城市轨道交通DCS系统数据安全传输设计

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摘要

CBTC（Communication Based Train Control，基于通信的列车控制）系统利用连续、大容量的车地双向可靠数据通信来实现列车控制信息、列车状态信息的无线传输，是先进的列车自动控制系统。通过CBTC系统可以减小行车间隔，安全、高效、可靠地实现全方位、多功能的列车控制，而且即使在发生故障的情况下也可以采用备用模式安全运行，从而保证了行车安全，提高了铁路线路的利用率。DCS（Digital Communication System，数据通信系统）子系统实现车地之间双向、连续、高速、安全的信息交互，承载了直接关系到行车安全的重要数据信息，是CBTC系统的核心。

论文从CBTC系统和DCS系统的发展历程及系统构成入手，对DCS系统的轨旁有线骨干网络和车地无线通信网络两大模块进行了详细的阐述，对网络的组网方式、协议配置、功能以及设备的性能做了详细的描述。提出以采用TCP/IP协议的以太网为轨旁骨干网络、以WLAN（Wireless LAN，无线局域网）为车地无线通信网络的数据传输系统作为DCS子系统的解决方案。

论文对DCS系统可能受到的网络安全威胁从两方面进行了阐述，根据DCS系统的组网方式和协议结构，提出具有针对性的解决方案，并对与网络安全相关的频率规划和冗余设计做了简单说明。

关键词：DCS，轨旁骨干网络，车地通信网络，WLAN，安全传输，接入认证

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Abstract

The CBTC (Communication Based Train Control) system is an advanced train automatic control system which makes use of bi-directional, big-capacity digital communication between wayside and train, to transfer the information of the status of the train, as well as the controlling information. By using CBTC system, we can reduce the interval between trains achieving high round, multi-train control safely, efficient and reliably. Even in the case of failure, the standby mode may be used for safe operation. Thus, we ensure traffic safety so that improving the utilization of the railway line. The core part of CBTC is DCS (Digital Communication System) subsystem, which achieve two-way, continuous, high-speed, secure information exchange between vehicles and destinations, carring important data information relavant to traffic safety directly.

Starting from development process and system configuration of CBTC system and DCS system, I elaborated two modules including the wired sidings backbone network of DCS system and the wireless communication network between trains and destinations, the composition of the network, configuration requirements, function, and performance of the equipment. We propose a data transmission system, as a solution of DCS subsystem, adopting Ethernet based on TCP/IP protocol as terrestrial backbone network and WLAN (Wireless Local Area Net) as a wireless communication network.

In the article, network security threats that DCS system may suffer are described in two ways. According to networking and protocol structure of DCS systems, we propose targeted solutions, and give a brif introduction for frequency planning and redundant design relavant to network security.

KEYWORDS: DCS, Trackside backbone network, Train and terrestrial communications network, WLAN, Secure transmission, Access authentication

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目录

1. 绪论 (1)

1.1 选题背景及意义 (1)

1.2 基于通信的列车控制系统（CBTC） (1)

1.2.1 CBTC系统的出现 (1)

1.2.2 CBTC系统的结构 (2)

1.3 数据传输子系统（DCS） (4)

1.3.1 DCS子系统的组成 (4)

1.3.2 DCS子系统的发展 (6)

1.4 论文主要内容及章节安排 (6)

2. DCS系统网络 (8)

2.1 轨旁骨干网络 (8)

2.2 轨旁数据接入网络 (9)

2.3 车载数据通信网络 (10)

2.3.1 车载网络系统的组成 (10)

2.3.2 IEEE 802.11标准 (11)

2.3.3 无线设备 (11)

2.3.4 无线覆盖 (12)

2.3.5 越区切换 (12)

2.3.6 无线网络冗余 (12)

2.3.7 无线抗干扰 (13)

2.4 车地双向通信网络 (14)

2.5 DCS子系统对WLAN的要求 (16)

2.6 DCS子系统的性能 (17)

2.6.1 网络的整体性能 (17)

2.6.2 系统的基本要求 (18)

3. DCS子系统的安全传输设计 (20)

3.1 DCS子系统面临的安全威胁 (20)

3.1.1 轨旁骨干网络受到的安全威胁 (20)

3.1.2 车地通信网络系统受到的威胁 (21)

III

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3.2 DCS子系统数据安全 (22)

3.2.1 DCS子系统的协议结构 (22)

3.2.2 网络安全设计 (23)

