摘 要
本文介绍了CBTC控制中心、车载、设备集中站硬件的设备冗余结构，通信鉴权加密。分析了有线骨干网、车地无线通信网络的冗余性及可靠性。并提出了TD-LTE承载CBTC用以替代WLAN的优势及工程实际应用。
【关键词】CBTC 通信 可靠性
在城市轨道交通信号系统演化到无线CBTC系统后，面临的干扰、频谱资源冲突等一列挑战，令其数据通信系统的冗余性、可靠性要求的研究也面临全新的需求。提高CBTC中无线通信的可靠性问题，消除隐患，安全、可靠地承载CBTC的车地数据通信迫在眉睫。
城轨对CBTC系统的总体可用性指标一般为99.99%，平均修复时间MTTR为0.5小时。但考虑到故障发生时的复杂性，往往不能在0.5小时内排除所有隐患，有时甚至为了确保不影响正常运营，采取等待至运营结束后修复的策略。故作为其通信子系统要求设备的可靠性MTBF指标应尽可能高，尽量达到10万小时以上，以使通信子系统的可用性指标达到99.9995%以上。
这就要求从CBTC通信设计采用高可靠性的硬件，搭建合理的冗余构架，提高系统整体可靠性，并对通信通道采取适当的鉴权和加密措施。在CBTC系统中的通信可靠性依赖以下几个方面：
（1）基础硬件可靠性；
（2）通信鉴权加密；
（3）有线骨干网可靠性；
（4）车地无线通信可靠性。
典型的基于WLAN技术的CBTC通信框架（如图1所示）。
1 基础硬件可靠性
数据通信系统的可靠性依赖于基础硬件的可靠性。从服务器、工作站网卡，到接入层交换机、骨干网交换机，再到防火墙、路由器以及AP、车载无线电台，这些底层硬件的组合模式，冗余性措施又很大程度上影响了通信系统，乃至整个CBTC系统的可靠性与可用性。
硬件设备的可靠性经典的模型是浴盆曲线，按时间的推移，分3个阶段的故障模型：第1阶段是早期失效期（Infant Mortality）；第2阶段是偶然失效期，也称随机失效期（Random Failures）；第3阶段是耗损失效期（Wearout）。三个阶段的硬件失效率按先降、中平、后升的浴盆曲线规律变化。应根据各阶段特点，做好先期的烤机测试，中期保养，以及后期的按计划升级替换等工作。
1.1 控制中心硬件
控制中心（如图2所示）汇聚了关键的ATS设备：
核心设备双机热备：中央ATS服务器、数据库服务器等核心设备均至少部署2台，采用热备方式同时工作，要求故障切换时间均在1秒以内，对ATS运行图不产生任何影响，用户调度层面无感知。
重要设备多台共存：调度工作站等承担了指挥调控的重要使命，根据线路长路与管理的列车数量，配置3至4台的是线路正常运营的必要保障。
单机设备网络冗余：单机运行的设备，如网络管理服务器、ATS维护工作站、数据备份服务器、记录与回放工作站等设备适合于单机运行，故采用单台主机利用双网卡挂载到冗余的控制中心局域网络，避免了单网卡故障或单根网线故障导致的单机设备通信故障。
更高层次上，一些先进城市都在探索或实施控制中心异地灾备冗余，为控制中心。
信号系统与综合监控、主时钟、大屏、PIS、FAS、BAS等第三方外部系统接口有条件的情况下均应采用冗余的通道。
1.2 车载硬件
主流的CBTC车载构架为2oo3或2×2oo2安全计算机，目前2×2oo2（如图3所示）在可维护性方面占优，受到地铁运营及维保方的青睐。车载无线设备将为车载VOBC和经由无线接入点传输的轨旁ATC子系统提供不间断的双向传输通信。
车载网络应当被设计成两个互不相连的网络，避免出现强耦合性的网络导致两个车载网络同时出现故障的可能性。安装在车头和车尾车载电台MR分别为两个车载网络提供车地无线通信。任一车载电台或车载网络的单点故障均不影响车地无线通信。
1.3 设备集中站硬件
典型的轨旁硬件（如图4所示）主要是ATP/联锁、计轴、本地ATS等设备，一般采用2oo3或2×2oo2构架安全计算机，
通信层面普遍采用网络IP化构架，采用网卡Teaming及应用层Active-Standby等冗余技术，配合冗余的本地接入网及骨干网，能有效克服信号设备及网络的单点故障。
2 通信鉴权加密
