GRE 隧道在地鐵無線通信傳輸中應用
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摘要：為實現(xiàn)地鐵工程車智能安全監(jiān)控（ISM）系統(tǒng)對工程車冒進信號、異物侵限、擠岔脫軌、沖撞車擋、列車沖突等情況的智能化防護，系統(tǒng)信息、軌旁聯(lián)鎖信息、施工作業(yè)單信息和人員等信息的車地無線通信傳輸至關重要。文章通過介紹ISM系統(tǒng)對車地無線通信傳輸?shù)男枨?，對比分析多種車地無線通信傳輸方式，進而提出物聯(lián)網(wǎng)卡搭配通用路由封裝（GRE）隧道方案，實現(xiàn)ISM系統(tǒng)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)的車地無線通信傳輸，以滿足安全防護和監(jiān)控要求。該方案不僅適用于ISM系統(tǒng)，也適用于任意對數(shù)據(jù)安全有要求的車輛和設備。
關鍵詞：地鐵；ISM系統(tǒng)；車地無線通信傳輸；GRE隧道
1引言
隨著地鐵新技術的發(fā)展以及智能化水平的提高，各地鐵運營公司對地鐵列車實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠苍诓粩嗵嵘?，如智能運維系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、車廂視頻監(jiān)控、司機行為分析等都對數(shù)據(jù)的延遲、質量、帶寬、安全性和部署成本提出了越來越高的要求。在這些新技術試點過程中，安全、快捷并對現(xiàn)有運行系統(tǒng)產生較小影響的車地無線通信方案，逐漸受到各地鐵運營公司的重視。本文通過介紹工程車智能安全監(jiān)控系統(tǒng)（ISM）對車地無線通信傳輸?shù)男阅苄枨?，對比分析多種車地無線通信傳輸方式，進而提出物聯(lián)網(wǎng)卡搭配通用路由封裝（GRE）隧道的方案，實現(xiàn)ISM系統(tǒng)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)的車地無線通信傳輸，以滿足安全防護和監(jiān)控要求。
2ISM系統(tǒng)
地鐵工程車（圖1）主要用于地鐵車輛段場調車作業(yè)、線路施工和養(yǎng)護、正線突發(fā)事故救援等。由于車輛段場內股道和道岔較多、平行作業(yè)場景復雜、調車作業(yè)內容繁多，如果完全依靠人工控制，難免會發(fā)生場內調車作業(yè)冒進信號、異物侵限、擠岔脫軌、沖撞車擋、列車沖突等安全事故，而禁止段場內并行作業(yè)則會大幅影響施工效率。ISM系統(tǒng)可對工程車冒進信號、異物侵限、擠岔脫軌、沖撞車擋、列車沖突等情況進行智能化防護，同時該系統(tǒng)集成了司機行為分析、登乘人員人臉識別和行程記錄儀的功能，從而實現(xiàn)地鐵工程車的安全高效運作，有利于整體提升城市軌道交通系統(tǒng)的安全和管理水平。ISM系統(tǒng)對車地無線通信傳輸具有較高需求，如何在不影響其他系統(tǒng)的情況下，保證ISM系統(tǒng)可靠獲取軌旁設備數(shù)據(jù)、信號聯(lián)鎖數(shù)據(jù)、吊車作業(yè)單數(shù)據(jù)和車輛位置信息等，也成為整個系統(tǒng)搭建過程中的難點。
3車地無線通信傳輸現(xiàn)狀
目前，地鐵車地無線通信傳輸存在多種方式，主要可分為信號專用的長期演進的通用移動通信技術（LTE）、工務所使用的泛歐集群無線電（TETRA）系統(tǒng)、車地WIFI系統(tǒng)（地鐵移動互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（MMIS））和移動通信4G/5G業(yè)務等。上述通信傳輸方式均在地鐵的車地無線通信傳輸中有所運用，出于安全性考慮，除信號系統(tǒng)專用的LTE通信傳輸方式外其他方式均可適用于ISM系統(tǒng)。車地無線傳輸方式情況對比如表1所示。
4ISM系統(tǒng)無線通信傳輸帶寬需求分析
根據(jù)ISM系統(tǒng)的功能需求，分析該系統(tǒng)車地無線通信傳輸?shù)捻椖?、傳輸周期及帶寬需求，如?所示。由表2可得出ISM系統(tǒng)所需的固定周期帶寬為25kbps，條件觸發(fā)帶寬為8.02Mbps，合計峰值帶寬為8.04Mbps。該系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捄脱舆t都提出了較高要求，同時對車地網(wǎng)絡部署成本、難度及速度方面也有較高要求。通過對比表1及表2可以得出以下結論。（1）TETRA系統(tǒng)1個時隙最高帶寬為7.2kbps，已經遠遠不能滿足1臺工程車固定周期交互的數(shù)據(jù)量（25kbps），如果按多時隙建立通道則需固定多個時隙給工程車使用，會對TETRA本身的業(yè)務有較大影響。因此，因TETRA網(wǎng)的傳輸帶寬不能滿足工程車車地傳輸帶寬的需求，該方案不能用于本次試點測試。（2）MMIS系統(tǒng)可根據(jù)需求部署相關網(wǎng)絡，且?guī)捯罂梢詽M足需求，但由于全網(wǎng)包括基地全覆蓋施工成本大、施工周期長，所以只可以在已部署MMIS系統(tǒng)的線路試點使用。（3）移動通信的4G業(yè)務可以滿足業(yè)務的帶寬需求，且只需車載設備配屬4G模塊即可實現(xiàn)通信，具備部署難度低、成本低且迅速的特點，也可滿足科研試點的要求。（4）移動通信的5G業(yè)務與4G業(yè)務相比，在目前軌道交通車地無線通信傳輸中有更高的帶寬與更低的延遲，其余功能基本一致，在綜合考慮成本及使用工況的前提下優(yōu)先考慮4G方式。通過綜合考慮各種方案的車地無線網(wǎng)絡部署難度、成本及局限性，最終選用4G方式作為該系統(tǒng)的車地無線網(wǎng)絡傳輸方式。