3.3 数据安全传输设计方案 (24)

3.3.1 802.11安全 (24)

3.3.2 无线与有线结合点的安全——有线交换机端口接入认证 (25)

3.3.3 车载接入认证 (26)

3.3.4 无线通信安全加密 (26)

3.3.5 无线信号泄漏防护 (26)

3.4 冗余设计 (26)

3.4.1 BIM_P原理 (27)

3.4.2 有线冗余部分设计 (28)

3.4.3 无线部分可靠性 (28)

3.5 网络管理和维护 (29)

结论 (30)

致谢 (31)

参考文献 (32)

IV

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1. 绪论

1.1 选题背景及意义

CBTC系统已在城市轨道交通行业得到广泛运用，并成为未来列车运行控制系统发展的主流。在国外，对CBTC的研究起步较早，对该系统的理论研究已较为完善，在技术上也有多种了成熟的解决方案，而我国对于CBTC系统的研究还处于起步阶段，更多停留在可行性研究和论证评估阶段。

随着国内城市轨道交通事业的大力发展，为了研发我国自主的CBTC系统及相关设备，在国内学术界和研发单位开展了大量的研究，掀起了一股新的CBTC研究热潮。本文结合生产实际的需要，对城市轨道交通CBTC系统中的DCS子系统的性能进行阐述，提出富有针对性的改进方案。该DCS的轨旁骨干网络采用TCP/IP协议的以太网、车地通信网络采用WLAN（无线局域网），系统基于开放的业界标准：有线通信部分采用IEEE802.3标准，无线通信部分WLAN技术采用IEEE802.11g标准，最大程度地应用国内外成熟的理论研究成果。因此，研发拥有我国自主知识产权的DCS系统，乃至CBTC 系统对国家未来的发展具有重大的现实意义，对提高地铁运能、降低运输成本具有很高的实用价值。

1.2 基于通信的列车控制系统（CBTC）

1.2.1 CBTC系统的出现

在线路工程质量、列车运行性能都得到较大改善的前提下，优化列车运行控制系统已成为提高铁路运输能力的关键。传统的列车运行控制系统主要是基于轨道电路的列车控制（Track Circuit Based Train Control，TBTC）系统。该系统技术成熟，安全可靠，但因为系统是通过轨道电路来检测列车位置并向列车发送控制信息，而轨道电路存在性能和功能上的缺陷和限制，使得TBTC系统成为限制铁路运能的瓶颈，主要体现在[2]：（1）限制了列车位置检测的精度。列车位置检测的最小分辨率为轨道电路区段，任意一部分轨道电路被占用，整条轨道电路都将认为被占用。过长的区段设置会产生较大的行车间隔，直接导致运行效率下降，过短的区段设置需要更多轨道电路设备，增大投资。

（2）传输信息量有限。列车提速及行车间隔减小，需要更多考虑前方线路坡度、弯道情况、前车位置、速度等情况来确保行车安全，这使得列车信息需求量增大。若要

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实现ATP（列车超速防护）、ATO（列车自动驾驶）等功能，对信息量的要求将更大。轨道电路受工作原理和工作环境的限制，无法满足列车控制信息量增长的需要。

（3）轨道电路易受到天气、地理环境及电磁环境影响。道渣电阻变化、雨水、环境温度和列车分路不良等都会对轨道电路性能产生影响。

（4）轨道电路至今无法实现车对地的通信，列车相关信息无法有效传送给地面设备。

为改善轨道电路存在的上述弊端，国内外一直在做着努力，并提出了大量新型的控制理念和方法，如在列车与地面之间增加信道来实现列车到地面方向的通信。到80年代，借力于数字通信技术、无线通信技术、编码技术的迅速发展，发达国家相继出现使用无线车地通信的应用方案，如：美国的先进列车控制系统（Advanced Train Control System，ATCS）、欧洲列车控制系统（European Train Control System，ETCS）等等。这种列车运行控制系统被称为基于通信的列车控制系统（Communication Based Train Control，CBTC）。

为了规范CBTC的发展，IEEE于1999年制定了第一个CBTC系统相关标准IEEE Std 1474．1．1999（IEEE Standard for Communications-Based Train Control（CBTC）Performance and Functional Requirements）。

