CN111405524B - 一种多重车地无线通信系统及其通信方法 - Google Patents

一种多重车地无线通信系统及其通信方法 Download PDF

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Abstract

一种多重车地无线通信系统及其通信方法，设置在车头的车载信号设备同时通过采用第一种无线通信网络的两条车地无线通信链路与轨旁信号设备进行通信，设置在车尾的车载信号设备同时通过采用第二种无线通信网络的两条车地无线通信链路与轨旁信号设备进行通信，在发送数据时，专用通信通道选择设备将车载信号设备或轨旁信号设备发送的信号复制后分别发送给两条车地无线通信链路进行传输；在接收数据时，专用通信通道选择设备对通过两条车地无线通信链路传输的信号进行优选。本发明使车地通信的可用性和可靠性更高，抗干扰性能更强，传输性能更好。

Description

一种多重车地无线通信系统及其通信方法
技术领域
本发明涉及一种多重车地无线通信系统及其通信方法。
背景技术
目前国内地铁线路大部分都采用CBTC信号系统，CBTC信号系统基于通信实现车辆和轨旁信号设备之间的列控信息传输。轨旁和车载之间一般采用两套相互冗余的车地无线网络，早期线路采用两套WIFI方案的车地无线网络，新建线路一般采用两套LTE-M方案的车地无线网络。
相对于传统固定闭塞方式的信号系统来说，CBTC系统采用的移动闭塞能够实现更高的运营效率。CBTC系统的车地无线通信系统是实现列车控制信息在车地之间可靠通信的关键系统。目前国内已经运营的CBTC地铁线路中，前期开通的线路车地无线通信系统运行在2.4GHz频段，采用802.11相关的标准协议；从2016年底开始CBTC信号系统基本上都采用满足LTE-M标准的1.8GHz专用频段进行车地无线通信。
由于车地之间传输的列车控制数据是控制列车行车的关键数据，因此车地无线通信系统的可靠性就显得尤为重要，目前CBTC车地无线通信系统均为冗余通信系统，车地之间通信分为A、B两个网络，两个网络各对应一条车地无线链路，列车两端分别配置A、B网的通信终端设备，A、B网同时进行车地间列控数据的传输。但由于车地无线通信的开放环境存在各种不同制式的无线通信系统，CBTC车地无线系统不可避免的会受到其它无线系统的干扰，严重时会导致双网车地通信同时丢包从而影响整个CBTC系统的可用性。
对于采用2.4GHz公共频段WIFI方案的地铁线路，随着2.4GHz WIFI的广泛应用，车地无线系统受到2.4GHz同频干扰的风险更大，另外2.4GHz邻近频段如运营商4G无线系统也会对2.4GHz WIFI车地通信产生明显干扰。国内多条地铁线路都曾经出现信号系统被其它无线系统干扰影响列车正常运营的情况。
为提高基于WIFI方案的车地无线系统的抗干扰性能，我们先后通过无线信道冗余、无线频谱优化及采用窄带信道方案等多种方式增强WIFI系统的抗干扰性能，但当外界干扰信号强度造成WIFI信噪比不理想的情况下，车地无线系统仍很难完全规避外界干扰影响。对于国内多个基于WIFI方案的CBTC地铁线路来说，后续受到无线干扰的风险越来越大。
对于采用LTE-M标准1.8GHz(1785～1805MHz)频段的车地无线系统来说，也存在被其它无线系统干扰的风险。LTE-M的1.8GHz频段和移动DCS频段相邻，邻频区域会产生相互干扰，干扰较强时也可能会对地铁线路正常运营造成影响。
两套车地无线网络中的一套无线网络故障或受干扰后，车地之间只有单网通信，CBTC系统的可靠性将明显降低。
发明内容
本发明提供一种多重车地无线通信系统及其通信方法，车地通信的可用性和可靠性更高，抗干扰性能更强，传输性能更好。
