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1、城轨CBTC系统中数据通信子系统设计1引言作为轨道交通系统中的核心部分，通信信号系统是保证列车安全运行，实现行车指挥和运行现代化, 提高运输效率的关键系统。20世纪90年代以来，基于通信的列车控制系统（CBTC）应运而生，不但解决 了原有信号系统的不足，也改变了以往列车运行时信息只能由轨旁设备向车上传递、信息量少的缺点， 实现了列车与轨旁设备实时双向通信。CBTC系统不依靠轨道电路也能够判定列车位置，实现了列车速 度、停站时间、区间运行时间的精确控制，进一步缩小了列车间隔，并能提高系统节能水平和运营服务2数据通信系统（DCS）CBTC系统主要的子系统有：列车自动监控（ATS）系统、数据通信系统
2、（DCS）、车载控制器（VOBC）、 区域控制器（ZC）及司机显示等。而数据传输系统（DCS）实现CBTC系统地面设备之间和车地设备之间 的双向信息交互，是CBTC系统的核心。CBTC系统的信息流向如下页图1所示。中夬控封黑图1门T果统的信息谦朮数据通信系统开放性的系统设计原则是：对列车控制子系统提供IEEE 802.3 （以太网）接口，对列 车控制子系统是透明的，符合实时和吞吐量要求。列车控制子系统之间发送和接受IP报文，其中大多数 列车控制子系统是移动的。数据通信系统对于传输的信息是完全透明的。数据通信系统传输的是安全控制信息。IEEE 802.11跳频技术的无线标准，用于网络内的所有无线
3、通信。IEEE 802.3以太网标准用于整个局域网（LAN）。1.1数据通信系统（DCS）结构数据通信系统（DCS）结构如图2所示，主要包括：地面骨干网、无线网络地面接入点、车载无线 设备。图2益据通借禺统DCS）结踰汁1進节点地面仃线甞干网络中建l-i点r仃II P口n1中继节点.中送节点中继节点叩继节点节戊/厂车载无无红接入点/车報无遂.邈设箔图2益担-通信来统ncs姑枸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，包括轨旁控制器、中央数据库、中 央控制器。地面骨干网络能够实现以下功能：无线数据通信系统接入功能；点到点信息转发功能；单点 到多点信息转发功能；时钟同步功能；通用连接
4、功能。车载无线设备是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。数据通信系统，对所有的列车子系统都是透明的，各个子系统之间通信采用UDP/IP协议，数据通 信系统完成报文通路，由于列车控制数据信息只占用不到10%的数据通信系统带宽，所以系统还能够实 现其它的附加功能，如旅客广播系统（站台和车内）、旅客向导系统（站台和车内）、远程SCADA设备， 以及车载视频监视系统等。1.2数据通信系统（DCS ）网络容量数据通信系统（DCS）中传输列车控制信息所需的数据通信容量大小，主要取决于运行列车的数量。 假设按多条线路的网络化运营，最大流量按1000列列车，一列列车所需
5、数据流量需要约20kb/s，那么系 统容量大约需要20Mb/s。下面考虑辅助系统应用的数据通信容量，例如屏蔽门控制，可能会增加大约 5Mb/s的通信数据流量。骨干网上的计算机之间的通信，需要增加大约5Mb/s。合计整个系统所需的通 信数据流量30 Mb/s。骨干网络若以最低100Mb/s的速率工作，实际通信数据流量还不到网络带宽的1/3。 所以，以太网作为骨干网应该完全能够满足系统需要。1.3无线数据通信系统噪声及干扰在IEEE 802.11无线跳频系统内，热噪声能量通常是远低于规定的无线灵敏度。但短时的窄带干扰 占用的是从几KHz到几MHz的带宽，却有可能会导致严重问题。窄带干扰主要是由于假
6、传输、带宽共 用或者来自电力系统及机器的电磁干扰而引起的。在无线数据通信网络中，进行了 FHSS调制以防止窄带干扰。当应用了跳频技术后，无线信息传输 会有更高的可靠性，因为它可以在几个不同的频率中选择一个频率工作，从而避 开了干扰。跳频为用户提供了一种机制，使它们能通过虚拟的随机移动带宽来互相避让。另外，也可以 根据用户需要进行跳序。正是由于开放的标准技术，数据通信网络可以在列车周围或接入点天线旁同时 有蓝牙设备及WiFi系统运行的情况下，正常运行而不丢失数据包。2数据通信系统（DCS）的安全通信2.1数据通信系统（DCS ）面临的安全威胁数据通信系统（DCS）由地面骨干网络和无线数据通信系统
7、构成。数据通信系统（DCS）所受到的 安全威胁，分别来自于对地面骨干网络和对无线数据通信系统的安全威胁。不同的网络受到不同形式的 信息安全威胁，这些威胁会导致信息泄密、网络功能失效、甚至造成网络瘫痪。2.2数据通信系统（DCS ）的安全性解决方案为了解决数据通信系统（DCS）安全性问题，该系统使用动态密钥管理和标准的通信协议，确保编 码的保密性和报文认证，认证授权支持因特网密钥交换（IKE）协议，以便管理所有密钥（证书）信息。 所有的信息流首先要通过一个保安器件检查后，才能进入数据通信系统，保安器件识别抛弃所有收到的 无效报文。中央认证机构，向保安器件发布认证授权书。数据通信系统（DCS）通信协议由三个核心部分组成： 真实性报头（AH）：证实一个信息包的发送身份，并证实该信息包的真实性； 封装的保安有效报文（ESP）：在传输前，将一个包加密和证实； 因特网密钥交换（IKE）：管理发送和接收的保安密钥的传送，这是不断更新的动态密钥。