如今，CBTC系统已经成为城市轨道交通领域的主流。

1.2.2 CBTC系统的结构

CBTC系统是连续的自动列车控制系统，使用高精度列车定位，不再依赖轨道电路；使用连续、大容量的车地双向数据通信；车载设备和轨旁设备实现安全功能[6]。

城市轨道交通CBTC系统的主要构成部分有：中央控制设备（OCC）、中央数据库、轨旁控制器（ZC）、车载控制器（CC）、数据通信网络以及相关轨旁设备（如道岔、信号机等），CBTC系统框图如图1.1所示。

查询／应答器用于列车定位。应答器一般安装在轨枕上面。当列车通过应答器时，车载设备读取应答器中的相应信息，并使用该信息作为索引，在车载控制器数据库中查找相关信息。同时列车始终通过测距设备得到至最近通过的应答器的行驶距离，从而可在任意时刻获得准确的列车位置。

列车在行驶过程中，按照一定周期将自身位置和行驶速度等行车状态信息通过无线通信发送给当前位置所属的轨旁控制器。

轨旁控制器结合中央控制设备发出的行车指令、列车状态，通过通信网络向列车发

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送控制命令，同时控制轨旁设备进行相应动作，确保列车安全、高效的运行。

图1.1 CBTC系统框图

中央控制设备通过网络获得整个系统内各个设备的状态，包括列车行驶状态、列车当前位置、道岔状态、信号机状态和区段状态等。同时中央控制设备可以向轨旁控制器发出控制命令，执行例如单独安排进路、单独操作道岔、临时限速等操作。

中央控制器

图1.2 CBTC系统中信息流向图

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由此可见，CBTC系统的基本特点在于[9]：

（1）不再依赖轨道电路而实现列车的准确定位；

（2）通过连续的车地双向通信网络，大大增加了控制信息和车辆状态信息的信息量；

（3）地面设备和车载设备协同工作，提供强大可靠的列车安全防护。

在CBTC系统中，存在车载控制器-轨旁控制器、车载控制器-中央控制器等六种双向数据通信，CBTC系统的信息流如图1.2所示（图中实线表示有线/无线的物理连接、虚线表示信息流）。由此可见，在CBTC系统中，DCS子系统是数据通信的通道和载体，其有效性和可靠性直接影响整个CBTC系统的性能。

1.3 数据传输子系统（DCS）

1.3.1 DCS子系统的组成

安全可靠的车地双向数据通信是CBTC系统实现列车自动控制功能的根本。DCS 子系统是一个宽带通信系统，提供了CBTC系统内的三个主要列车控制子系统，包括中央控制设备（OCC），轨旁子系统（ZC）和车载子系统（CC）以及其他沿线地面设备之间双向、可靠、安全的数据交换。作为CBTC系统中完成传送列车状态及控制命令等重要信息的子系统，DCS在整个系统中发挥了重要的作用。

DCS子系统主要构成包括：轨旁数据接入网络、轨旁骨干网络、车地双向通信网络和车载数据通信网络。以上各子网将在后面章节做详细介绍，图l.3描述了DCS子系统的结构框图。

轨旁数据通信网络提供了各轨旁子系统（区域控制器、联锁控制系统等）和轨旁无线设备（轨旁无线接入点AP等）接入DCS的接口，提供的传输速率为100Mbit/s。接入交换机遵循IEEE 802.3u和802.3x协议，提供标准的10M/100M以太网接口。网络层和传输层采用UDP/IP协议。

轨旁骨干网络由传输模块和骨干交换模块构成，组网采用双环冗余拓扑结构。传输层面采用RPR（Resilient Packet Ring，弹性分组环技术）连接组网。RPR集中体现了IP 的智能化、以太网的经济性以及光纤环网的高带宽、可靠性，保证了服务的质量。接入交换机通过光接口接入骨干交换机。地面骨干网络是有线网络，用于连接参与数据通信的地面设备。车载无线设备通过连接在地面骨干网络上的无线网络地面接入点（AP）获得地面骨干网络的接入。

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图1.3 DCS子系统体系结构框图

车地双向通信网络由车载无线设备与轨旁无线接入点之间的无线链路组成，提供车地之间双向、可靠、实时、安全的数据交换。车载和轨旁以太网设备的无线接入分别由MR和AP提供。提供的传输速率为20Mbit/s。无线接口采用IEEE 802.11g技术，遵循

