CBTC数据传输子系统.docx

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CBTC数据传输子系统

CBTC

数据传输子系统

6.1简介Introduction

为本项目提供的连续式通信系统WLAN（WiFi）需要为TGMTATC系统和PIS乘客向导系统同时提供车地传输的服务。

本章节将阐述用于本项目的RailcomTC系统的基本构成、软硬件配置及功能。

6.1.1平台方法PlatformApproach

RailcomTC通信平台使得多个铁路应用能够通过标准互联协议（IP）的寻址机制在分布式轨旁设备、中心设备和车载设备之间进行通信。

图6-1RailcomTC通信平台

RailcomTC是一个功能强大的软件和硬件平台，能够支持各种应用以及并行使用不同的通信技术。

它的研发目标使得“非铁路标准”的通信技术如各种WLAN（WiFi）可以应用在地铁系统。

而且如果可能，WLAN技术还可应用在非ISM频带。

要给多个应用提供必要的带宽，通常一个无线链接是不够的。

RailcomTC能够利用多个无线链接的累积带宽。

有效带宽通过无线信号的覆盖，以及集成无线信号的数量和类型得到了扩展。

业主必须确保本工程其它专业不会使用该无线频带。

RailcomTC是一个能够适应包括开放的干线运输以及隧道内高度自动化的地铁系统等恶劣通信环境的铁路通信产品。

该产品通过特殊的高度冗余的系统拓扑结构，以及专门的漫游、路由、数据流智能算法来实现目标。

这些算法为速度高达160公里/小时的列车提供了无缝宽带通信。

为了满足在数据安全、延迟时间、传输模式、无缝性、可靠性和可用性方面的各种不同的通信需求，应用数据通过一个非常灵活的平台软件进行处理。

对ATC列控数据就使用了特殊优先级和带宽预留。

平台提供了完全透明的基于IP的通信，无需考虑具体采用的传输技术和应用对象的类型及数量。

事实上，静态用户和移动用户可以就象使用普通的IEEE802.3以太网交换机一样利用这个通信平台。

应用本身不用考虑通信系统的内部系统结构以及其通信对象有可能是移动的物体，例如沿线运行的列车可以用一个IP地址随时定位到。

图6-2通信系统

6.1.2系统组成Configuration

为本项目配置的通信平台有以下特点：

●符合WLAN802.11b标准（DSSS）的WiFi技术

●基于冗余通道和无线的双向列控数据通信；

●有效带宽为8Mbps的PIS数据双向通信；

●为将来应用提供额外4Mbps有效带宽的可升级能力；

●为TGMT数据设置了冗余、优先级以及带宽预留；

●冗余的轨旁和车载结构；

所供无线系统同时支持TGMT的数据传输和PIS的数据传输。

它以冗余方式占用两个没有重叠的ISM频段专供TGMT数据使用，而用另外其他频段用于PIS数据的传输，这样就避免了应用间的干扰问题。

该方案的优点在于高度集成化，这样应用之间就不存在干扰性问题了。

下图给出了系统网络设计原理图：