为了达到上述目的，本发明提供一种多重车地无线通信系统，包含分别设置在每列列车车头和车尾的车载信号设备，以及多个轨旁信号设备，设置在车头的车载信号设备同时通过采用第一种无线通信网络的两条车地无线通信链路与轨旁信号设备进行通信，设置在车尾的车载信号设备同时通过采用第二种无线通信网络的两条车地无线通信链路与轨旁信号设备进行通信。
所述的多重车地无线通信系统还包含：分别设置在车载信号设备端和轨旁信号设备端的专用通信通道选择设备；在发送信号时，该专用通信通道选择设备将信号复制为两份后分别通过两条车地无线通信链路进行传输；在接收信号时，该专用通信通道选择设备接收通过两条车地无线通信链路传输的信号进行优选，选择最先到达的信号。
所述的专用通信通道选择设备通过三层交换机与车载信号设备和轨旁信号设备进行通信。
所述的专用通信通道选择设备通过二层隧道设备与车地无线通信链路进行通信，二层隧道的不同以太网端口对应连接不同的车地无线通信链路。
所述的车地无线通信链路包含：无线链路车载终端和无线链路轨旁设备，所述的无线链路车载终端将接收到的数据包通过所属的无线通信网络发送给所述的无线链路轨旁设备。
所述的第一种无线通信网络和第二种无线通信网络采用不同频段或不同制式的无线通信网络。
本发明还提供一种多重车地无线通信方法，在发送数据时，专用通信通道选择设备将车载信号设备或轨旁信号设备发送的信号复制为两份后分别通过两条车地无线通信链路进行传输；在接收数据时，专用通信通道选择设备接收通过两条车地无线通信链路传输的信号，选择最先到达的信号。
在发送数据时，专用通信通道选择设备为两份信号分别添加相同的通道选择协议标签；在接收数据时，专用通信通道选择设备选择具有相同通道选择协议标签的信号中最先到达的信号。
在发送数据时，二层隧道设备为信号添加不同的隧道标签，不同隧道标签的信号对应不同的以太网端口，并通过不同的车地无线通信链路进行传输。
本发明具有以下优点：
1、车地通信的可用性更高。由于车地通信的每个无线网络上各增加了一套无线链路，且冗余的无线链路同时工作，一条无线链路故障后实时切换到另一条无线链路，保证了在一套无线系统故障的情况下CBTC系统的双网车地通信不受影响。
2、车地通信的抗干扰性能更强，由于CBTC系统的两种无线通信网络中的车地通信分别采用不同制式的无线链路，只有两种制式的无线链路同时受扰才会影响车地通信，车地无线系统的抗干扰性能更好。
3、车地通信的可靠性高，专用通信通道选择设备在其它行业已有广泛应用，由于采用较为成熟的器件，其可靠性较高。择优选择无线链路也提高了车地无线通信的可靠性。
4、车地无线通信的传输性能更好，由于车地通信的两种无线通信网络分别有两条无线链路同时可用，且专用通信通道选择设备会实时选择传输性能更优的无线链路进行车地通信，因此车地无线吞吐量、丢包率、时延等传输性能指标均优于既有的车地无线系统。
5、方案实施简单，既有典型CBTC双通道无线链路方案能够比较方便的逐步平滑升级到四通道无线链路方案。
附图说明
图1是本发明提供的一种多重车地无线通信系统的示意图。
图2是本发明提供的一种多重车地无线通信方法的流程图。
具体实施方式
以下根据图1～图2，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供一种多重车地无线通信系统，包含：分别设置在每列列车车头和车尾的车载信号设备11，以及多个轨旁信号设备21，设置在车头的车载信号设备通过第一种无线通信网络与轨旁信号设备进行通信，设置在车尾的车载信号设备通过第二种无线通信网络与轨旁信号设备进行通信，进一步，设置在车头的车载信号设备同时通过两条车地无线通信链路与轨旁信号设备进行通信，设置在车尾的车载信号设备也同时通过两条车地无线通信链路与轨旁信号设备进行通信。
所述的多重车地无线通信系统还包含：设置在列车上的车载信号传输设备，以及设置在轨旁的轨旁信号传输设备，所述的车载信号传输设备与轨旁信号传输设备的结构和功能都相同，用于对传输的数据进行处理和选择。