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IEEE 802.11i无线网络安全协议。

车载数据通信网络提供各车载子系统（自动列车防护、自动列车运行等）和车载设备（司机显示器TOD、I/O控制器MTORE等）以及车载无线设备之间的通信接口，提供的传输速率为100Mbit/s。车载交换机遵循IEEE 802.3u和802.3x协议，提供标准的10M/100M以太网接口。网络层和传输层采用UDP/IP协议。

虽然DCS子系统本身并不执行安全功能，但大量的安全相关信息通过DCS子系统传输，因此，除了要保证信息能够快速准确传输到目的地，DCS子系统还应当保证信息的安全可靠。

1.3.2 DCS子系统的发展

凡是根据CBTC系统的标准建立并能满足CBTC系统中列车状态信息和控制信息等传输要求的传输系统或者网络，都可以作为CBTC系统的DCS子系统的解决方案。自从上个世纪80年代开始出现CBTC系统，也出现了一系列各不相同的DCS子系统的实现方法。

在大铁路中使用的DCS的类型有：北美的ATCS（Advanced Train Control System，先进列车控制系统）、欧洲的ETCS（European Train Control System，欧洲列车控制系统）等。

随着城市轨道交通的发展，出现了以太网及TCP/IP协议为基础的新型DCS子系统，如法国阿尔卡特公司的列控系统。

1.4 论文主要内容及章节安排

CBTC作为先进的列车运行控制系统，已经在城市轨道交通中得到了广泛应用。DCS 作为CBTC系统的重要子系统之一，承担了传送列车状态及控制命令等重要信息的任务，是数据通信的通道和载体，所以必须保证数据交换及时、可靠、安全。因此，DCS 系统的安全性显得尤为重要。本文针对DCS系统存在的安全隐患，提出了相应的建议和改进办法。

本文结构如下：

第一章绪论。简单介绍了CBTC系统和DCS子系统的组成，并对其产生和发展过程进行了简单说明，论述了选题的背景及意义，并介绍了本文的结构。

第二章DCS系统网络。对DCS的四大网络：轨旁骨干网络、轨旁数据接入网络、车载数据通信网络和车地通信网络一一作了说明。并对DCS系统的性能和对WLAN的

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要求作了介绍。

第三章DCS子系统的安全传输设计。这是本文的重点。首先对轨旁和车地两大网络受到的安全威胁作了介绍，并根据DCS系统的协议结构提出了相应的安全传输设计方案。简单说明了系统的频率规划和冗余设计，以及网络的管理与维护。

第四章总结。在对文章进行总结的基础上，对改进后系统的预期结果做了说明，对在设计方案时未仔细考虑的环节，以及系统仍可能存在的问题做了说明。

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2. DCS系统网络

2.1 轨旁骨干网络

轨旁骨干网络由骨干交换模块和传输模块组成。采用双环冗余拓扑，结构如图 2.1所示：

图2.1 DCS子系统轨旁骨干网络

上图中，选择OCC（中央控制设备）和部分设备集中站，即X、Y、Z站作为设备汇聚节点，每个汇聚节点各部署2台骨干交换机作为汇聚节点的数据交换转发设备，每个骨干交换机通过传输模块和光缆连接组成带宽为2.5Gbps的环路。传输环采用RPR（弹性分组环技术）提供优秀的底层保护，因此完全可以依赖底层RPR的保护，实现业务的快速恢复和收敛（<50ms）。

RPR技术具有如下特点：

（1）高可靠性：由于在核心层采用RPR保护机制，一旦发生光纤断裂，链路可以在50ms内迅速进行切换，从而有效保障骨干层业务。

（2）业务品质保障：RPR具有很高的智能性，能够提供和目前IP网络完全一致的QoS保障机制，真正实现了端到端的数据业务品质保障。

（3）带宽效率高：RPR技术是近年来新兴的传输技术，通过空间复用，能够满足数据业务的动态性和突发性，具有很高的带宽使用率。并且，引入RPR技术后，该系统完全可以依靠RPR层的业务保护，而无需SDH层面的保护机制，大大节约了系统的宝贵带宽资源。

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（4）管理维护方便：RPR设备具备直接通过网管系统进行业务的端到端分配，带宽的自动预留，系统资源的自动发现等功能，将用户从日常烦琐的SDH维护工作中解放出来。

（5）高密度多业务平台，满足未来多种业务需求：传输模块可以提供L1的透明传输，L2/L3交换，以及存储网络的业务。

DCS子系统的轨旁骨干网络以有线方式连接了中央控制设备、中央数据库、轨旁控制器、无线网络地面接入点等设备，承担所有车地、轨旁通信的数据发送和转发工作。概括起来，轨旁骨干网络应该能够实现以下功能[1]：