图6-3网络设计原理

系统包括在集庆门大街站的骨干交换机和通信服务器，分别连接轨旁TrainguardMT设备和轨旁PIS设备。

机柜连接多重光纤环网，此环网连接轨旁所需接入点并建立与列车的无线连接。

在每列车上，两个列车单元（TU）链接轨旁Trainguard信号设备和PIS设备。

6.1.2.1工作原理WorkingPrinciple

RailcomTC工作状态类似一个普通的路由器。

Trainguard和PIS的应用通过以太网接口和TCP/IP协议发送和接受信息，这些应用本身无需知道列车正在运行。

列控信息和PIS等应用通过集庆门大街站的无线通信服务器与DCS通信系统接口。

无线通信服务器通过内部动态数据库重新打包数据并增加相关路由信息。

无线通信服务器通过交换机向环网骨干网转发数据包。

对Trainguard数据来讲，所有环网是冗余的。

每个环网同轨旁一系列接入点（AP）接口。

环网拓朴结构同简单星型结构相比具有易于管理和节约光纤的特点，同时提供高可用度。

接入点分布在轨旁，大约每两个AP相距350米。

如果在某些区域隧道中有多股轨道，或在高架开放空间环境下，一个AP可覆盖双轨。

AP使用定向天线，实际AP场强覆盖轨道的范围大约是两个AP之间距离的两倍。

这样我们就提供了冗余’双覆盖’无线区域。

这样设计的好处是如果轨旁的第二个AP出现故障并不会影响列车运行。

每个接入点连接两对YAGI天线，每对天线各指向上行或下行方向，用一对天线是为了信号分集。

接入点（AP）提供到车的无线链路。

车上有头尾两个互为冗余的车载单元（TU），每个TU包含两个无线网卡以增加带宽。

车载单元（TU）的两个无线网卡共用一对YAGI天线指向列车的相关方向。

车载单元接收轨旁发送的数据重新打包，提供给相关车载实际应用（TrainguardMT或车载PIS）。

车-地数据传输与此类似，只是过程相反而已。

6.1.2.2接口Interface

轨旁PIS应用接口通过以太网IEEE802.3i/u/ab/z标准（10Base-T，100Base-TX/FX，或1000Base-T/SX）连接，该连接是通过铜质或光纤连接器实现的。

车载PIS应用接口通过以太网EthernetIEEE802.3i/u标准连接，该连接是通过无线单元的SUB-D9连接器实现的，使用RJ45标准。

PIS可与任何一个列车单元（TU）相连。

列车单元（TU），AP和通信服务器有防火墙功能。

PIS接口基于标准TCP/IP和UDP，TrainguardMT信号接口使用UDP。

6.1.3初步无线覆盖设计PreliminaryCoveragePlan

通过对正线上无线信号覆盖的初步设计计算得出初步结果如下表所示。

最终的设计结果还会根据现场实际条件修改。

在特定的地方可能会设置更多的接入点，以便在所有的轨道和隧道区间产生所需的信号强度，另外还需在车辆段/停车场转换轨和停车列检库、试车线以及培训设施等地方设置接入点。