在本发明的一个实施例中，以车载信号设备向轨旁信号设备发送数据为例，说明车载信号传输设备与轨旁信号传输设备的功能。
所述的车载信号传输设备包含：
车载三层交换机12，主要用于车载信号设备和轨旁信号设备之间的三层路由，其连接车载信号设备11和车载专用通信通道选择设备13，将车载信号设备11发送的数据包转发给车载专用通信通道选择设备13；
车载专用通信通道选择设备13，其连接车载三层交换机12和车载二层隧道设备14，将接收到的数据包复制为两份数据分别转发给车载二层隧道设备14的不同以太网端口，每个以太网端口对应连接到一条车地无线通信链路；
车载二层隧道设备14，主要目的是在三层无线链路上构建二层隧道，其连接车载专用通信通道选择设备13和无线链路车载终端15，将接收到的数据包转发给车地无线通信链路。
所述的每一条车地无线通信链路都包含：无线链路车载终端15和无线链路轨旁设备25，所述的无线链路车载终端15连接车载二层隧道设备14，所述的无线链路轨旁设备25连接轨旁三层交换机22，所述的无线链路车载终端15将接收到的数据包通过所属的通信网络发送给所述的无线链路轨旁设备25，所述的无线链路轨旁设备25将接收到的数据包发送给所述的轨旁三层交换机22。
同样地，所述的轨旁信号传输设备包含：
轨旁二层隧道设备22，其连接车地无线通信链路中的无线链路轨旁设备25和轨旁专用通信通道选择设备23，将收到的数据包转发给轨旁专用通信通道选择设备23；
轨旁专用通信通道选择设备23，其连接轨旁二层隧道设备22和轨旁三层交换机22，将最先收到的数据包转发给轨旁三层交换机22；
轨旁三层交换机24，其连接轨旁专用通信通道选择设备23和轨旁信号设备21，将接收到的数据包转发给轨旁信号设备21。
同理，当轨旁信号设备向车载信号设备发送数据时，车载信号传输设备与轨旁信号传输设备的功能亦然，仅数据传输方向不同，列车两端的数据转发相互独立，另一端采用相同的无线数据转发流程。
本发明在每列列车的车头和车尾各提供两套相对独立的车地无线通信链路，也就是第一种无线通信网络和第二种无线通信网络各有两套车地无线通信链路同时可用。
在本发明的一个实施例中，第一种无线通信网络和第二种无线通信网络选用不同频段的无线链路，可以为LTE和WIFI方案的组合，也可以为不同频段WIFI方案或不同频段LTE方案的组合。首选采用不同制式的无线系统(LTE和WIFI)组合，以增强系统的抗干扰能力。
车地无线通信链路两端依次与二层隧道设备、专用通信通道选择设备、三层交换机相连接，通过轨旁及车载三层交换机直接与轨旁和车载的信号设备进行物理接口。在信号设备和车地通信设备接口处，通过在轨旁设备和每列列车上增加专用通信通道选择设备，实现第一种无线通信网络和第二种无线通信网络之间，以及车地无线多重冗余通道之间的灵活选择，改变了现有情况下，在车地通信的一条链路故障或者受干扰情况下CBTC系统需降级运行的问题。采用隧道技术使得两条车地无线通信链路在车地通信两端与专用通信通道选择设备接口时均为二层网络接口。
如图2所示，本发明还提供一种多重车地无线通信方法(以第一种无线通信网络为例，且以列车到轨旁方向的数据包转发流程为例，轨旁到列车方向的数据包转发流程与此一致)，包含以下步骤：
步骤S1、车载信号设备发送的数据帧经车载三层交换机转发后到达车载专用通信通道选择设备；
步骤S2、车载专用通信通道选择设备将该数据帧复制为两个数据包，并分别在两个数据包上增加通道选择协议标签后，同时将两个数据包分别向车载二层隧道设备的不同以太网端口发送；
步骤S3、车载二层隧道设备收到车载专用通信通道选择设备发送的数据包后，分别将两个数据包添加隧道标签后，经由二层隧道分别转发给两条相互独立的车地无线通信链路；所述的隧道标签用于将数据包和车地无线通信链路进行匹配，实现两个数据包分别通过不同的车地无线通信链路进行传输；
