基于WLAN的CBTC数据通信系统.doc

精品文档基于无线通信的CBTC数据传输系统设计通信工程 200709220 夏淑奇指导教师 刘晓娟（教授）摘 要本论文以基于通信的列车控制（CBTC）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无线通信（TWC）网络的设计，着重考虑无线接入点（AP）的部署、WLAN标准的选择、数据丢失率和时延等因素。在收集和整理了大量相关资料之后，分析了CBTC系统中DCS网络的构成和作用，在此基础上构建了TWC的结构，对其各部分进行了说明，并经过分析和比较选出了适用于TWC系统的WLAN标准。在最后，对该系统的丢包率和时延问题进行了分析，且说明了所选的解决方法，使系统的可用性大大提高。关键字：CBTC，无线通信，无线局域网，车地通信1 前言基于通信的列车（Communication Based Train Control，CBTC），CBTC系统不依靠轨道电路判定列车位置，实现了列车速度、停站时间、区间运行时间的精确控制，能进一步缩小列车间隔，并提高系统节能水平和运营服务质量。此篇论文主要是通过对基于无线通信的车地通信网络的分析，设计基于无线通信的车地无线通信系统，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。通过对城市轨道交通中信号传播模型的分析，对车地无线通信系统的包丢失率和系统延时进行分析使系统的可靠性、有效性、安全性达到CBTC系统的要求。2 CBTC系统与WLAN技术基本原理2.1 CBTC系统基于通信的列车控制（CBTC）系统定义为：利用（不依赖于轨道电路的）高精度列车定位、双向大容量车地数据通信和车载、地面的安全功能处理器实现一种连续自动列车控制系统。 图2.1 CBTC系统基本原理 图2.2 无线局域网的系统架构无线CBTC采用无线通信系统，通过开放的数据通信网络实现了列车与轨旁设备实时双向通信，信息量大，并通过采用基于IP标准的列车运行控制结构，可以在实现列车运行控制的同时附加其他功能（如安全报警、员工管理及乘客信息发布等）。CBTC系统基本原理如图2.1所示。采用CBTC技术后带来的具体经济和社会效益优势有： 高效性提高系统运行效率。 经济性节约整体投资成本（生命周期成本）。 更短的项目实施周期。2.2 WLAN技术WLAN（Wireless Local Area Network，简称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（Radio Frequency，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。无线局域网是相当方便的数据传输系统，他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、受自然环境、地形及灾害影响较小。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的组成有以下三种方式：一是集中控制方式，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；二是分布对等式，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；三是集中控制式与对等式相结合的方式。无线局域网的架构图如图2.21所示。3 数据通信系统的设计与实现3.1 DCS整体结构DCS系统包括地面有线和车地无线两部分，地面无线又分为骨干网和轨旁接入网，骨干网是由冗余的光纤环网构成，轨旁接入网则是基于IEEE802.3标准的以太网。图3.1所示是DCS的整体结构，在此图中粗线框中的部分是要详细讨论的车地无线通信系统。 图3.1 CBTC系统的数据通信网图 3.2 车地无线通信系统结构有线部分使用IEEE802.3以太网标准，由接入网和骨干网两部分组成。通过轨旁无线接入点（AP）和列车进行双向通信，并通过多模光纤与接入交换机相连，组成接入网。骨干网是冗余的高速单模光纤以太网，它由100Mbps或1Gbps的第2层网络交换机构成。骨干网采用了双向自愈的环形拓扑结构。自愈协议在一个交换机失效后的很短时间内（在多达50个节点的环网中，小于500ms）将重新配置网络。在如此短时间内的通信丢失，不会导致ATC的服务中断。骨干交换机位于设备集中站，所有ATC轨旁设备都通过一对冗余端口接入到骨干交换机2。为满足系统的安全性和可靠性，有线网络应用2条环网结构的有线路径（光纤），采用冗余的电子设备、冗余的入网路径、冗余的环网结构和可选的光纤通路。车地无线通信系统是轨旁有线网络与列车通信的重要保障，它包括无轨旁线接入点AP（Access Point，简称AP）、空间无线通道和车载通信单元，基于IEEE802.11x标准，进行可靠的、高效的、安全的双向通信。轨旁无线接入点AP通过接入交换机接入到轨旁接入网中，轨旁接入网连接在骨干网上，而AP的另一端通过天线组的辐射，以空间自由波为介质，与列车车载通信单元进行通信。3. 2 车地无线通信系统车地无线通信系统主要由三部分组成：轨旁无线接入点（AP）、车载通信单元、空间无线通道。图3.2是TWC系统的结构，详细描述了以上三部分的部署。轨旁无线接入点AP通过接入交换机接入到轨旁接入网中，轨旁接入网连接在骨干网上，而AP的另一端通过天线组的辐射，以空间自由波为介质，与列车车载通信单元进行通信。由于车地无线网络传输的是列车位置、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。3.2.1 轨旁无线接入点AP（Access Point）为防止无线单元故障致使系统受到影响，如图3.2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24个天线的天线组连接。每个AP包括一个坚固机架、控制板（CPU）、变压器（电源）、一到两个无线模块，以及分别到外部的连接。每个接入点另外还包括射频电缆、天线安装架和轨旁天线。每个AP通过光纤以太网TCP/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骨干交换机连接，从而接入到骨干网。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 2.4GHz频段的信号传播模型，进行AP间距的设计。当车地间距是300m，传输速率是18Mbits-1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%3。因此AP布置间距应设计为300m，此距离对包丢失率的标准也完全符合。3.2.2 车载通信单元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。