无线技术让轨道交通更高效

在未来10年中，国内要新建地铁的城市超过20个，轨道交通已经成为解决交通拥挤难题、改善城市环境的有效手段之一。不过，为了在高速环境下确保运营安全、缩短行车间隔，提高运营效率，构建一个稳定高效的通信网络自然成为轨道交通建设的基础和保障。在不久前H3C公司举办的城市轨道交通研讨会上，有关专家就网络技术在轨道交通中的应用趋势，展开了沟通与讨论。

无线已成主流方向

一直以来，因为涉及安全运行，轨道交通行业对地铁车辆、信号系统、通信系统的准确性、安全性要求非常高，从最初的固定闭塞到准移动闭塞，轨道交通行业的信号传递大多采用钢轨传递信号的方式。然而，随着现代化地铁的建设以及IT技术的成熟，基于无线通信系统的CBTC信号控制技术成为地铁通信建设的主流方向。

H3C交通拓展部部长徐继恒表示：“H3C公司最新推出的CBTC数据承载子系统解决方案，以高安全、高可靠为目标，综合采用了RPR、冗余备份、WLAN快速切换等大量成熟的网络技术，保证系统的稳定和安全。”

在H3C的解决方案中，为保障CBTC系统DCS数据通信子系统的高可靠性，DCS的轨旁网络和车载网络均由两张配置完全相同，但物理独立的网络构成，两网将同步传递控制命令和车辆监控信息，由轨旁CBTC控制中心通过特定的安全算法来判断和选择正常工作的网络，即使出现单网故障，整个CBTC系统依然能正常工作。

为进一步提升网络可靠性，在每个单网内部，H3C还通过选择H3C S9500系列高端交换机以裸光纤互联方式构建RPR骨干环网，确保CBTC与其他应用系统安全隔离，结合RPR技术50ms的快速倒换能力，即使出现骨干网光纤中断的异常情况，依然能保障CBTC信号系统传输不受影响（CBTC系统要求延迟时间低于500ms）。

为降低地铁隧道大量AP部署和管理的工作量，H3C选择WA22系列FIT AP产品和WX6100无线控制器方案，实现了AP的零配置，整个无线网的频率规划、安全防范、漫游切换等功能均由WX6100统一完成。同时，考虑到传统无线控制器组网方案存在严重的故障隐患，WX6100还支持主备切换、负载分担功能。两台无线控制器可通过网络或者专用连接线实时同步状态信息，并互为备份。每个AP都将建立主、备两条CAPWAP隧道与两台WX6100对接。这样单台无线控制器故障将不会对整体网络造成影响。

应用面临诸多挑战

在最新的CBTC方案中，所有的列车调度、控制信息都是以无线方式在列车和轨旁网络之间进行传递，但由于无线网络的开放性，无线干扰及网络攻击的问题无法完全避免，严重情况下可导致列车停运的重大安全事故。如何通过技术手段将干扰和攻击所造成的影响减少到最低，是CBTC系统DCS数据通信网必须要解决的问题。

地铁隧道是典型的多径信道环境，无线信号在传播过程中会存在多个通过不同路径到达接收点。而这些信号分量所经过的路径延时不同，并且有反射过程中的信号倒相，使得到达接收点的所有信号分量在合成相位和幅度上发生大幅变化，最终造成通信的不稳定。

徐继恒告诉记者：“为降低多径干扰的影响，H3C公司采用了IEEE 802.11g正交频分复用（OFDM）技术，将高速数据流分配到数十个相互正交的子载波上，而在每个子载波上是窄带调制。同时，OFDM技术还通过增加循环前缀（CP）的方法极大地减少了干扰，使得信号传输对于多径效应具有提抗性。OFDM技术通过将能量和数据分散到多个子载波并结合交织技术和前向纠错编码技术，可以有效地应对由于多径而产生的频率选择性衰落。”

无线通信由于不需要有线电缆的连接就可以完成设备以及终端的接入，给系统的安全带来了一定程度的隐患。如果不能对非法、恶意AP接入系统进行有效的防范，则无线系统将会给整个网络带来巨大的安全漏洞。H3C公司在方案中选用的系列AP产品，均支持入侵检测和隔离功能。AP在进行数据接入的同时，还担负着射频环境扫描的功能，可预设定或按需进行射频扫描以识别未授权的AP，并向管理员发出警报。除此以外，系统还可结合MAC地址过滤、SSID、WEP加密及AES加密管理等多种措施防范非法用户的接入。

CBTC系统要求列车AP和轨旁网络在移动过程中进行不间断通信，如果没有专有技术支持，通常802.11g的越区切换时间在500ms～2s之间（包括重新鉴权和其他以安全为目的的额外开销）。这么长时间的通信中断对于高速列车运行是绝对不能接受的。按照最高时速120公里/小时估算，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。

考虑到地铁的应用环境，H3C开发了WHFT快速切换技术，确保切换过程不会丢失数据。WHFT算法与标准802.11g切换算法的不同在于：WHFT允许车载AP在与轨旁旧AP脱离前与新AP建立连接，即在中断前连接。再加上相邻AP彼此重叠足够的区域，就能够实现理论上的零切换时间。也就是说，所有与切换有关的处理，都会在列车运行到相邻AP的重叠区域内完成，而重叠区域的大小可以按照列车全速运行的时间来设计。在实际测试环境中，H3C的WHFT技术可将最大切换时延缩短到50ms以内。