CN108259052A - 一种用于轨道交通的车载安全无线接入装置 - Google Patents

一种用于轨道交通的车载安全无线接入装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于轨道交通的车载安全无线接入装置，包括：射频单元，被配置成实现在支持LTE‑M无线通信标准下的专用频段无线通信；传输单元，被配置成将无线数据转发至各路以太网；安全处理单元，被配置成对有线、无线数据进行安全处理，确保数据传输安全性；供电单元，被配置成提供直流电压，直接通过背部连接器取电，并进行短路保护、过电压保护的安全处理以及功耗管理；网管单元，被配置成对车载安全无线接入装置进行基于网管系统的本地管理和远程管理；人机交互单元，被配置成指示电源、系统、无线和有线的工作状态，并通过标准接口进行配置管理；其中，所述射频单元、传输单元、安全处理单元、供电单元、网管单元、人机交互单元通过中央处理单元互相可通信。

Description

一种用于轨道交通的车载安全无线接入装置
技术领域
本发明涉及轨道交通行业通信领域，具体地，涉及一种工作在LTE-M专用频段的车载安全无线接入装置。
背景技术
LTE-M是针对城市轨道交通综合业务承载需求的TD-LTE系统，满足城市轨道交通互联互通和信息传输综合业务承载的运用需求。它在保证基于通信的列车控制系统(CBTC)车地信息传输基础上，可同时承载集群调度业务、列车运行状态监测、视频监控(IMS)、乘客信息系统(PIS)等运营安全信息。
LTE-M所承载CBTC业务包括列车控制信息、列车运行状态、区域控制信息等安全类数据，对无线传输系统的安全性和稳定性要求高。为了确保无线系统的安全性，TAU(列车接入单元，Train Access Unit)需要支持无线侧的安全保护和无线系统中有线侧的安全保护，以实现地面至车载设备端到端的安全保护。为了确保无线系统的稳定性，需要对TAU进行冗余处理和状态监控，这些措施能够确保无线系统故障，影响数据传输时及时做出响应。
在轨道交通实际应用中为了提升传输系统的简洁性和可维护性，部分非安全类业务也需要通过LTE-M进行数据传输，如乘客广播、车载监控视频等。LTE-M仅包含1785-1805MHz的20MHz带宽，其中非安全类业务一般占用10-15MHz带宽，同时，在多条线路并存的场景中，各条线路的信道需要尽量避免同频工作以防止同频干扰，种种原因使得LTE-M的带宽资源日益稀缺。因此，TAU需要支持窄带宽下的稳定工作，以确保在占用尽量少带宽的情况下满足各项业务的稳定传输。
综上，现有的LTE-M车载安全无线接入装置存在以下缺点：
(1)难以满足日益增多的轨道交通综合承载需求且系统适应性低：在综合承载的需求日益增多、多条线路并存等情况下，无线频段资源日渐稀缺，可用带宽逐渐变窄，需要LTE-M系统支持窄带宽下的稳定工作。同时既有的车载CBTC系统与TAU在接口、功能等方面不一致，导致在实际应用中需要车载系统针对TAU进行改动。适用性低给LTE-M无线通信系统的推广和应用带来很多问题。
(2)安全、可靠性有待提高：根据LTE-M相关规范要求，车载终端仅进行了无线侧数据加密，对有线侧数据没有进行加密处理，这使得无线终端所传输的数据存在被攻击的隐患。同时目前普遍应用的车载TAU部署方案，在无人驾驶、磁浮等可靠性要求极高的场景下不能满足其可靠性需求。
(3)可维护性较低：既有LTE-M设备由于对运行过程中的无线数据记录和存储功能较弱，导致在后期维护和测试中数据不全面，不利于故障定位和处理。
因此，亟需一种适用于轨道交通的安全、可靠、可维护的工作在LTE-M专用频段的车载安全无线接入装置。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种工作在LTE-M专用频段的车载安全无线接入。根据轨道交通综合承载特殊需求，从适用性、安全可靠性、可维护性等角度出发，采用窄带传输方式、多通道加密保护、可配置冗余处理、多方位状态监测管理等方式，实现了适用于轨道交通的安全、可靠、可维护的车载无线传输，确保所承载业务的中的可用性、安全性和可维护性。
本发明提供了一种用于轨道交通的车载安全无线接入装置，其特征在于，所述安
全无线接入装置工作在LTE-M专用频段，所述车载安全无线接入装置包括：
射频单元，被配置成实现在支持LTE-M无线通信标准下的专用频段无线通信；
传输单元，被配置成将无线数据转发至各路以太网；
安全处理单元，被配置成对有线、无线数据进行安全处理，确保数据传输安全性；；
供电单元，被配置成提供直流电压，直接通过背部连接器取电，并进行短路保护、过电压保护的安全处理以及功耗管理；