5GRE隧道的應用
5.1GRE隧道介紹
4G車地無線通信方案通過運營商既有的物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)車地數(shù)據(jù)的傳輸。在考慮數(shù)據(jù)流的安全性、IP地址可控、實施難度、改造成本和調試時間等前提下，又分為網(wǎng)絡地址轉換（NAT）直連、常規(guī)虛擬專用網(wǎng)絡（VPN）和GRE隧道3種方案。GRE是一種常用隧道協(xié)議，是在網(wǎng)絡上建立直接點對點連接的一種方法，目的是簡化單獨網(wǎng)絡之間的連接。其通過將一個路由協(xié)議的數(shù)據(jù)包封裝在另一協(xié)議的數(shù)據(jù)包中，通過私有的“封裝”實現(xiàn)2個遠程網(wǎng)絡連接的安全性，并可實現(xiàn)2個遠程網(wǎng)絡達到直連的效果，它適用于各種網(wǎng)絡層協(xié)議。針對3種方案進行比選，其比選情況如表3所示。由表3可知，NAT直連方案因安全性最低，故不推薦采納。VPN方案則需在地面數(shù)據(jù)中心額外增設VPN服務器，在增加了系統(tǒng)建設成本的同時，也無法固定4G網(wǎng)卡IP地址，增加了系統(tǒng)對網(wǎng)絡鏈路的規(guī)劃和管理的難度。經過比選，最終采用的GRE隧道方案通過配屬專用物聯(lián)網(wǎng)卡以替代傳統(tǒng)手機所使用的SIM卡，其特點在于可實現(xiàn)建立GRE隧道的同時也能實現(xiàn)較高的安全性（如物聯(lián)網(wǎng)卡與使用設備進行綁定，如需更換設備需管理員進行授權），同時，可以將定制化的固定物聯(lián)網(wǎng)卡IP地址納入集團信息網(wǎng)的管理范圍。此外，其只需在車載端和地面段的接口端進行配置即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的聯(lián)通，避免后期ISM系統(tǒng)擴容后需額外配置的問題。
5.2GRE隧道實現(xiàn)方式
GRE隧道的具體實現(xiàn)方式包括以下2種：根據(jù)總體網(wǎng)絡規(guī)劃，對工程車終端、地面服務器及鏈路中網(wǎng)絡設備的IP進行規(guī)劃，確認終端及物聯(lián)網(wǎng)卡的IP地址；由物聯(lián)網(wǎng)平臺在配置卡的時候，將IP信息存入歸屬位置寄存器（HLR）中，同時在網(wǎng)關通用分組無線服務技術（GPRS）支持節(jié)點（GGSN）配置IP路由，分配專用通信傳輸隧道，工程車終端上線后從HLR中獲得固定IP，通過GGSN專用隧道與地面服務器通信。其流程如圖2所示。配置過程中需地面接口網(wǎng)關（實際為防火墻）與運營商服務器網(wǎng)關進行隧道相關參數(shù)的配置，實現(xiàn)隧道的搭建和聯(lián)通。而車載設備只需配置接入點名稱（APN）即可自動獲得相應的IP和網(wǎng)關地址，實現(xiàn)數(shù)據(jù)進入隧道。通過上述配置即可實現(xiàn)工程車終端與地面服務器的網(wǎng)絡連接，數(shù)據(jù)經過服務網(wǎng)關進行了私有的“封裝”并通過專用的隧道到達地面接口網(wǎng)關再進行解包，解包后的數(shù)據(jù)可以保證兩端的數(shù)據(jù)如同在同一網(wǎng)域直連的效果。數(shù)據(jù)在公網(wǎng)區(qū)域有私有“封裝”和專用通道，而外部的攻擊也因為沒有私有“封裝”無法進入相關終端，所以保證了數(shù)據(jù)的安全性和私密性。同時，改造只涉及車載終端增加4G模塊和地面接口網(wǎng)關與聯(lián)通的隧道調試，而使用期間的費用主要包括流量費及物聯(lián)網(wǎng)卡費用。
6結語
本文通過對比分析多種車地無線通信傳輸方式，進而提出物聯(lián)網(wǎng)卡搭配GRE隧道的方案，實現(xiàn)了ISM系統(tǒng)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)的車地傳輸，以滿足安全防護和監(jiān)控要求。該方案具有改造成本低、對設備需求性能小、設備部署簡單、數(shù)據(jù)安全性高等特點及優(yōu)勢，可以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)卡的IP固定，以便網(wǎng)絡的統(tǒng)一化管理和部署、防火墻白名單的配置等。同時，方案不僅可適用于工程車ISM系統(tǒng)，也可適用于任意對數(shù)據(jù)安全有要求的老車和設備的數(shù)據(jù)傳輸，還可作為WIFI方案部署完成前的過渡方案，具有一定的推廣價值。
作者:張軼 單位:上海申通地鐵集團有限公司 上海申中軌道交通運行安全工程技術研究有限公司