CN102821363A

CN102821363A - 一种城市轨道交通车地通信方法

Info

Publication number: CN102821363A
Application number: CN2012102446821A
Authority: CN
Inventors: 蒋海林; 赵红礼; 步兵; 郜春海; 唐涛
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2012-12-12

Abstract

本发明公开了属于通信系统中数据传输领域的一种城市轨道交通车地通信方法。地面控制器对车载无线控制器进行发送时采用广播机制，而车载无线控制器对地面控制器发送时采用单播机制。本发明的有益效果为：可以有效减少列车对地面发送时广播发送时的干扰，从而提高系统车地通信的性能。无论无线AP和车载无线控制器的参数如何设置，均与本发明无关。

Description

一种城市轨道交通车地通信方法

技术领域

本发明属于通信系统中数据传输领域，特别涉及一种城市轨道交通车地通信方法。

背景技术

随着通信技术特别是无线电技术飞速发展，人们开始研究以通信技术为基础的列车运行控制系统CBTC系统（Communication Based Train Control System）。CBTC系统利用无线通信可靠、实时地传输车—地双向大容量信息，列车在运行过程中通过无线实时地向地面中心发送自身的位置、速度等状态信息。地面中心通过无线通信将前方障碍物、临时限速等信息发送给列车。列车根据前方障碍物信息、列车参数、线路参数等信息实时计算速度曲线，控制列车在安全速度下运行。

CBTC系统的特点是用无线通信媒体来实现列车和地面设备的双向通信，用以代替轨道电路作为媒体来实现列车运行控制。CBTC系统的突出优点是可以实现车—地之间的双向通信，并且传输信息量大、传输速度快、很容易实现移动自动闭塞系统、大量减少区间敷设电缆、减少一次性投资及减少日常维护工作，可以大幅度提高区间通过能力，灵活组织双向运行和单向连续发车，容易适应不同车速、不同运量、不同类型牵引的列车运行控制等等。在CBTC系统中不仅可以实现列车运行控制，而且可以综合成为运行管理，因为双向无线通信系统，既可以有安全类信息双向传输，也可以双向传输非安全类信息，例如车次号、乘务员班组号、车辆号、运转时分、机车状态、油耗参数等等大量机车、工务、电务等有关信息。利用CBTC系统既可以实现固定自动闭塞系统，也可以实现移动自动闭塞系统。

CBTC系统的车地通信系统传输的安全类信息传输包括列车向地面发送的列车位置信息，以及地面向列车发送的列车控制信息等。这些信息是对安全性要求很高的数据，因此，对车地通信的可靠性要求很高。在IEEE 1474.1（2004）标准中，规定车地通信和地车通信的延时不能超过0.5~2秒，否则列车将会紧急制动。同时，车地通信的丢包率以及切换中断时间也是影响车地通信质量的重要指标。

“列车控制系统”（中国公开号：CN101391616A）的CBTC系统结构如图2所示。在实现列车运行控制的通信网络当中，列车在轨道上运行，车上的无线控制装置与地面的无线AP（Access Point）（访问接入点）通过无线通信的方式交换列车位置信息及列车控制信息。

其中地面控制器根据来自车载无线控制器的列车在线位置信息，生成发给车载系统的列车控制报文，并发送给第1个AP主机至第n个AP主机（n≥1）。第i个无线AP（i取1-m，m≥1）的处理周期通常与地面控制器的周期不同，第j个AP主机(j取1-n）实现地面控制器与对应的第i个无线AP的之间的数据收发同步及数据格式转换，其功能是接收所辖范围内第1个无线AP至第m个无线AP的信息，按照一定的格式组成帧，并以一定的周期发送给地面控制器。同样第j个AP主机将地面控制器发过来的信息每隔一定的周期发送给所辖范围内第1个无线AP至第m个无线AP，第i个无线AP再通过无线链路发送给车载无线控制器。不同的AP主机之间通常是独立的，不存在直接的物理上的连接关系。

列车上的列车位置信息通过车载无线控制器在无线链路上发送，安装在轨旁的第i个无线AP接收此信息，并将此信息通过光纤1和对应的交换机送至对应的AP主机，该AP主机再将此信息通过有线网和总交换机发送给地面控制器。而地面控制器产生的列车控制信息通过总交换机和有线网络先发送给第j个AP主机，第j个AP主机通过对应的交换机转发给连接在交换机上的第1个无线AP至第m个无线AP，第1个无线AP至第m个无线AP通过无线链路将信息发送给对应的车载无线控制器。