（1）点到点信息转发功能。

（2）单点到多点信息转发功能。为实现某些管理控制功能，地面骨干网络还应支持组播/广播。

（3）无线数据通信系统接入功能。地面骨干网络与无线数据通信系统互联互通，能够通过无线数据通信系统收/发车地通信数据。

（4）通用连接功能。地面骨干网络应该为地面设备提供通用接口，即对于设备来说，传输介质是透明的。

（5）时钟同步功能。由于DCS子系统传输的都是列车实时状态信息和控制信息，具有很强的实时性要求。这就要求CBTC系统内所有设备具有同步的时钟。DCS子系统作为直接连接CBTC系统中绝大部分设备的网络系统，应为连接设备提供时钟同步服务。

2.2 轨旁数据接入网络

轨旁数据接入网络主要由轨旁接入交换机、轨旁无线接入点、天线、连接线缆、供电部分设备、保护箱等设备和组件组成。轨旁接入交换机通过冗余的以太网络与骨干交换机相连。轨旁数据接入网络如图2.2所示。

无线信道的电波传播特性与电波传播环境密切相关。需要根据无线信道的传播特性和电波传播方式建立恰当的传播模型，准确地对传播损耗做出预测。同时，无线信道与有线信道的不同，在于周围信源与信宿之间的物理环境对无线通信系统的性能有很大的影响。因而，在设计一个无线系统之前，需要对电磁波的覆盖和环境进行细致的规划和预测。在实际应用中，通过计算并结合工程勘测结果，同时考虑2倍AP间距覆盖距离的因素，通常情况下隧道内的AP分布间距为200米左右，弯道、高架、共线路段、线路交叉坡道路段等处AP间的分布间距小于200米。

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第N-1站

第N＋1站

图2.2 DCS子系统轨旁数据接入网络

2.3 车载数据通信网络

2.3.1 车载网络系统的组成

车载网络系统分别由车头驾驶室网络部分及车尾驾驶室网络部分组成。其中车头和车尾驾驶室网络部分分别由车载无线网络单元、车载天线、车载网络交换机和车载CBTC 系统设备组成。具体车载网络系统拓扑如图2.3所示。

图2.3 DCS子系统车载网络系统拓扑

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与轨旁天线的选择一样，为了克服隧道内部的多径发射问题及其他地铁环境中特殊问题，通常使用定向天线作为车载无线单元的外置天线。为了达到更好的接收效果，克服多径问题，为每一个车载无线单元配置2个定向天线。

2.3.2 IEEE 802.11标准

802.11g采用的调制方案是正交频分复用（OFDM）。IEEE 802.11g工作在2.4GHz 频段（2.4～2.4835GHz，向前兼容IEEE 802.11b）。OFDM技术把数据分配到大量的子载波上，这些子载波按照精确的频率隔开。这种间隔提供了技术上的“正交性”，能够避免解调时不同子载波之间的相互干扰。OFDM的优势在于较高的频谱效率，能够有效对抗射频干扰、频率选择性干扰，以及多径干扰。这种特性非常重要，因为在典型的陆地传播情况下，无线通信都有多径的情况（比如：被传输信号通过不同的路径到达接收器）。因为来自多个路径的信号相互干扰（码间干扰，ISI），需要设计复杂的均衡器来提取原始数据。另一方面，OFDM在多个窄带子载波中以近似平均的方式分配高速数据流。OFDM，当与信道编码（一种纠错编码技术）相结合，几乎总是产生近乎“白”的光谱（即具有平坦的频谱），对附近的其它信号源不会造成恶劣的电磁干扰。

特别针对802.11网络，IEEE 802.11e定义了一套服务加强品质。802.11e定义了不同种类数据的通信级别，高优先级数据（如：列车控制相关数据）相对低优先级数据具有更高机会被无线网络优先发送出去。

IEEE 802.11i是802.11标准安全部分的修正版，详细描述了无线网络的安全机制，提高安全等级。它采用新的编码核心协议：高级加密标准（AES），它是当前用于机密信息加密的标准。802.11i的加密性能、信息完整性检测和发送方校验功能是建立在以AES为基础的CCMP算法基础上。同时，解决了所有先前版本的严重安全缺陷。

