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铁路与轨道交通 |
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WLAN引领铁路无线通讯信号技术 |
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在无线通讯世界里，面对数据通讯市场的庞大发展潜力，两种类型的数据网络技术正在展开激烈的竞争。尽管两种网络技术之间的结构和运行方式完全不同，但是，其竞争的领域却完全一致，从小容量数据的处理，到大容量文件数据、声音数据乃至流文件影像数据的传输等。如何更好地掌握上述网络技术的运作特点，进而确定究竟哪一类网络技术更加适合“基于通讯的列车控制（CBTC, communication-based train control）”数据通讯网络，可以说是非常关键。
1 两种无线通讯技术
第一种网络通讯类型主要是基于全球移动通讯标准（GSM）的蜂窝式无线移动通讯网络，移动通讯全球标准从最初的模拟移动电话系统发展到第一代网络技术，再发展到全数字式的第二代和第三代通讯技术系统，期间性能明显优化，容量大幅度增加。
另外一种网络通讯系统是一种基于数据传输技术的系统。其发展来源于当今十分普遍的已经沿用了几十年的局域网（LAN），即在两台办公电脑之间进行数据传输。在以太网（Ethernet）的支撑之下，通过互联网协议进行数据的打包传输。
蜂窝式无线移动通讯网络专门用于传输那些相对连续的流数据。如果两个用户之间已经建立了电路联系，那么，声音、音频和影像数据就会连续不断地在两者之间传输。即使双方之间没有数据传输，也会占用通讯资源，十分浪费。于是，技术提供商开始考虑充分利用空余的安静时间和闲置通道时间来留做它用。这种做法适应了目前数据传输市场日益庞大的实际需要。当前，数据传输行业的一个通行做法是对数据进行打包，即将连续的数据流分割成一系列不连续的数据包。简而言之，蜂窝式网络必须学会如何传输IP数据包。
尽管基于LAN的无线网络技术（WLANs）本身就是专门为处理IP数据而设计的，但是并不能保证数据包能够按照正确的顺序及时传输给对方。
两种网络通讯类型之间还有一个不同点。蜂窝式无线移动通讯技术主要基于陆地电话网络，依据各个回路对容量进行分配。每个电话使用者通过铜线连接到本地交换机，然后通过计算机转换开关利用电话号码来建立回路。不过，在两个电话局之间进行通话时，需要共享有限的长途电路。当然只要用户愿意付钱，愿意打多长时间就打多长时间的电话。然而，由于回路数量有限，这种通讯技术一般用于列车与基站之间，或者从基站到列车控制中心的通讯联系，如图1所示。
无线网络技术（WLANs）不存在类似问题，如图2。一般来说，以太网比蜂窝式通讯回路有更高的容量，但是许多用户在使用同一回路时，也会出现线路“争用”现象。线路争用主要发生在数据包传输过程中。如果数据包之间发生冲突，那么，在经过一段短暂停顿之后，通话双方就会向对方再发送一遍数据包。这样，每位通话者就会得到自己的数据，只不过时间相对滞后一些。事实上，这种滞后，即所谓的等待时间，相当短暂，只有几毫秒（ms），几乎觉察不到。
总之，两种通讯方式各有千秋。一种有回路转换系统，不会出现等待时间，但服务不一定跟得上；另一种服务跟得上，但可能会有一定的等待时间。
移动的用户适合使用无线通讯技术。在回路转换系统中，需要针对服务对象数量的多少和服务范围的大小设置基站。只要通话者的活动范围没有超越基站的服务范围，就可以不必切换回路。反之，如果进入到另一个基站的覆盖范围，那么通话回路就会通过新的基站进行。所有这一切都会在计算机控制下进行，计算机系统会根据通话信号的强弱确定回路的移交与否，在回路转换过程中，通话质量也不会受到明显的影响。
是否决定将通话回路移交给另外一个基站的原理非常复杂。例如，移动电话使用者若只是处于短暂的无效通话状态（即听不到对方讲话），但并不意味着走出所在基站的服务范围。因此，系统在决定之前必须等待。如果等待时间过长，通话就会断线，数据服务的质量就会受到影响。
在WLAN系统中，需要建立相应的联络点（access points，即无线电接收装置），来服务于覆盖范围内的通话者，不过与基站相比，联络点的覆盖范围要小许多。如果相邻的服务区有另外一个联络点，通话就会移交至新的WLAN无线电接收装置，而不需要对回路进行切换。网络中的通话回路将会自动更新IP地址，并且向新地址发送数据包。这样，由于不需要网络控制，回路移交的速度非常快。
那么，究竟哪一种网络通讯技术适合“基于通讯的列车控制（CBTC, communication-based train control）”呢？阿尔卡特公司CBTC数据通讯系统（DCS）是基于开放标准和兼容性基础之上的。其中，DCS非移动模块的选择是基于IEEE 802.3标准。移动模块则有几个选择，例如，对于蜂窝式系统或者回路转换网络来说，可以选择GSM、Tetra和UMTS。另外，IEEE802.16e标准也是基于回路转换系统，适合移动状态下使用。而IEEE 802.20标准则专门为高速移动状态设计。此外，WLAN网络的标准还有IEEE 802.11系列标准，具体包括之前的 802.11标准、802.11a标准、802.11 b和g标准（俗称WiFi）。