网管单元，被配置成对车载安全无线接入装置进行基于网管系统的本地管理和远程管理；
人机交互单元，被配置成指示电源、系统、无线和有线的工作状态，并通过标准RS-232串口进行配置管理；
其中，所述射频单元、传输单元、安全处理单元、供电单元、网管单元、人机交互单元通过中央处理单元互相可通信。
在一个实施例中，所述专用频段为1785-1805MHz。
在一个实施例中，所述射频单元被配置成支持窄带宽，其支持配置1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz信道带宽，并能够自动适配地面设备所配置的带宽。
在一个实施例中，所述射频单元被配置成支持可配置的QoS，确保在拥塞、强干扰场景下CBTC业务传输的稳定性。
在一个实施例中，所述射频单元的MIMO支持最多两进一出的MIMO工作模式，配备一主一辅两个天线接口，通过接收分集提高了射频信号质量。
在一个实施例中，所述传输单元将以太网口定义在背部48芯连接器内，与一般车载CBTC插件保持一致，同时提供多路以太网，支持VLAN划分，满足综合承载中多业务传输需求。
在一个实施例中，所述安全处理单元包括数据加密和校验模块、VPN隧道模块、NAT模块、路由模块、防火墙模块、VRRP模块和板位识别模块；其中：
所述数据加密和校验模块被配置成支持基于SNOW 3G、AES 128、国产ZUC的加密和完整性保护算法，并能够根据地面设备配置进行算法自适应；
所述VPN隧道被配置成支持GRE、IP Sec隧道功能，能够对数据进行端到端的VPN隧道处理，在无线加密后对数据包进行二次封装，实现了端到端的加密通信，确保了DCS系统中有线侧的数据安全性；
所述NAT模块被配置成对NAT/NAPT网络地址进行转换，使得地面服务器能够通过NAT/NAPT访问处于不同网段的车载设备；
所述路由模块被配置成支持静态路由，支持源地址、目的地址、下一跳配置；所述路由模块支持后路由功能，将路由器设置在LTE核心网，车载终端通过特殊工作机制与核心网进行路由和通信，防止传输地址被篡改；
所述防火墙模块被配置成对通过MAC地址、IP地址、端口的报文进行过滤，以防范非安全数据和非安全用户的入侵，且支持可配置的白名单；
所述VRRP模块被配置成支持可配置的双机冗余功能，正常运行时主设备正常工作，副设备上电待机并持链路畅通；当主设备故障时会自动切换至副设备继续传输数据，通过冗余提高了系统的可靠性；
所述板位识别被配置成与特定的车载设备配套使用时，能够实现插件识别所在物理位置的功能，以避免插件错位导致的电源短路、通信失效等故障。
在一个实施例中，所述供电单元提供的直流电压为24V，且所述供电单元还包括功耗控制模块，以控制所述车载安全无线接入装置的功耗使其具备长时间工作能力并能够在待机状态下保持低功耗运行以节省电量。
在一个实施例中，所述网管单元的远程管理包括参数查询配置、性能监测、故障诊断、告警、软件管理、能够记录和周期性发送至少包括RSRP、SNR的状态数据，其中发送周期为可配置。
在一个实施例中，所述指示装置包括2行4列的LED灯，通过灭、闪、常亮的指示灯状态分别显示电源、系统、无线和有线的工作状态。
本发明提出的工作在LTE-M专用频段的轨道交通用车载安全无线接入装置具有以下优势：在满足LTE-M相关标准的前提下，针对综合承载、车载CBTC设备在传输方式、设备维护、带宽支持等方面进行了适用性设计；对所承载的业务数据进行无线侧和有线侧的多途径安全处理，实现端到端的数据保护；通过电源、冗余设计提高产品可靠性；对设备状态监测、管理维护进行了优化设计，提高了产品的可维护性。
附图说明
本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。
图1为根据本发明一实施例的轨道交通用车载安全无线接入装置的系统架构图。
具体实施方式
以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
本发明的目的在于提供一种工作在LTE-M专用频段的车载安全无线接入。根据轨道交通综合承载特殊需求，从适用性、安全可靠性、可维护性等角度出发，采用窄带传输方式、多通道加密保护、可配置冗余处理、多方位状态监测管理等方式，实现了适用于轨道交通的安全、可靠、可维护的车载无线传输，确保所承载业务的中的可用性、安全性和可维护性。
为达到以上的目的，本发明提供了一种工作在LTE-M专用频段的车载安全无线接入装置，包括以下部件：
LTE-M车载接入装置由CPU核心单元107、射频单元101、传输单元102、安全处理单元104、供电单元104、网管单元105、人机交互单元106等构成。