CBTC的通信目前主流的协议仍停留在各信号集成商私有协议，或采用RSSP-I铁路信号安全通信协议。对EN50159-2提出的重复、丢失、插入、错序、错码、延迟、伪装等7类威胁中的“伪装”并不能提供完整的保护，故在车地无线通信层面，需要采用额外的安全措施，如采用LTE-M无线系统，或在WLAN无线系统上叠加安全保密器件（Security Device）来增加鉴权环节，防止非法用户入侵后采用“伪装”方式攻击信号系统，模拟移动授权LMA等关键报文信息从而造成的蓄意碰撞等安全隐患。RSSP-II协议虽对伪装等威胁具有协议层面的设计考虑，但由于其复杂性，秘钥体系的非流行化，暂未成为主流。
安全保密器件（如图5所示）在CBTC的应用程序之间起网关的作用，采用开放标准软件和IPsec协议，并提供鉴权和数据加密服务。只有当数据有正确的鉴定信息时，才允许通信从一个边界节点以加密的形式传送到另一个节点，并被解密还原。
3 有线网络可靠性
有线网络的可靠性，主要是对网络互联通道的冗余性、备份及切换机制的考虑和设计，通过精心的规划，保证在任意时刻节点间的路由可达，交换可达。
整个网络体系在有线网络层面（如图6所示）应具有分布式结构，分布式结构可以分散故障风险、隔离故障、提供冗余配置，提高系统的自愈能力虽然在网络中心节点，即控制中心不可避免的存在中央节点路由的汇聚，但可以在设计中尽量优化。在CBTC各子系统软件支持的情况下，应首选具有热备功能的控制中心异地备份方案。 4 车地无线通信可靠性
CBTC系统的车地无线通信主要是2.4GHz ISM频段的WLAN技术（802.11）和1.8GHz专有频段TD-LTE技术两大分支。新建CBTC线路倾向于使用轨道交通协会力推的1.8GHz （1.785～1.805GHz）频段的LTE-M标准，并在进一步摸索在此频段内使用CBTC专有承载，或是与PIS、CCTV、无线列调等共用综合承载。
WLAN技术由于每隔200米左右需布设AP点（如图7所示），沿线设备数量较多，根据可靠性串联模型，整体可靠性指标随线路长度及设备数量的增加而急剧下降。且AP等大量设备位于隧道或高架区间，AP天线进水等故障频发，维护时需要触网停电检修造成不便。且2.4GHz ISM频段日益拥挤，干扰情况严重，某些城市甚至由于频段设计冗余度不够，发生了地铁列车被乘客大量手持式2.4GHz MiFi设备干扰而逼停的尴尬场景。故在2.4GHz ISM频段部署AP用于CBTC通信，应采用抗干扰能力较强的技术，如FHSS（调频扩频）技术，使载波中心频点每隔几十毫秒发生伪随机跳跃，主动避开干扰源，并增强频谱密度，在空口竞争中获得优势，优先确保CBTC业务不中断。
在CBTC系统中引入TD-LTE，对相对低频的1.8GHz合理利用，采用射频泄露电缆作为传输介质，在异频同站址部署的情况下，通过合理的链路预算设计，可以使LTE基站射频单元（RRU）的部署间距达到1.8km。市区轨交线路基本可以做到两站区间内无有源设备，郊区线路在1.8km以上区段可在线路中间位置适当增补RRU增强无线覆盖。而漏缆的高可靠性可使其在几十年内长期免维护。因此TD-LTE及漏缆在CBTC系统中的应用，可有效增强CBTC系统车地通信的可靠性。
如图8所示，对拟采用TD-LTE承载CBTC业务的实际项目做的异频同站址的单漏缆部署方案，采用双核心网（EPC-A与EPC-B），两套频点独立的TD-LTE网络，车头和车尾两端独立部署的列车接入单元（TAU）所构成的CBTC车地无线通信网络。在成本允许的前提下，亦可在轨道上行和下行分别部署双漏缆，构成MIMO系统，提高抗干扰能力，增强冗余度，提升边缘带宽，进一步保障车地无线通信的高可靠性。
5 结束语
从目前中国轨道交通行业的发展趋势来看，无线CBTC系统已经成为主流，通信可靠性成为保障运营的重要基础，对城轨CBTC设计、施工、调试、运营、维保等方面具有重要的意义，应重点关注。
参考文献
[1]谢凡.城市轨道交通CBTC系统的数据传输子系统的研究[D].北京交通大学，2007.
[2]吴鹏.AES算法在CBTC中应用的研究[D].北京交通大学，2007.
[3]孙志浩.CBTC系统安全通信协议的研究[D].西南交通大学，2014.
[4]沈陈霄，方旭明，宋昊.浅析CBTC数据通信系统的安全隐患[J].铁道通信信号，2013，03：89-92.
[5]徐田华，李树，唐涛.列控系统中数据通信子系统可靠性研究[J].北京交通大学学报，2007，05：23-26+43.