2 网络结构
为了确保机车可以在任何地点进行通讯，数据通讯系统必须沿着线路铺设，在隧道也不例外。诸如GSM-R这样的蜂窝通讯网络，需要设置基站或者联络点，来为覆盖范围内若干平方公里内成千上万的电话使用者提供通讯服务。因此，需要一个强大的中枢站点来为信号较弱的移动用户服务。
在机车数据通讯系统中，需要沿线路设置若干联络点，特别是在隧道内部，因为只有这样才能保证获得足够的信号覆盖范围。一条地铁线路可能会设置100多个联络点，但可服务的列车却屈指可数。
不过，蜂窝式通讯技术在设计上并不是专门考虑沿着线路布局。并且，所需要的配件不是标准的，回路的移交非常困难，速度也慢，这与数据通讯系统开放标准的目标相悖，如图3。
与之相比， WLAN系统更加适合为线性分布的设施提供通讯服务。在联络点和移动发射台的配合下，可以很容易实现回路的快速、频繁转换，如图4。
目前，由GSM-R系统控制的列车数量还十分有限，主要受制于系统的回路数量。一旦交通流量超过回路数量，就难以处理。而使用WLAN系统，面临过多的交通流量，等待时间困难会稍微长一些，但是总比没有通讯服务要强许多！
3 机动性和回路切换
地铁列车的时速一般为100km/h左右，因此，数据通讯系统的设计至少要能够满足120km/h时速的需要。在轨道沿线，特别是隧道，信号传播条件相对较差，在一定程度上限制了天线之间的距离。例如，如果天线间隔500m，列车时速120km/h，那么移动发射台每隔15秒就要与联络点之间进行转换。如果一次转换（包括重新连接时间）需要花费2秒或者更长的时间，那么列车就有13%的时间处于通讯中断状态。事实上，蜂窝通讯系统网络之间的切换时间超过10秒。
802.11WLAN标准要求回路切换的时间要少于50ms。这个时间难以保证，但是只要联络点设置合理，实现这一目标的可能性有90%，并且最大时间不会超过1秒。50ms的切换时间意味着仅仅0.4%的时间处于通讯中断状态，这几乎可以忽略不计。
802.20标准的目标是实现时速250km/h以上的无缝切换，当前，这个目标需要许多年才能实现。总之，WLAN对于网络机动性和切换来说是一种很好的选择，如图5。
4 网络有效性
任何网络都必须有足够的冗余，以备在设备失灵时仍然能够为任何一位通话者提供高质量的通讯服务。传统的蜂窝电话的覆盖范围由于建筑物或其它障碍物的阻挡而缩小，对于数据传输，特别是列车控制来说，绝对不允许出现上述情况。
因此，为了尽可能避免出现上述问题，需要对基站进行专门布局。即使这样，也难以完全消除上述问题，这是回路系统的一个缺点。
前向纠错（forward error correction）技术非常强大，但是也有局限性。一方面占用传输容量，另一方面，当信噪比很低时，前向纠错技术会失灵，不仅不会纠错，反而会引发更多的错误。
在移动通讯环境下，信噪比偏低的情况十分普遍。因此在使用蜂窝通讯网络技术时，必须引入重发协议（retransmission protocol）进行额外的错误检查。对于“基于通讯的列车控制（CBTC, communication-based train control）”来说，LANs是一个首选。
5 透明度
数据通讯系统（DCS）设计的一个关键就是应用的透明性。透明意味着网络不需要知道应用系统的状况，DCS不需要跟踪列车所在的地点和所处的状态，反之亦然。应用系统不需要知道DCS的状态，系统所要做的就是遵守802.3接口连接标准（interfacing requirements）、分配IP地址、处理等待时间和数据包错误等等。
当然，蜂窝通讯系统并不完全透明。在回路切换过程中，在移动发射台和基站之间会分配一个新回路，上述过程不可能是无缝的。由于切换时间太短，有必要依据设定重新分配回路。沿线的无线发射装置必须能够适应无线回路的分配。
6 ComTrac
阿尔卡特公司的ComTrac数据通讯系统具有开放标准、透明性和兼容性等特点，其设计主要是用于“基于通讯的列车控制（CBTC）”系统各个组成部分（例如中央控制系统、沿线设备和车载设备等等）之间的相互联系。每一个组成部分通过安全网关装置（SD，security gateway device）与数据通讯系统连接，以确保数据的可靠性和机密性。在应用数据通讯系统时，蜂窝技术和WLAN网络技术均按照各自的行业标准，提供现货供应设备，并且从各个供应商获取机会。对于蜂窝技术来说，如果要克服导轨配置（guideway deployment）、吞吐量（throughput capacity）、切换滞后（handover delays）以及回路有效性（circuit availability）等问题，就需要相当数量的额外的非标准部件以及相应的运行软件来支撑。另一方面，所有上述问题都可以在WLAN网络中得到解决。对于ComTrac来说，将WLAN802.11标准内置于802.3标准的以太网，将会是一个明智的选择，如图6。
图6 ComTrac数据通讯系统
(end)
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(12/4/2006) |
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