2.3.3 无线设备

（1）轨旁AP的选择

对于车载MR和轨旁AP，均要求具有较小的传输延时和高可靠性。

WLAN网络工作在基础设施模式（Infrastructure），即所有列车和轨旁网络间的通信都通过AP进行。几个AP能连接在一起形成更大的网络，允许无线设备在其中漫游，定义为扩展服务集（ESS）。MR可以在所有设置为同一扩展服务集的基站之间漫游，当相邻基站覆盖区域彼此重叠时，可以实现无缝切换。

（2）轨旁天线的选择

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地铁环境大多为隧道环境，其多路径反射问题严重。针对地铁环境的特殊性，由于隧道环境多径发射问题严重，在这种环境下，全向天线势必带来更严重的多径发射问题，而定向天线具有较小的信号辐射角度，可以大大降低多径问题带来的影响。所以在这种环境下，通常情况下采用定向天线。

2.3.4 无线覆盖

在整个DCS子系统中，带宽瓶颈主要集中在车地双向传输系统，也就是车载MR 与轨旁AP之间的无线链路上。参考无线链路计算及以往工程经验和测试的结果，直线沿线大约每隔200米左右安装一个轨旁AP。同时，轨旁AP的具体位置还需要详尽的线路测量来确定。轨旁AP设置的总体原则是：车载MR在轨道上的任何一点都能至少检测到两个轨旁AP发送的信号。

2.3.5 越区切换

通常的无线局域网漫游过程，需要三个方面的处理开销：漫游主体决定切换→寻找合适的新AP→重新关联；如果实施了802.1X/EAP，快速重认证则将会话密钥送给新AP；有线网络对漫游主体的转发地址进行更新（如果是二层漫游，则更新MAC地址转发表；如果是三层漫游，则更新IP地址转发表）。

通常，802.11g的越区切换时间在500ms到2s之间（包括重新鉴权和其他以安全为目的额外开销），在切换期间，MR可能与AP失去连接（也就是说，通信中断）。这对于列车运行，特别是高速列车运行是不能接受的（按照最高时速120km/h估算，最坏情况下，列车在大约65米的运行范围内可能与路边失去联系）。因此，要达到快速切换的目的，必须对这种工作机制进行优化。项目选用的设备采用如下方式：MR在首次认证通过之后，通过自身收到的轨旁AP信号强弱等环境因素进行判断，与其他相邻的AP建立预连接，当行进中具备切换条件时，即马上断开当前连接，连接上新的轨旁AP。

经过这种机制优化，动态越区切换的时间可以保证在50ms以内，从而实现无缝切换。

2.3.6 无线网络冗余

任何轨旁AP故障都可能会导致系统性能下降，因为故障的修复可能需要等到夜间，并且这些故障将影响所有经过该区域的列车运行。为避免这些系统性能降级，在无线网络设计中考虑了充分的冗余：同一列车上的两个车载MR分别与两个独立的轨旁AP相

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关联，即分别与轨旁A、B网络相关联。

任何两个相邻轨旁AP的覆盖区域彼此交叠，以确保覆盖的连续性和无缝漫游。当一个AP发生故障时，可以由相邻的AP继续提供覆盖。

2.3.7 无线抗干扰

（1）同频干扰情况

轨道边的无线AP，需要工作在2.4GHz的某个频点上面，考虑到2.4GHz无线局域网的视距传输效应，以及系统传输容量／带宽的综合要求，采用如下方式来实现沿着铁轨的WLAN信号连续覆盖，避免同频干扰对系统的影响：

每个方向上的每个车站区间，都需要在每隔200米左右的距离部署一个AP；

采用高速2.4GHz标准——802.11g（2.4GHz频段不需要申请许可，技术最成熟，802.11g的OFDM调制方法具有更好的传输性能并且抗干扰性强）；

采用定向性好的方向性天线（提高传输性能，避免信号的无效泄漏）；为了避免AP 之间覆盖区域的过渡重叠，建议结合实际情况将AP发射功率设定在与其覆盖范围相对应的级别上，从而大大降低同频干扰的可能。即避免某一地点收到多于2个以上的无线信号覆盖。

