CBTC数据传输子系统.docVIP

CBTC数据传输子系统目录6.1简介 Introduction26.1.1平台方法 Platform Approach26.1.2系统组成 Configuration46.1.3初步无线覆盖设计 Preliminary Coverage Plan66.2系统结构 System Architecture126.2.1硬件架构 Hardware Architecture126.2.2硬件部件 Hardware Components136.2.3软件架构 Software Architecture136.2.4通信的鲁棒性 Communication Robustness156.3特点 Features156.3.1漫游 Roaming166.3.2路由 Routing196.3.3负载均衡 Load Sharing196.3.4安全支持 Safety Support196.3.5数据安全支持 Security Support206.3.6诊断支持 Diagnostic Support206.4系统认证和审核216.5安装216.6技术数据 Technical Data216.1简介 Introduction为本项目提供的连续式通信系统 WLAN（WiFi）需要为 TGMT ATC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 Railcom TC系统的基本构成、软硬件配置及功能。 6.1.1平台方法 Platform Approach Railcom TC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6-1 Railcom TC通信平台Railcom TC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。 Railcom TC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。 Railcom TC 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IEEE 802.3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： l 符合 WLAN802.11b标准（DSSS）的 WiFi技术 l 基于冗余通道和无线的双向列控数据通信； l 有效带宽为 8Mbps的 PIS数据双向通信； l 为将来应用提供额外 4 Mbps有效带宽的可升级能力； l 为 TGMT数据设置了冗余、优先级以及带宽预留； l 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 Trainguard MT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 Working Principle Railcom TC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（Trainguard MT 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 IEEE 802.3i/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 Ethernet IEEE 802.3i/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，Trainguard MT信号接口使用 UDP。 6.1.3初步无线覆盖设计 Preliminary Coverage Plan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 System Architecture 6.2.1硬件架构 Hardware Architecture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 Hardware Components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 Network Components 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，1MB of L2cache 内存，1 GB 400MHz DDR2 内存，嵌入式双口PCI-X 1000T Gigabit 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 (1000 Mbit/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 Software Architecture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 Communication Robustness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，RailCom TC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IEEE 802.11b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。 IEEE 802.11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（解扩操作）。解扩的结果是将信息重新回复到其原有的形态。明显地，在通道两端，发送和接收两侧必须事先获知该相同的扩频码。 DSSS是一种用于扩频传输的传输技术，该技术在发送站将数据信号和具有较高数据率的位序或码片结合起来，将用户数据按照扩展率划分。码片是一种冗余的位组合，对于每一需要传输的比特，显著增强了传输信号的抗干扰性能。若位组合中的一个或多个比特在传输过程中受损，则原始的传输数据可以根据其固有的传输冗余特性而获得恢复。 图6-6 DSSS原理 DSSS是目前在 WLAN实际应用中使用最多的调制方式。要传输的原始数据在 22MHz的宽带上展开，并在接受端使用同样的码来对之进行解扩。对于其他的接收器，该信号则看起来像是“白噪声”。