下列数据和信号的覆盖相关，由于实际的覆盖是冗余的，使用不同的频率实现覆盖区域的分隔。

6.2系统结构SystemArchitecture

6.2.1硬件架构HardwareArchitecture

通信系统由分布在轨旁和车载的部件组成。

图6-4通信系统的车载和轨旁部件

在集庆门大街站设置一套冗余通信服务器，在那里提供应用的通信接入。

与TGMT的接口是冗余的以提高系统可用性，与PIS接口为单套。

这些应用通过标准以太网互联协议IP连接到通信服务器。

服务器与主干网络的连接包括交换机和光纤。

TGMT的网络是冗余的，以满足严格的可用性要求。

该网络同时提供给所有的应用使用，出于安全原因本网络是独立于其它网络。

网络的设计将参照现场条件和线路结构。

由于ATC的安全性功能，要求对两个互为冗余的ATS网络进行连接；而PIS系统可以直接在集庆门大街站同通信平台的PIS无线服务器接口。

接口通过PIS无线服务器侧的标准RJ45连接器以标准的以太网TCP/IP协议实现。

在列车上，PIS系统可以和通信平台的前方驾驶室的本地车载单元或车尾部驾驶室内的远程车载单元接口。

同样，接口通过相应车载单元侧的标准RJ45连接器以标准的以太网TCP/IP协议实现。

设备的数量，包括网络环线的数量和具体的网络拓扑结构是取决于多个参数的，特别是现场的具体条件、，业主的需求。

因此，具体的网络设计将在设计联络会期间共同确定。

主干网络连接了一定数量的分布于沿线为列车提供无线通信的接入点（AP）。

每个AP采用了四个高增益的天线，以天线分集覆盖隧道内两个方向上的一定区域，从而提高了通信的健壮性。

每个AP还包括多个无线单元，根据带宽要求和传输可靠性要求，实际数量取决于系统的配置。

对ATC应用而言，AP的布置须使得无线射频覆盖是冗余的。

每对AP中的单个设备故障不会导致系统问题。

在列车上，两个列车单元（TU）分别安装在车头和车尾，通过一个宽带连接从而互为冗余。

每个列车单元也装备多个无线板卡，实际数量取决于系统配置。

列车单元连接两个天线（分集设计），通过IP协议分别对应于ATC和PIS应用。

6.2.2硬件部件HardwareComponents

所有的硬件部件都经过核准，其设计具有鲁棒性和易于维护性。

6.2.2.1网络部件NetworkComponents

除了上述的西门子的铁路专用的无线组件，通讯系统包括多个标准的IT（信息技术）组件。

为了获得系统所需的可用性，将提供具有所需MTBF（平均故障间隔时间）的高品质的主流组件。

同样，整个网络结构也是高度冗余的，而且配备了综合网络管理软件。

下面列出了一些首选的组件，如果在中国市场上可以找到可行的替代品，将使用本地化的同类产品。

6.2.2.2中心通信服务器

工业级服务器，至少64比特Intel®Xeon™处理器（或相当），800MHz前端总线，1MBofL2cache内存，1GB400MHzDDR2内存，嵌入式双口PCI-X1000TGigabit网络适配器。

6.2.2.3网络交换机

模块化千兆网络交换机，支持环网拓扑（HIPER环）至少50个节点和重构时间小于0.5秒。

6.2.2.4环网接入交换机

模块化管理工业两层以太网交换机并有千兆口（1000Mbit/s），支持环网拓扑结构至少50个节点和重构时间小于0.3秒。

通信服务器和网络交换机放在同一个机柜中。

6.2.3软件架构SoftwareArchitecture

通信平台是构筑在严格的分层结构之上，以利于适应于不同的应用、标准、技术和部件。

这个结构同时也简化了系统投入使用后的维护和升级工作。

其另一个优点是直接降低了技术复杂度，从而实现了产品的高质量和运行可靠性。

图6-5分层结构

分层结构尽可能地利用了国际标准或工业标准。

这样，很多符合标准部件和软件都可以用于替换和升级。

例如，将来的TGMT功能修改不会影响到通信系统和PIS系统。

同样，另外的应用加入需要更高的通信速率，也不会影响到TGMT或PIS的功能。

甚至另外的通信通道（如GPRS）作为后备通道加入进来，实际上也不会影响到已有的功能。

系统的核心是移动层，实际上是一个强大的中间层。

其他层是可以互换或者单独升级的。

移动层以无缝的方式管理着从轨旁设备到众多快速移动列车之间的数据流（及相反方向）。

这样核心层相当于管理着所有参与的网络设备，特别是接入点和列车单元。

6.2.4通信的鲁棒性CommunicationRobustness

该系统所运用的WLAN技术已经广泛应用于工业自动化领域。

不过，RailComTC在其移动层提供了先进的功能和补充的硬件冗余。

WLAN通过在空气中的射频频率传输来实现数据的发送和接收。

本质上，所有可以运行在传统以太网上的应用程序也可以运行在无线WLAN上。

对于列车控制系统，通信平台将按照IEEE802.11b的WLAN标准来配备无线功能，以便获得列车控制系统在隧道以快速运行模式工作时所需的传输的健壮性。

IEEE802.11标准系列运用扩展频谱无线技术。

通过扩展频谱技术，基带信号的带宽通过扩展码人为增加信号的带宽而被有意识地扩展到一个较大的频谱上。

由此，将传输该信号的能量分布在一个更宽的带宽上，使其对于其他系统看起来甚至更像是噪音信号。

扩展基带的强度和原始信号的强度之间的比率（以dB来衡量）被称为扩展增益。

扩展是通过在传输链中天线前的某个位置将专用的扩频码注入到信号中实现的。

其效果就是将信息扩散到一个更大的带宽上。

与此相对应的是，扩展频谱码可以在接收器端被拿掉（