步骤S4、轨旁二层隧道设备收到车地无线通信链路传输的数据包后，分别将数据包转发给轨旁专用通信通道选择设备；
步骤S5、轨旁专用通信通道选择设备判断哪个数据包先到达，将先到达的数据包转发给轨旁三层交换机，并丢弃包含相同通道选择协议标签的后到达的数据包；
步骤S6、轨旁三层交换机将接收到的数据包转发给轨旁信号设备。
本发明在既有CBTC车地无线链路的基础上，增加一重冗余，使得车头信号设备、车尾信号设备与轨旁信号设备之间的通信分别有两条相对独立的无线链路可选。通过在列车和轨旁增设专用通信通道选择设备，实现对当前最优无线链路的实时选择，保证车地双方向均能够选用当前两条车地无线通信链路中性能最优的无线线路，提高了CBTC车地通信的可靠性。专用通信通道选择设备成对使用，车载专用通信通道选择设备和轨旁专用通信通道选择设备之间通过双无线链路连接，两台专用通信通道选择设备外侧分别连接车地信号终端设备。
对于列车每一端来说，正常情况下两套车地无线通信链路同时工作，也就是同时进行数据收发工作，在其中一套车地无线链路故障的情况下，专用通信通道选择设备只对正常工作的车地无线链路传输的数据包进行收发，也就是说一套车地无线链路故障不影响列车的正常车地通信。当一条无线链路发生故障时，专用通信通道选择设备仍然能够通过另一条无线链路通信，此机制使得单个无线网故障对CBTC车地通信的影响降到最低。
在本发明的一个实施例中，两条车地无线通信链路都处于正常工作状态，车载三层交换机收到车载信号设备发给轨旁的无线数据包后转发给车载专用通信通道选择设备，车载专用通信通道选择设备将收到的数据包复制后同时转发给车载二层隧道设备的不同端口，车载二层隧道设备将两份数据包分别转发给无线链路车载终端，数据包经过两条车地无线通信链路到达无线链路轨旁设备，无线链路轨旁设备分别转发数据包给轨旁二层隧道设备，轨旁二层隧道设备将两路数据包转发给轨旁专用通信通道选择设备，轨旁专用通信通道选择设备将最先收到的数据包转发给轨旁三层交换机，轨旁三层交换机将数据包转发给轨旁信号设备。
在一条车地无线通信链路发生异常的状态下，车载三层交换机收到车载信号设备发给轨旁的无线数据包后转发给车载专用通信通道选择设备，车载专用通信通道选择设备将收到的数据包复制后同时转发给车载二层隧道设备的不同以太网端口，车载二层隧道设备将两份数据包分别转发给两条无线链路，数据包通过正常工作的无线链路到达无线链路轨旁设备，无线链路轨旁设备分别转发数据包给轨旁二层隧道设备，轨旁二层隧道设备将收到的数据包转发给轨旁专用通信通道选择设备，轨旁专用通信通道选择设备将收到的数据包转发给轨旁三层交换机，轨旁三层交换机将数据包转发给轨旁信号设备。
本发明的主要目的是提高既有信号系统车地无线通信的可靠性，通过在列车的前后两端各增加一条车地无线通信链路，每列车车头和车尾各两条不同的车地无线通信链路同时工作，专用车地通信通道选择设备实时选择当前最优的车地无线通信链路给信号设备使用，保证信号车地通信的质量。
本发明的列车车头和车尾的两套车地无线通信链路对车载信号设备仅提供一个IP子网接口，对于既有车头、车尾各一套车地无线通信链路的CBTC系统来说，车地两端的车载信号设备的IP地址不需要进行调整，仅在既有车地无线链路的基础上增加了一重冗余，对于既有信号系统增加无线链路冗余有很高的可行性。
相比于现有技术，本发明具有以下优点：
1、车地通信的可用性更高。由于车地通信的每个无线网络上各增加了一套无线链路，且冗余的无线链路同时工作，一条无线链路故障后实时切换到另一条无线链路，保证了在一套无线系统故障的情况下CBTC系统的双网车地通信不受影响。
2、车地通信的抗干扰性能更强，由于CBTC系统的两种无线通信网络中的车地通信分别采用不同制式的无线链路，只有两种制式的无线链路同时受扰才会影响车地通信，车地无线系统的抗干扰性能更好。