（2）多径干扰情况

当传输信号在隧道内壁、车体及其它室内物体上进行反射时会产生多径效应。在这种情况下，传输信号并非通过单一的直接路径到达接收器，而是经过了多个不同路径。信号从发射器到接收器所经历的每条路径长度都不同，因此每个信号的延迟都有所不同。最终接收到的信号实际上是多次迭加而产生的信号，每个迭加信号都在不同时刻到达接收器，每个迭加信号的强度均不相同。这样接受到的信号就产生了畸变。在隧道环境中，由于隧道是一个封闭的室内环境，并且由于隧道材料的因素，所以发射的信号产生多径问题。针对多径反射带来的问题，我们设计采用以下的一些技术来克服多径干扰问题。

采用双天线减轻多径干扰：即为每一个车载无线单元配置了双天线，这样的方式在一定程度上可以有效消除多径干扰的问题。

使用OFDM技术减轻多径干扰：OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术，其具体意思为正交频率多路传输分割复用技术。这种技术将无线通信传输信号分割成了多个副载波进行传输，而每个副载波由于仅仅携带了很小一部分的数据负载，这样的话OFDM技术就能利用更长的符号周期，从而使通信传输信号更不容易受到多径

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传输的干扰或者其他外界的特殊干扰。当然，OFDM技术除了通过分割载波的方法来增强通信的抗干扰外，它还通过提高载波频谱利用率的方法来提高通信的稳定性。这种技术通过对多载波的调制改进，让各子载波相互正交，于是扩频调制后的频谱可以相互重叠，提高系统频率利用率。

（3）开放路段周围环境对CBTC系统的干扰

开放路段的障碍物、周围的企业或者家用WLAN设备都可能对地铁CBTC 2.4G WLAN系统产生干扰，下面具体分析可能存在的干扰。

对于开放路段的障碍物，主要产生干扰的原因是一些广告牌和灯箱会出现在CBTC 信号覆盖的第一菲涅尔区域内，从而大大降低信号的可用度。对于这类情况，需要仔细考虑天线安装高度问题，确保轨旁天线和车载天线的通信的第一菲涅尔区域内避免此类障碍物干扰。

同样在地面部分，采用小角度的定向天线，可以增强定向天线覆盖的主要区域的信号，而减弱来自旁瓣带来的干扰信号，增强载干比。这样就减少了周边WLAN系统对CBTC WLAN系统的干扰。

（4）电磁干扰的情况

针对地铁的需求特点，提出以IEEE802.11g无线网络标准为基础的无线解决方案。系统的工作频率为 2.4GHz。考虑到地铁的工作环境比较复杂，干扰源较多，采用如下方式以避免电磁干扰：在隧道及地面路段选择小角度定向高增益天线，天线前后比≥25dB。通过高指向性天线以解决对周边环境的电磁干扰；沿线的无线接入点安装于室外屏蔽箱体内，通过屏蔽箱体可以有效防止隧道内的高压动力电缆对无线设备可能造成的干扰；

列车司机驾驶室内的车载MR选择高增益定向天线，指向车头／车尾轨道沿线的无线接入点天线。

2.4 车地双向通信网络

实现车地双向可靠的数据通信是整个DCS系统的基础。图2.4是车地通信系统的模型。

DCS子系统的车地双向通信网络是沟通车载数据通信网络与轨旁数据通信网络的渠道，实现车地之间的双向通信。它采用IEEE 802.11g的无线局域网技术。IEEE 802.11g 是当前比较先进和成熟的WLAN标准，可提供数据通信更大的带宽和更强的抗干扰能力，在高速移动环境中可支持车地之间可靠、实时的双向移动通信。其安全由IEEE

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802.11i网络安全协议来保障，阻止未授权用户进入网络。除此之外，无线网络还支持IEEE 802.11e、802.11i等协议来实现高速、安全、可靠、实时的无线通信。

图2.4 车地通信系统模型

MR提供车载以太网设备的无线接入，采用空间分集技术，对于无线信道的衰落具有较强抵抗能力。AP提供轨旁以太网设备的无线接入。沿轨道线路每隔约200m设置一个AP。AP设置的总体原则是列车上的MR在轨道上的任何一点都能至少检测到两个AP发送的信号。任何两个相邻AP的覆盖区域彼此交叠（100%无线信号冗余），确保覆盖的连续性和无缝漫游。当一个AP发生故障时，可以由相邻的AP继续提供覆盖，从而消除了某个AP故障时可能出现的信号盲区。同一列车上的两个MR分别与两个独立的轨旁AP进行无线通信。