本申请的车载安全无线接入装置具备基于LTE-M专用频段的无线通信和有线以太网通信功能，能对无线空口报文和有线以太网口报文进行透明转发，满足轨道交通无线传需求，对承载业务进行可配置的加密冗余、状态监测。
针对综合承载、车载CBTC系统的各项需求，本发明对射频单元101和传输单元102进行了优化设计。
射频单元101被配置成实现在支持LTE-M无线通信标准下的1785-1805MHz专用频段无线通信。
其中，射频单元101支持窄带宽，其支持配置1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz信道带宽，并能够自动适配地面设备所配置的带宽。
同时，射频单元101支持可配置的QoS(服务质量，Quality of Service)，确保在拥塞、强干扰场景下CBTC业务传输的稳定性。
此外，射频单元101的MIMO支持最多两进一出的MIMO工作模式，配备一主一辅两个QMA型天线接口，通过接收分集提高了射频信号质量。
传输单元102被配置成通过内部交换机芯片将无线数据转发至各路以太网。在一个实施例中，为了满足与车载CBTC设备的硬件兼容性，将以太网口定义在背部48芯连接器内，与一般车载CBTC插件保持一致。同时提供多路以太网，支持VLAN划分，满足综合承载中多业务传输需求。
为了实现无线传输过程中的安全防护、冗余设计，提高了无线系统的安全性和可靠性，本发明提供了安全处理单元104和供电电源103。
该安全处理单元104被配置成对有线、无线数据进行安全处理，确保数据传输安全性。该安全处理单元104包括数据加密和校验模块、VPN隧道模块、NAT模块、路由模块、防火墙模块、VRRP模块和板位识别模块。
该数据加密和校验模块被配置成支持基于SNOW 3G、AES 128、国产ZUC(祖冲之加密算法)的加密和完整性保护算法，并能够根据地面设备配置进行算法自适应。
该VPN隧道被配置成支持GRE、IP Sec隧道功能，能够对数据进行端到端的VPN隧道处理，在无线加密后对数据包进行二次封装，实现了端到端的加密通信，确保了DCS(数据通信子系统，Data DCSmunication System)系统中有线侧的数据安全性。
该NAT模块被配置成对NAT/NAPT(网络地址转换，Net Address Translation)网络地址进行转换，使得地面服务器能够通过NAT/NAPT访问处于不同网段的车载设备。
该路由模块被配置成支持静态路由，支持源地址、目的地址、下一跳配置；支持OSPF动态路由功能；支持后路由功能，将路由器设置在LTE核心网，车载终端通过特殊工作机制与核心网进行路由和通信，防止传输地址被篡改。
该防火墙模块被配置成通过MAC地址、IP地址、端口的报文过滤；以防范非安全数据和非安全用户的入侵；支持可配置的白名单。
该VRRP(虚拟路由器冗余协议，Virtual Router Redundancy Protocol)模块被配置成支持可配置的双机冗余功能，正常运行时主设备正常工作，副设备上电待机并持链路畅通；当主设备故障时会自动切换至副设备继续传输数据，通过冗余提高了系统的可靠性。
该板位识别被配置成与特定的车载设备配套使用时，能够实现插件识别所在物理位置的功能，以避免插件错位导致的电源短路、通信失效等故障。
供电单元103被配置成提供DC24V，直接通过背部连接器取电，并进行短路保护、过电压保护等安全处理。为了满足无人驾驶等长时间作业的需求，供电单元包括功耗控制模块，以严格控制车载安全无线接入装置的功耗，具备长时间工作能力，能够保持长期24小时不断电运行无故障，能够在待机状态下保持低功耗运行以节省电量。
为了实现多方位状态监测管理，本发明还提供了网管单元105和人机交互单元106。
网管单元105，被配置成对安全无线接入装置进行本地管理和基于网管系统的远程管理。包括但不限于：参数查询配置、性能监测、故障诊断、告警、软件管理等。能够记录和周期性发送RSRP、SNR等状态数据，数据存储容量达128GB、发送周期可配置。
人机交互单元106，包括2行4列的LED灯，通过灭、闪、常亮的指示灯状态分别显示电源、系统、无线和有线的工作状态，能够全方面的展示出产品各的工作状态，便于设备维护和故障定位。
此外，人机交互单元106通过标准RS-232串口进行配置管理，仅用于对设备进行管理，不用于业务数据传输。确保在以太网故障时仍能对设备进行配置和维护。
CPU单元107作为装置的核心单元，搭载运算器、控制器、寄存器。对无线数据的接收转发、处理和各项功能进行控制执行。
本发明提出的工作在LTE-M专用频段的轨道交通用车载安全无线接入终端(装置)具有以下特点：装置在满足LTE-M相关标准的前提下，针对综合承载、车载CBTC设备在传输方式、设备维护、带宽支持等方面进行了适用性设计；对所承载的业务数据进行无线侧和有线侧的多途径安全处理，实现端到端的数据保护；通过电源、冗余设计提高产品可靠性；对设备状态监测、管理维护进行了优化设计，提高了产品的可维护性。