该调制方式允许在同一区域内同时有多个发送器工作在相同的频率而相互之间不存在干扰。 6.3特点 Features 综上所述，通信平台的基本特点有： l 支持多应用； l 多无线单元； l 分层的软件架构（包括移动层）； l 智能漫游、路由和数据流算法； l 无缝性，包括零漫游时间； l 优先级管理和带宽预留； l 冗余的无线射频RF覆盖 l IT设施冗余管理 通信平台结合了一组独特的软件特点，这些软件特点已经被专门实施到其移动层，特别是向隧道环境快速运行的列车提供无缝通信。 6.3.1漫游 Roaming 漫游意指当列车沿轨道运行时，从一个无线蜂窝（由一个单个的接入点覆盖的区域）向下一个蜂窝的交接程序。 WLAN的漫游包括4个不同的步骤： l 分离 l 搜寻 l 重新联系 l 验证 在轨道区的无线漫游的概念涉及列车对轨旁的一系列联系、断开和重新联系。 在漫游过程中，只有列车单元（ TU）负责启动与一个AP的联系。和传统的WLAN系统不同，TU具有轨旁数据库的访问权，该数据库由RailCom TC的通信服务器进行存储并维护。这允许列车根据其在轨道上的实际位置来优化漫游的顺序。 一个断开发生在当一个现有的联系以以下两种方式之一终止时：一个漫游分离或由于无线电信号（信号）的失去而断开；断开可能由TU 或 AP启动。当TU与一个新的AP或之前联系过的 AP建立联系时，就发生了重新联系。 在标准 WLAN系统中， TU一次只能与一个 AP相联系；而 RailCom TC的 TU在系统移动层的控制下，同时可以建立尽可能多的联系。一个AP可以同时与许多 TU相联系。 6.3.1.1快速漫游 Fast Roaming快速漫游算法通过无线模块中的一个固件实施。在 WLAN标准中，漫游过程的计时参数已经被最小化以便产生一个 10ms左右的典型的漫游时间。在无线降级模式中，由于没有主动漫游，其漫游时间小于 100ms。 由于有了快速漫游技术，系统能应对车辆高速运行时的短 AP间隔（因而具有较高的信号覆盖率）。 快速漫游技术仅在系统无线降级模式中有效，在正常工作时，将采用如下两种技术中的一种以产生更好的漫游效果。 6.3.1.2主动漫游 Proactive Roaming 增强的自适应主动智能漫游算法用来，确保即使在车辆高速时和在典型漫游情况下也能实现无缝通信。 图6-7主动漫游的效果 图例： 实际蜂窝网络/无线局域网信号电平无主动漫游下的漫游信号主动漫游下的漫游信号系统在自适应的基础上调整应当主动启动漫游的地点。此外，系统共享所有列车单元之间的主动漫游所用到的知识，产生一个极短的自适应曲线。 一旦在运营中，“漫游”时间，或者说从一个接入点保持数据连接的时间将实际上为零。 图6-8主动漫游算法 在没有主动漫游的情况下，当车辆从右向左运行时，从一个接入点到另一个接入点，车辆 1 (1) 在(3) 处漫游 (4) 。当激活主动漫游时，由于沿着轨道的信号电平上的先行知识，车辆 2 (6)在(8) 处漫游到 (9)。 6.3.1.3协同漫游 Co-operative Roaming 在任何时候，两个 TU相互通信，交换各自所收到的数据，以便在漫游过程的情况下为应用提供无缝通信。 这是将漫游时间降低至实际为零的一种分集方法。 图6-9协同漫游 6.3.2路由 Routing 每个 TU或轨旁、中央设备有其固定的 IP地址，通过通信系统实现轨旁和列车之间的动态路由。 系统同时支持系统中的点播和组播传输。 6.3.3负载均衡 Load Sharing系统通过并行信息通道自动实现负载均衡。 6.3.4安全支持 Safety Support对于安全相关的列车自动防护系统（ ATP），其应用本身就根据 CENELEC EN 50159-1标准开发的，并提供了系统内在的安全功能。这个标准定义了保证使基于通信的 ATP性能达到SIL4级水平的措施，包括接收数据的认证、完整性和刷新度等方面，从而确保了任何数据传输的破坏不会影响系统安全。 Railcom TC本身并不具备安全性。它是非安全系统（SIL0）。列控应用的安全性是列控系统通过专门的高层的基于TCP/IP的附加协议来实现的。通信平台根据EN50159-2标准从高可靠性、可用性、透明传输和数据安全方面支持任何安全应用。 6.3.5数据安全支持 Security Support Railcom TC提供轨旁接入点和列车单元之间的数据安全。数据安全基于IPSec标准，为列控信息提供有256位加密位、私有数据通道格式和键码协商。这将有效防止任何非授权访问或对传输数据的攻击。 ATC数据加密采用了加密标准 AES-CBC-256（带 256位编码）。 6.3.6诊断支持 Diagnostic Support Railcom TC支持轨旁和车载设备的诊断。项目中拟采用一套诊断系统，发布可靠的错误和条件方面的信息，并用SNMP或 XML进行追踪和监视。在这些信息基础之上，系统也管理降级模式，任何情况下只要具有可行性和合理性，就保障系统要求的可用性（通过逐步降级）。 系统将连续地诊断轨旁设备和车载设备，到其 LRU（最小更换单元）级别。相关的数据根据请求，以 SNMP标准格式通过主干网传给服务和诊断系统。 每个无线单元持续地监视信号质量（主要是信号水平和噪音水平）。在移动层就是根据这个信息进行漫游控制。 所有无源部件需要维护人员经常性地人工检查。然而，因为有大量的连续诊断，并不需要每日检查。下图给出了一个示例，展示 Railcom TC的诊断信息 VICOS S&D服务与诊断系统的整合情况。 图6-10 Vicos S&D 服务和诊断系统 6.4系统认证和审核 该系统已经历了不同的认证和审核阶段，大多数是在实验室中和从理论上进行，例如RAMS的计算。系统在德国汉诺威进行了现场试验，内容包括ATC列控和视频数据的并发传输。 在调试系统为某一特定地铁线路所用之前，Railcom TC系统其完整的配置组成已经经过了测试，测试是在真实的系统环境条件下进行的。验收和疲劳测试将在卖方测试中心完成。 6.5安装 服务器和主干网交换机最好是安装在集庆门大街站的设备室，并整合在一个19英寸的安装架中。安装细节也要结合TGMT的详细设计统一考虑。 AP的主干光纤和电源都安装在隧道内。 AP安装在隧洞壁上，相隔大约350米，高度最好在易于维护的水平。每个AP的天线一般安装在隧洞壁上，为保证无线电波直线可达，位置最好取在隧洞横截面时针10点钟或2点钟的指向上。在地面和高架线路天线和AP都安装在支架上。安装支架的典型高度为2米，必要时加1米高的避雷针。 在列车上， Railcom TC也是同样安装在象 TGMT一样的19英寸安装架上，分布在车组头尾驾驶室内。车头和车尾的设备单