无线电波在传输过程中都是有损耗的，因此天线的安装位置非常重要，天线可以采用标准商用产品，要具备信号强度检测功能，能在AP发送来的信号中检测到最强的信号进行接收。为接收的强度着想，车载天线应安装在车体的上部。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路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。3.2.3 空间无线通道空间无线通道主要由标准的无线局域网商业部件组成，应用WLAN技术，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，AP的部署结构决定了该带状辐射区场强的特性（衰减特性等等）。该部分采用完全冗余的双层覆盖，且发射两层无线覆盖的AP接在不同的接入交换机上，连接在不同的接入网中，这样即使有一个接入网或AP发生故障，系统还可以工作，这大大提高了系统的可靠性。IEEE802.11g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（主要体现在所采用的调制方式上：DSSS或FHSS）等等一系列优势，成为车地无线通信（TWC）系统的首选标准。3.3 TWC系统的包丢失率和时延的分析3.3.1 TWC系统传输时延的分析CBTC系统的数据传输时延主要由地面网络的时延和车地通信网络的时延两部分组成，地面有线网络中的骨干网络由光纤环网构成，延时非常小，轨旁接入网是基于IEEE802.3的以太网，传输时延相较于车地无线通信网几乎可以忽略，因此，CBTC系统数据传输网络的时延主要来自于车地无线网络。IEEE802.11g标准中链路层协议有2种工作模式：单点协调功能（Point Coordination Function, PCF）模式和分散协调功能（Distributed Coordination Function, DCF）模式。CBTC系统采用DCF模式。数据传输的过程是：站点（包括AP）需要发送数据时，首先检测信道是否繁忙。如果信道在帧间隔（DCF Interface Space, DIFS）时间内为空闲，站点就开始传送分组，若繁忙，则站点继续检测信道。当再次检查到信道在DIFS间隔时间内空闲时，站点需要随机退避一段时间后发送数据；在数据发送后一定时间内没有收到目的站点返回的确认字符，则认为发送失败。站点重新检测信道，随机退避一定时间后重发数据，此时的退避窗口比上一次要增加1倍。延迟时间受传输速率和数据包长度的影响并不大，这主要是因为相比于数据发送前的退避时间，数据的发送时间和传输时间要小很多；由于退避时间窗口的不断加大，数据传输延迟时间随着重传次数的增加而迅速增加，如没有重传时（数据包1次发送成功）的延迟时间约是1ms，10次重传时的延迟时间则接近40ms3。因此，解决时延问题的关键在于减少重传次数，使系统的丢包率低于一定程度。3.3.2 TWC系统包丢失率的分析高速移动中的无线传输的丢包率应不影响系统的有效性。CBTC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，保证报文能够被接受14。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运行效率，严重的丢包会使接收方在一段时间内无法得到完整的信息，列车被迫紧急停车。因此需要采取一定的措施来降低丢包率。1）丢包的原因主要包括：列车运行的速率太高而使用的WLAN设备不能提供足够高的传输速率。在高速移动中，无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；越区切换过程的时间太长，在与上一个AP断开关联之后未能及时与下一个AP发生关联，导致数据丢失；设备的故障恢复时间太长，导致在恢复时间内数据丢失。2）解决办法对于列车速度过快而数据传输速率降低的问题。TWC系统采用基于IEEE802.11g标准，该标准提供的最大传输速率是54Mbps，该速率足以满足系统要求；在越区切换问题上，采用软切换；在选取AP和SA时应选择灵敏度较高的；而切换的速度取决于内部所采用的切换软件；系统的设计采用了完全冗余的覆盖，大大减小了系统故障恢复的时间，发生故障时，只需切换到冗余的网络上就可以了。3.3.3 TWC系统的通信内容和过程1）通信内容从地面有线网络传输到列车的信息有最大允许速度、目标点距离、移动权限、紧急停车命令等，从列车传输到地面的主要信息有车次号、列车长度、当前位置、实际速度、制动性能、运行状况等。2）通信过程来自地面调度中心的数据经轨旁接入网传输到AP，再经TWC系统传输到列车。TWC系统的通信过程如图3.3所示。图3.3 TWC通信过程示意图4 结论本文的设计重点是车地无线通信网络，主要考虑无线AP的布置和WLAN标准的选取，考虑系统的时延和包丢失率。AP的布置主要考虑了布置间隔和AP天线的部署。根据城市轻轨环境下的传播模型，将系统中AP的间距设为300m。通过WLAN各主流标准间的比较和系统的应用环境的需求，最终选定IEEE802.11g标准作为本系统通信的标准。参考文献1曾小清,王长林,张树京.基于通信的轨道交通运行控制M.同济大学出版社,2007年5月.2李春宇,徐洪泽.开放空间无线CBTC车地通信系统J.铁路通信信号工程技术.2006年6月,第3卷,第3期.3朱力,宁滨.基于802.11g标准的CBTC车地通信系统设计J.中国铁道科学.2010年9月,第31卷,第5期.Design of The CBTC Data Communication System Based on Wireless CommunicationCommunication Engineering 200709220 Xia ShuqiInstructor Liu Xiaojuan (Professor)Abstract: In this thesis, communication-based train control (CBTC) system as the core, the completion of which data communication (DCS) design subsystem, especially for the design of wireless transmission network TWC which used to wayside equipment and vehicle wireless information transportation, and focus to consider the deployment of wireless access points AP, WLAN standard selection, data loss