这里采用的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。
同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于轨道交通的车载安全无线接入装置，其特征在于，所述安全无线接入装置工作在LTE-M专用频段，所述车载安全无线接入装置包括：
射频单元，被配置成实现在支持LTE-M无线通信标准下的专用频段无线通信；
传输单元，被配置成将无线数据转发至各路以太网；
安全处理单元，被配置成对有线、无线数据进行安全处理，确保数据传输安全性；
供电单元，被配置成提供直流电压，直接通过背部连接器取电，并进行短路保护、过电压保护的安全处理以及功耗管理；
网管单元，被配置成对车载安全无线接入装置进行基于网管系统的本地管理和远程管理；
人机交互单元，被配置成指示电源、系统、无线和有线的工作状态，并通过标准接口进行配置管理；
其中，所述射频单元、传输单元、安全处理单元、供电单元、网管单元、人机交互单元通过中央处理单元互相可通信。
2.如权利要求1所述的车载安全无线接入装置，其特征在于，所述专用频段为1785-1805MHz。
3.如权利要求1所述的车载安全无线接入装置，其特征在于，所述射频单元被配置成支持窄带宽，其支持配置1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz信道带宽，并能够自动适配地面设备所配置的带宽。
4.如权利要求1所述的车载安全无线接入装置，其特征在于，所述射频单元被配置成支持可配置的服务质量(QoS)，确保在拥塞、强干扰场景下CBTC业务传输的稳定性。
5.如权利要求1所述的车载安全无线接入装置，其特征在于，所述射频单元的MIMO支持最多两进一出的MIMO工作模式，配备一主一辅两个天线接口，通过接收分集提高了射频信号质量。
6.如权利要求1所述的车载安全无线接入装置，其特征在于，所述传输单元将以太网口定义在背部48芯连接器内，与一般车载CBTC插件保持一致，同时提供多路以太网，支持VLAN划分，满足综合承载中多业务传输需求。
7.如权利要求1所述的车载安全无线接入装置，其特征在于，所述安全处理单元包括数据加密和校验模块、VPN隧道模块、NAT模块、路由模块、防火墙模块、VRRP模块和板位识别模块；其中：
所述数据加密和校验模块被配置成支持基于SNOW 3G、AES 128、国产ZUC的加密和完整性保护算法，并能够根据地面设备配置进行算法自适应；
所述VPN隧道被配置成支持GRE、IP Sec隧道功能，能够对数据进行端到端的VPN隧道处理，在无线加密后对数据包进行二次封装，实现了端到端的加密通信，确保了DCS系统中有线侧的数据安全性；
所述NAT模块被配置成对NAT/NAPT网络地址进行转换，使得地面服务器能够通过NAT/NAPT访问处于不同网段的车载设备；
所述路由模块被配置成支持静态路由，支持源地址、目的地址、下一跳配置；所述路由模块支持OSPF动态路由功能；所述路由模块支持后路由功能，将路由器设置在LTE核心网，车载终端通过特殊工作机制与核心网进行路由和通信，防止传输地址被篡改；
所述防火墙模块被配置成对通过MAC地址、IP地址、端口的报文进行过滤，以防范非安全数据和非安全用户的入侵，且支持可配置的白名单；
所述VRRP模块被配置成支持可配置的双机冗余功能，正常运行时主设备正常工作，副设备上电待机并持链路畅通；当主设备故障时会自动切换至副设备继续传输数据，通过冗余提高了系统的可靠性；
所述板位识别被配置成与特定的车载设备配套使用时，能够实现插件识别所在物理位置的功能，以避免插件错位导致的电源短路、通信失效等故障。
8.如权利要求1所述的车载安全无线接入装置，其特征在于，所述供电单元提供的直流电压为24V，且所述供电单元还包括功耗控制模块，以控制所述车载安全无线接入装置的功耗使其具备长时间工作能力并能够在待机状态下保持低功耗运行以节省电量。
9.如权利要求1所述的车载安全无线接入装置，其特征在于，所述网管单元的远程管理包括参数查询配置、性能监测、故障诊断、告警、软件管理、能够记录和周期性发送至少包括RSRP、SNR的状态数据，其中发送周期为可配置。
10.如权利要求1所述的车载安全无线接入装置，其特征在于，所述指示装置包括2行4列的LED灯，通过灭、闪、常亮的指示灯状态分别显示电源、系统、无线和有线的工作状态。
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