的状态信息和控制命令，并将这些信息送至车载ATP/ATO系统进行处理运算，控制列车运行；同时车载ATP/ATO系统将列车的运行状况和定位信息等实时通过车载天线发送给无线AP，反馈给轨旁设备和ATS，以实现行车信息的实时更新。CBTC传输网络构成图见图1.1 图1.1 CBTC传输网络图 无线传输基于IEEE 802.11标准使用WLAN无线协议，工作在2.4GHz的工业、科学、医疗开放频段（ISM），使用直接序列扩展频谱技术（DSSS）传输信号，通过合作移交算法，保证系统的数据传输时间小于500ms，保证带宽为2M。考虑到不同的线路情况（隧道内、高架开放区段或弯道区段），AP分布间隔平均在250～400m。为了保证无线场强覆盖的完整性、通信质量和可靠性，从系统服务器、交换机到天线都采用了冗余配置。在频率覆盖方面相邻AP点之间设计为重叠覆盖，使得任何一个AP点的故障均不影响整个系统的正常运行，列车在各个AP之间采用了主动漫游和无缝切换。 2、轨道交通其他车-地通信系统 除了CBTC系统需要构建车-地之间的通信连接外，城市轨道交通还有多个系统存在类似的需求，详见表2.1现有车-地无线系统（为统一说明，本文规定列车至地面传输方向为上行方向，反之为下行方向）。 表2.1 现有车-地无线系统 由上表可以看出，城市轨道交通车-地无线通信具备以下特点： 1、 优先级、稳定性、实时性要求较高的需要占用带宽较小，主要用于传输文本信息； 2、 带宽需求较大的系统实时性要求较低，可以通过建立缓存服务器来实现减少对带宽占用； 3、 上下行带宽需求均比较大，均需要25M左右的较稳定带宽； 另外，列车运行速度比较快，越区切换的时间也较短，所以考虑在时速100KM左右的稳定带宽。 鉴于CBTC车-地传输网络的成熟应用，且信号系统使用带宽远远小于基于IEEE 802.11标准使用WLAN无线协议可以提供的带宽，所以可以考虑将上表所列系统的车-地传输部分合一使用，但需论证现有WLAN技术是否能够满足上述轨道交通车-地无线通信特点要求。 3、IEEE802.11n技术分析 2009年，802.11工作组经过不断的修订，在IEEE批准颁发了802.11n标准，其标准可以显著地增加802.11设备的吞吐量，详见表3.1 IEEE 802.11 b/a/g/n技术指标。 表3.1 IEEE 802.11 b/a/g/n技术指标 | | | | | | | | | | | | 5.150－5.350GHz 5.475－5.725GHz 5.725－5.850GHz | | 2.4－2.4835GHz 5.150－5.850GHz | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
MIMO：Multiple-Input Multiple-Output 多进多出 3.1 IEEE 802.11n核心技术简介 在单输入单输出的无线传输技术中，接收到的无线信号携带的信息容量是取决于接收信号的强度超过噪声强度的多少，也就是信噪比SNR（Signal-to-noise Ratio），SNR单位为DB，SNR越大，信号能够承载的信息就越多。IEEE 802.11n使用以下的技术来改进接收端的SNR。 1） MIMO-OFDM 多路径是无线传输中的一种现象，指多个物体对信号的反射，反射可能具有多重性，使信号偏离接收器。传统 IEEE 802.11a/b/g 无线电设备采用技术克服多路径的负面效果，但是IEEE 802.11n 则通过MIMO技术使用多路径现象改进通信性能，可以将高速码流拆分成多个低速码流，每个低速码流在相同的频点上分别由不同的天线同时发送。码流在接收端进行整合。 Ø MIMO多根天线同时收发，形成多个空间流，并行传送数据报文，极大地提升数据传输速率 Ø 空间流的数目取决于发射天线 Ø 802.11n支持最多4×4:4的信号传输 （发射天线数×接收天线数：空间流数） 2） 信道捆绑技术 IEEE 802.11n将两个相邻的20MHz带宽捆绑在一起组成一个40MHz通信带宽，在实际工作时，一个作为主通道也是公共通道，供所有站点使用，一个是辅助通道，供高吞吐量的站点使用，信道捆绑技术可以使带宽增加一倍。 3） MRC (Maximal Ratio Combining 最大合并比) IEEE 802.11n技术可以将副本信号与原信号组合在一起进行强化，使信号强度更高，增强了信噪比，从而提高传输速率。虽然传统客户端只有1根天线，但IEEE802.11n AP的多天线可以通过MRC技术提高信号强度、提高灵敏度，从而更容易接收到微弱信号，使得AP的覆盖范围、传输速率得到一定提高。 4） 帧聚合技术 IEEE 802.11n技术将要传送到同一个地方的封包结合，共同使用一个帧来传送，这样可以降低报文头的数量，提高有效载荷，充分提高数据传输效率。 5） 块确认技术 为保证数据传输的可靠性，IEEE 802.11协议规定每收到一个单播数据帧，都必须立即回应以ACK帧。而且可以通过使用一个ACK帧来完成对多个MAC协议数据单元的应答，以降低这种情况下的ACK帧的数量。 6） Short GI 由于多径效应的影响，信息将通过多条路径传递，可能会发生彼此碰撞，导致ISI干扰。