在进行数据通信时，需要设置发送端和接收端的IP地址。在CBTC的车地通信系统中，地面控制器发送数据给车载无线控制器时，各个AP主机为发送端，而车载无线控制器为接收端；车载无线控制器发送数据给地面控制器时，车载无线控制器为发送端，各个AP主机为接收端。

由于在地铁和轻轨线路上运行的列车数量较多，因此地面控制器在给列车发送列车控制信息时，先发送给第1个AP主机至第n个AP主机，第1个AP主机至第n个AP主机通常采用广播方式将所有的信息通过广播发送给其所辖的第1个无线AP至第m个无线AP和列车，此时的发送端地址设置为对应的AP主机的IP地址，而接收端的IP地址为255.255.255.255，即设置为广播发送。在线路上运行的所有列车都能接收地面发送的列车控制信息，列车上的车载无线控制器通过读取所收取信息的列车ID或其它标识判断是否是发送给自己的控制信息，从而进行进一步的信息处理。

而列车在线路上运行时，需要与轨旁的一个无线AP进行关联，该无线AP又隶属于其中的一个AP主机。列车上的无线控制器要发送数据给地面控制器时，必须先通过该AP主机转发，这是因为通常车载无线控制器通过无线链路发送数据的间隔通常较小，为几十毫秒，数据包长度也比较小，为几十个字节。该AP主机可以接收一个通信周期（通常为几百毫秒）内与其相连的所有无线AP接收的列车位置信息，并将其组成一个长度更大的数据包，并发送给地面控制器。而列车在线路上运行时，需要不断地切换与其关联的无线AP和AP主机，通常并不知道自己到达了哪一个AP主机的管辖范围，也不知道该AP主机的IP地址，因此在给该AP主机发送数据包时，只能以广播方式发送，即接收端IP地址设置为广播地址255.255.255.255。

第p车载无线控制器（每个列车上安装有1个车载无线控制器，p取1-K，K≥1）以广播方式发送数据存在一定的问题。如图1所示，第p车载无线控制器发送的数据包首先通过无线链路发送给地面轨旁与该列车关联的无线AP，该无线AP将数据通过有线网络发送给对应的AP主机。但是，该AP主机通过网络交换机与其管辖的第1个无线AP至第m个无线AP连接在一起，因此当该AP主机接收到列车发送的广播数据包后，将把数据包广播发送到对应的交换机上的所有端口，也就是说数据包会广播发送到连接到该交换机的所有无线AP（第1个无线AP至第m个无线AP），并通过这些无线AP发送给与无线AP关联的列车的车载无线控制器。

从以上过程可以看出，车载无线控制器对对应的AP主机进行广播发送数据时，数据不仅发送给该AP主机，也会发送给与该AP主机连接在同一交换机上的所有无线AP，并最终发送给与该AP关联的所有列车的车载无线控制器。由于第1个无线AP至第m个无线AP与车载控制器通过无线方式进行连接，这样势必会造成列车与地面之间的无线传输干扰增大，影响车地通信的性能。

因此，目前需要迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新地提出一种城市轨道交通系统的车地通信机制，避免列车与地面通信时出现太多的广播数据包，减少无线链路的干扰。

发明内容

本发明针对上述缺陷公开了一种城市轨道交通车地通信方法。

一种城市轨道交通车地通信方法包括以下步骤：

1）地面控制器通过总交换机给第j个AP主机发送数据时，以广播方式发送或单播方式发送；j取1-n；

2）第j个AP主机向车载无线控制器发送数据时，以广播的方式发送，设置接收端的IP地址为255.255.255.255，而发送端的IP地址为AP主机自身的IP地址；

3）第p车载无线控制器接收到与其连接的AP主机发送的广播数据包后，从广播数据包中获得发送数据的发送端IP地址，并保存下来，p取1-K；

4）第p车载无线控制器判断该广播数据包是否为发送给自身的，如果不是，则丢弃该数据包；如果数据包为发送给自身的数据包，则接收该数据包；

5）第p车载无线控制器向其连接的AP主机发送数据时，接收端IP地址设置为最新接收到的AP主机的IP地址，发送端IP地址设置为自身的IP地址；

6）与第p车载无线控制器连接的AP主机接收到第p车载无线控制器发送的数据后，将其缓存，并将一定周期内所接收的数据包重新组包，在该周期时刻到来时发送给地面控制器；一定周期的数值范围为200~500ms。