3、车地通信的可靠性高，专用通信通道选择设备在其它行业已有广泛应用，由于采用较为成熟的器件，其可靠性较高。择优选择无线链路也提高了车地无线通信的可靠性。
4、车地无线通信的传输性能更好，由于车地通信的两种无线通信网络分别有两条无线链路同时可用，且专用通信通道选择设备会实时选择传输性能更优的无线链路进行车地通信，因此车地无线吞吐量、丢包率、时延等传输性能指标均优于既有的车地无线系统。
5、方案实施简单，既有典型CBTC双通道无线链路方案能够比较方便的逐步平滑升级到四通道无线链路方案。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种多重车地无线通信系统，其特征在于，包含分别设置在每列列车车头和车尾的车载信号设备，以及多个轨旁信号设备，还包含分别设置在车载信号设备端和轨旁信号设备端的专用通信通道选择设备；
设置在车头的车载信号设备同时通过采用第一种无线通信网络的两条车地无线通信链路与轨旁信号设备进行通信，设置在车尾的车载信号设备同时通过采用第二种无线通信网络的两条车地无线通信链路与轨旁信号设备进行通信；
所述的专用通信通道选择设备通过二层隧道设备与车地无线通信链路进行通信，二层隧道的不同以太网端口对应连接不同的车地无线通信链路；
专用通信通道选择设备将信号数据帧复制为两个数据包，并分别在两个数据包上增加通道选择协议标签后，同时将两个数据包分别向二层隧道设备的不同以太网端口发送；
二层隧道设备收到专用通信通道选择设备发送的数据包后，分别将两个数据包添加隧道标签后，经由二层隧道分别转发给两条相互独立的车地无线通信链路；
所述的隧道标签用于将数据包和车地无线通信链路进行匹配，实现两个数据包分别通过不同的车地无线通信链路进行传输。
2.如权利要求1所述的多重车地无线通信系统，其特征在于，在发送信号时，所述专用通信通道选择设备将信号复制为两份后分别通过两条车地无线通信链路进行传输；在接收信号时，所述专用通信通道选择设备接收通过两条车地无线通信链路传输的信号进行优选，选择最先到达的信号。
3.如权利要求2所述的多重车地无线通信系统，其特征在于，所述的专用通信通道选择设备通过三层交换机与车载信号设备和轨旁信号设备进行通信。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的多重车地无线通信系统，其特征在于，所述的车地无线通信链路包含：无线链路车载终端和无线链路轨旁设备，所述的无线链路车载终端将接收到的数据包通过所属的无线通信网络发送给所述的无线链路轨旁设备。
5.如权利要求4所述的多重车地无线通信系统，其特征在于，所述的第一种无线通信网络和第二种无线通信网络采用不同频段或不同制式的无线通信网络。
6.一种如权利要求5所述的多重车地无线通信系统的多重车地无线通信方法，其特征在于，在发送数据时，专用通信通道选择设备将车载信号设备或轨旁信号设备发送的信号复制为两份后分别通过两条车地无线通信链路进行传输；在接收数据时，专用通信通道选择设备接收通过两条车地无线通信链路传输的信号，选择最先到达的信号。
7.一种如权利要求6所述的多重车地无线通信系统的多重车地无线通信方法，其特征在于，在发送数据时，专用通信通道选择设备为两份信号分别添加相同的通道选择协议标签；在接收数据时，专用通信通道选择设备选择具有相同通道选择协议标签的信号中最先到达的信号。
8.一种如权利要求7所述的多重车地无线通信系统的多重车地无线通信方法，其特征在于，在发送数据时，二层隧道设备为信号添加不同的隧道标签，不同隧道标签的信号对应不同的以太网端口，并通过不同的车地无线通信链路进行传输。
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