作为系统的基础，DCS子系统对各列车控制子系统是透明的，它提供了CBTC信号系统各单元之间通信的承载，列车控制子系统和设备之间使用UDP/IP协议，可直接进行相互通信；同时，DCS能够满足数据传输对于传输延时、丢包率的需求。单次报文有效传输时延平均值小于100ms，丢包率小于1%，在列车行进速度为120km/h内，动态切换时延能够保证在50ms以内。

DCS子系统采用专门技术确保高速的、安全的通信，它允许任何与之相连的设备之间互相通信。在DCS子系统的设计中，必须提供合理方式，来避免单个独立故障或多个相关故障对列车运行的影响（这些故障会造成列车停滞在线路上、需要人工救援等）。

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根据DCS系统对信号信息传送的高可靠性要求，整个DCS网络的设计均采用双网并行的设计思想，在物理和逻辑上，均保证双网的并行工作，实现最高的系统整体可靠性。

2.5 DCS子系统对WLAN的要求

根据CBTC相关标准（IEEE Std 1474.1.1999 CBTC Performance and Function Requirements），DCS子系统传输的是列车状态信息及移动授权信息，对于行车安全及行车效率至关重要。为保证整个系统的可靠、安全、有效，WLAN设备必须满足以下要求，亦即无线局域网设备的可用性要求：

（1）高速移动中能够保证传输速率满足系统需求。目前地铁或轻轨列车的运行最高速度在80~120km/h。在高速移动中，光线传输受到的多普勒效应、多径效应等的影响将加剧，导致实际传输速率下降，此时无线局域网设备必须能够保证一定的传输速率，以维持整个系统的正常运行。

（2）高速移动情况下，WLAN设备无线数据传输的丢包率不能影响系统的有效性。在以以太网作为轨旁骨干网络的DCS子系统中，列车控制相关信息在传输层以UDP报文方式传输，在应用层添加相应重发等机制，保证报文能够被接收。高速移动导致更高的丢包率和更多的重发。报文重发会降低系统传输效率，严重的丢包会使接收方一段时间内无法得到完整的信息，列车被迫紧急停车。

（3）越区切换时间不影响系统的可靠性。WLAN的地面接入点必须在轨道沿线形成一个有重叠的无缝覆盖器（如图2.5所示）保证车载无线设备MR在任何位置都能正常通信。列车移动时，MR从AP1的纯粹覆盖范围A进入到AP1与AP2重叠覆盖范围B，在进入AP2的纯粹覆盖范围C之前，MR必须进行切换，终止与AP1的关联，并与AP2建立关联。在该过程中，MR有一段时间处于无关联状态，不能进行无线通信，这段时间就是越区切换时间。越区切换时间应该越小越好，不能影响系统的可靠性。

图2.5 地面无线接入点的重叠覆盖示意图

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（4）WLAN设备的平均无故障时间必须满足CBTC系统对与无线通信系统的要求。为满足要求，可以使用冗余连接、热备份等方式提高整个系统的可靠性。但无线通信系统的平均无故障时间最终还将取决于系统中各个设备的平均无故障时间。

（5）设备的发射功率大小可调。在地铁、轻轨的具体施工中，可能遇到弯道、穿越居民聚居区等较为复杂的情况。一般情况下，AP信号覆盖范围可达上百米甚至几百米。设备本身发射功率可调，配合相应增益的天线，可以适合各种路线和地形，从而在全线范围内保证良好的覆盖和尽量少的切换次数和短的切换时间。图2.6描述了弯道处覆盖情况，图中弯道处AP2的覆盖范围明显小于AP1及AP3。

AP3

AP2

AP1

图2.6 地面无线接入点弯道覆盖示意图

（6）无线局域网设备能适应作业环境。由于轨旁设备可能暴露在露天环境下，要求设备本身具有一定的防水、防尘、防晒的能力，温度适应范围宽；车载无线设备还需具有防震的能力。

（7）能够对无线通信提供一定的安全通信保障。无线局域网的传输介质为开放空间，任何一个与CBTC系统中设备使用相同或兼容无线局域网协议的网络设备都可能接入CBTC系统的无线传输系统，对系统安全运行构成危害。无线局域网设备必须具备一定的接入控制能力或数据加密／认证能力，为整个系统的安全运行提供一定的保障。2.6 DCS子系统的性能

2.6.1 网络的整体性能

网络的整体性能主要体现以下几点[13]：

（1）开放性：系统的关键技术都基于标准的协议进行实现，从标准协议角度支撑各方设备互联互通的功能；

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