所述地面控制器通过总交换机周期性地向第j个AP主机发送数据；总交换机周期的数值范围为200~500ms。

所述第p车载无线控制器向与第p车载无线控制器连接的AP主机发送数据的周期小于地面控制器向第j个AP主机发送数据的周期。

本发明的有益效果为：在本发明中，地面控制器对车载无线控制器进行发送时采用广播机制，而车载无线控制器对地面控制器发送时采用单播机制，可以有效减少列车对地面发送时广播发送时的干扰，从而提高系统车地通信的性能。无论无线AP和车载无线控制器的参数如何设置，均与本发明无关。

附图说明

图1为CBTC系统数据通信结构示意图；

图2 为本发明的数据通信收发流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，地面控制器连接总交换机，总交换机分别连接第1个AP主机至第n个AP主机（n≥1），第1个AP主机至第n个AP主机分别连接第1交换机至第n交换机，每个交换机分别通过光纤1连接第1个无线AP至第m个无线AP（m≥1），第i个无线AP（i取1-m）以无线通信的方式连接第p车载无线控制器（每个列车上安装有1个车载无线控制器，p取1-K，K≥1）；

如图2所示，一种城市轨道交通车地通信方法包括以下步骤：

2）第j个AP主机连接对应的第1个无线AP至第m个无线AP，这些无线AP关联的车载无线控制器的数量和具体IP地址不能够被第j个AP主机获知，因此，第j个AP主机向车载无线控制器发送数据时，以广播的方式发送，设置接收端的IP地址为255.255.255.255，而发送端的IP地址为AP主机自身的IP地址；

地面控制器通过总交换机周期性地向第j个AP主机发送数据；总交换机周期的数值范围为200~500ms。

地面控制器接收第j个AP主机的数据的周期和地面控制器向第j个AP主机发送数据的周期均为T₁，第p车载无线控制器向与第p车载无线控制器连接的AP主机发送数据的周期为T₂，T₁>T₂。

地面控制器以T₁为周期向与其连接的AP主机和车载无线控制器广播发送列车控制信息，车载无线控制器接收列车控制信息，并保存所接收数据包的AP主机的IP地址。

车载无线控制器以T₂为周期向与车载无线控制器关联的无线AP和对应的AP主机（对应的AP主机连接与车载无线控制器关联的无线AP）以单播方式发送列车位置信息数据，数据包中的接收地址设置为所存储的AP主机IP地址。

AP主机接收T₁周期内所有车载无线控制器发送的数据包，并将其组成一个长度更大的数据包，在发送时刻将此数据包发送给地面控制器，从而完成车地通信的过程。

这种通信方式可能存在的问题是车载无线控制器在没有接收到地面控制器发送的信息之前，无法获得和设定需发送数据包的目标IP地址，因此需要预先设定车载无线控制器的第一个目标IP地址，即第一个AP主机的IP地址。在城市轨道交通车地通信环境中，网络结构和AP主机的设置都是固定的，因此车载无线控制器的第一个目标AP主机IP地址是可以设置的。

另外一个问题是当列车在不同的AP主机间进行切换（即与车载无线控制器关联的无线AP发生变化）时，发送数据包的目标IP地址会发生错误。

例如在车载无线控制器首先在第1个AP主机管辖的AP区间运行，此时车载无线控制器设置的目标IP地址是第1个AP主机的IP地址IP_Add₁，当列车切换到第2个AP主机所管辖的AP区间时，由于列车并不知道AP主机已经发生了切换，仍然以IP_Add₁作为目标地址发送数据，导致第2个AP主机接收不到此数据。但是第2个AP主机仍然会以周期T₁广播发送列车控制信息，当车载无线控制器接收到此列车控制信息时，就可以更新其下一个发送数据包的目标IP地址为2个AP主机的IP地址IP_Add₂，其后的数据可以正常进行。从以上描述可以看出，当列车在不同的AP主机间进行切换时，其发送的列车位置信息会发生短时间的丢失。但是现有的列车运行控制系统只有在车地之间的通信中断2秒以上才可能引起紧急制动，而地面控制器发送列车控制信息和接收列车位置信息的周期T₁一般不会超过500ms，因此所造成的通信中断时间也不会超过500ms，该通信中断对列车运行控制造成的影响非常小。

Claims

1.一种城市轨道交通车地通信方法，其特征在于，它包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种城市轨道交通车地通信方法，其特征在于，所述地面控制器通过总交换机周期性地向第j个AP主机发送数据；总交换机周期的数值范围为200~500ms。

3.根据权利要求1所述的一种城市轨道交通车地通信方法，其特征在于，所述第p车载无线控制器向与第p车载无线控制器连接的AP主机发送数据的周期小于地面控制器向第j个AP主机发送数据的周期。