为此，802.11a/g标准要求在发送信息符号时，必须保证在信息符号之间存在800 ns的时间间隔，这个间隔被称为Guard Interval (GI)。 802.11n仍然缺省使用800 ns GI。当多径效应不是很严重时，用户可以将该间隔配置为400，对于一条空间流，可以将吞吐提高近10%，即从65Mbps提高到72.2 Mbps。 4、技术论证 运用IEEE802.11n是否满足城市轨道交通车-地无线传输网络构建需要从传输带宽、工作频率范围、覆盖范围、越区切换、网络安全性、数据安全性、抗干扰能力等方面进行分项论证。 4.1 传输带宽 从本文第三部分简介中可以得出结论，在运用了MIMO等一系列关键技术后，IEEE802.11n技术可以在20M频段上提供≥60M带宽，能够满足上下行共50M的带宽需求。 4.2工作频率范围 在本文第三部分中我们可以看到，IEEE802.11n工作在2.4－2.4835GHz/5.150－5.850GHz，而国家无线电委员会准备为轨道交通使用的车地无线传输系统划拨5.9GHz作为专用频率，此段频率相对于2.4G来说纯净度较高，相关的无线产品设备使用量较少，干扰较小，IEEE802.11n的工作频段最接近5.9G，采用此种技术对现有产品的改动应该最小，研发投入也相应会减少，比较符合城市轨道交通车-地无线传输的要求。 4.3覆盖范围 IEEE 802.11n采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，可以动态调整波束，保证让用户接收到稳定的信号，并可以减少其它信号的干扰。与IEEE 802.11g相比，在同等环境下，801.11n的AP覆盖范围能够达到802.11g的两倍，这样有利于控制投资。而且MIMO技术的多天线特征，使得终端接收信号质量提升，尤其在一些较为复杂的环境下，多天线的绕射能力和对多信号的接收能力可以得到有效发挥。 4.4越区切换 列车在高速运行中，将频繁的在WLAN的蜂窝小区之间切换，如何保证越区切换时无线网络的稳定性和带宽可靠性成为了最重要的问题。如图4.1切换实例所示，可以通过一定的设置和算法使得IEEE802.11n网络实现稳定的切换。 图4.1 切换实例 Ø T0：检测到AP1信号，建立第一链路并作为主链路； Ø T1：检测到AP2信号，AP2强度低于AP1，与AP2建立从链路； Ø T2：检测到AP3信号，AP1强度高于AP3，与AP3建立从链路； Ø T3：Link Hold Time时间到期，自动切换到第二强度的AP2，AP3作为从链路保持连接； Ø T4：检测到AP3信号强度大于AP2，自动切换到AP3，AP2作为从链路； Ø T5：…… 4.5网络安全性 针对IEEE802.11标准系列的不完善之处，比如缺少对WLAN用户的身份认证等问题，中国在无线局域网国家标准GB15629.11-2003中提出了安全等级更高的WAPI（Wireless Local Area Network Authentication and Privacy Infrastructure 无线局域网鉴别与保密基础结构）安全机制来保证无线局域网的安全。特点为双向身份鉴别、数字证书身份凭证、192/224/256位的椭圆曲线签名算法和分组加密等。只需要在控制器（AC）上配置无线参数和安装数字证书，就能实现WAPI与IEEE 802.11n标准的混合组网。 4.6数据安全性 从前文可以看到， CBTC系统和无线调度系统需要较高而且可靠的安全性，在这一点上，我们可以通过MPLS（Multi-Protocol Label Switching多协议标签交换）将不同业务封装至不同VRF（VPN Routing and Forwarding VPN路由转发）中，不同VRF之间不能互访，可有效将多业务进行隔离，并通过QoS机制将不同业务进行优先级划分，对重点业务进行优先转发。 4.7抗干扰能力 在前文中可以看到，IEEE802.11n使用了多种技术来保证了接收端得到更高的信噪比（SNR），而越高的SNR就意味着越强的抗干扰能力，也意味着没有更多的干扰源会对通信传输造成影响。 5、 结论 综上所述，IEEE 802.11n技术在理论上是可以作为承载城市轨道交通车-地传输的支撑技术使用，但是距离实际应用还存在以下几个问题： Ø 国内厂家是否已经有成熟应用于轨道交通行业的5.9G产品； Ø 无实际测试或实验结果作为理论依托； Ø 800M数字无线集群无相关5.8G产品，是否可以采用VOIP的方式对数字无线集群进行替代； Ø 地铁隧道环境远远比地面空旷处复杂，而且列车车体作为移动的障碍物会对无线传播产生何种影响现无法计算； Ø 在隧道覆盖采用定向天线还是波导管覆盖效果更好需要实验。 参考文献 1、 （美）佩拉亚、斯泰西《下一代无线局域网802.11n的吞吐率、强健性和可靠性》.人民邮电出版社.2010 2、 《802.11n协议基础及网络部署》.中兴通讯股份有限公司.2013 3、 《网络之路第十三期-WLAN专题》.H3B测试中心.2010 4、 《城市轨道交通CBTC信号系统无线通信频段测试大纲》.中交协城市轨道交通专业委员会.2013
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发表于 2015-8-26 11:23:10