基于WLAN的车-地传输技术在PSD系统中应用的可靠性研究

颜士博

*上海铁路通信有限公司 工程师，200071 上海

目前，已经成功应用于轨道交通车-地双向传输的技术包括:感应电缆环线、漏缆、波导、无线扩频等方式。而基于 WLAN(无线局域网)的802.11g技术，不仅满足像基于通信的列车控制(CBTC)系统这类安全业务的需要，也可将车-地之间不同业务信息在传输环节集成，实现传输资源的共享。但在轨道交通车-地双向传输系统测试中，WLAN的可靠性存在一定的问题，现结合上海地铁2号线安全PSD(站台屏蔽门)系统设计方案，分析车载MR在轨旁不同AP之间切换时，如何保证应用层信息在无线传输环节不中断，提高上层业务信息在无线通信链路传输环节的可靠性，探讨系统维护过程中需要注意的问题。

1 设计条件

针对上海地铁2号线的PSD系统车-地双向通信的业务需求进行系统设计，设计目标是实现列车在进站停车过程中，车-地之间可以建立稳定的WLAN传输信道，在列车停准、停稳后，通过本系统能实时传输ATC和联锁之间的PSD相关的控制指令和状态信息等，实现PSD与车门同步联动、自动开门、自动关门功能。与本系统相连的设备:车载ATC(列车自动控制)、轨旁联锁、屏蔽门控制系统。为本系统所提供的接口均为RS-422，应用层业务实体之间信息流的关系:

PSD控制器←→联锁←→车载ATC。

2 系统结构

系统采用 IEEE 802.11g标准，设备符合OFDM调制方式，工作频段为2.4 GHz，理论上最高传输速率为54 Mb/s。系统构成可分为:轨旁数据传输子系统、车-地无线传输子系统和接口适配3部分，如图1所示。

2.1 轨旁数据传输子系统

每个信号设备集中站，设计2台互为主/备的高性能工业以太网交换机，交换机型号为PT-7828，支持私有的Turbo Ring。当网络组件或线路发生错误或中断时，系统恢复时间＜20 ms(20个网络节点)，是目前最快速的工业以太网冗余环网。交换机已通过KEMA认证，符合NEMATS2和EN50121-4标准。

子系统主要传输ATS(列车自动监控))信息、轨旁邻站联锁信息。由于网络资源足够，轨旁PSD系统信息也承载在该网络上，与其他子系统共享轨旁数据传输网络资源，不再另外购置设备。

图1 车-地无线传输子系统示意图

2.2 车-地无线传输子系统

屏蔽门系统只在站台设置，所以轨旁AP(接入点)设备的无线信号覆盖整个站台即可，轨旁AP工作模式为Fit模式。

车-地无线传输是实现PSD信息在轨旁和车载设备之间传输的关键。车辆运行时要在沿线所有车站停靠，车载MR(移动电台)也需要随着位置的变化，实现在不同站台AP之间和同站台不同AP之间的切换。整个漫游过程对业务信息是透明的，虽然提供连接服务的轨旁AP和车载MR发生了切换，但承载在其上的业务层的服务是不会中断的。

当列车行驶到站台区后，车载MR持续搜索来自轨旁AP的信令信息。在车辆进站停车过程中，MR可能同时探测到多个AP信号，只要满足接入条件，MR就会同时与这些AP建立一主/多备的MESH链路，其中只有一个主链路处于Active状态，通过该链路传输业务信息，其他的链路处于Dormant状态。

本系统设计中，车载MR与轨旁AP均选用定向天线。

2.3 接口适配

按照目前的业务需求，系统涉及车载ATC接口、轨旁与联锁接口、联锁与屏蔽门接口。考虑到未来的需求，预留车载、轨旁和控制中心10/100 Mb/s端口各1个。车载MR与车载ATC的接口如图2所示。轨旁联锁与轨旁交换机的接口图3所示。

3 可靠性设计

从运行安全的角度讲，PSD系统是ATP(自动列车防护)功能的一部分，属于列车运行控制系统最为核心的安全子系统，系统设计时必须把系统的安全性、可靠性放在首位。本系统的安全设计主要体现在传输层和业务层。

3.1 传输层可靠性

1.轨旁不同AP之间实现主/备冗余。如图1所示，站台上、下行轨道每端都设有1台AP，站台同一端的2台AP互为主/备。正常状态下，MR会与相邻端的上下行2个AP同时建立主/备MESH链路，一旦主链路有问题，MR自动将备用链路升为主链路，保持车-地之间通信信道的连贯性，保证业务信息在传输过程中不会中断。因此保证MR在主/备AP之间的切换，是系统可靠性设计的关键环节。

2.不同AC之间实现主/备冗余。控制中心的2台AC完全独立，任何一个AC故障均不影响另一个AC和其注册的轨旁AP的工作。需要明确的是，AP与MR之间用于PSD的业务信息是无法到达AC的，该信息仅限于本联锁区段内。

3.轨旁数据传输网络之间实现主/备冗余。轨旁2个主/备数据传输网络完全独立，AP是通过轨旁数据传输网络连接到AC。正常的工作状况下，一个数据传输设备发生故障不影响另一个数据传输网络上的AC、AP和其上承载的业务。

4.不同业务之间的信息隔离处理。由于轨旁数据传输网络承载不同的业务信息，有必要把不同的业务通过VLAN进行隔离，为业务层提供一个干净的传输信道，避免不同业务信息相互影响，保证信息传输的安全性、可靠性。VLAN划分:VLAN1用于传输ATS和邻站联锁信息;VLAN2用于轨旁AP和AC之间的管理信息传输;VLAN3用于在车载ATC、轨旁联锁之间传输本地PSD业务信息，本信息仅存在于本联锁区段;预留的接口可根据业务种类划分到不同的业务VLAN。

3.2 业务层可靠性

不同的业务对可靠性和实时性需求是不同的，对于PSD控制业务，一旦车辆进站停车，轨旁AP与车载MR建立通信之后，轨旁联锁就会尝试与车载ATC进行连接，通过一系列的握手、认证之后，便可建立承载在WLAN传输信道之上的安全逻辑信道，专门用于本业务不同逻辑实体之间的信息传输。

3.3 切换过程分析

MR如何在不同AP之间切换，如何提高MR的切换质量，确保上层业务信息在无线传输环节的连续性、完整性，是系统设计中需要解决的核心问题。问题1，信号过弱，虽然MR可能与AP之间建立通信链路，但链路通常很难保证通信质量和有效带宽。问题2，列车进站停车过程MR需在不同AP之间进行切换，切换过程原则上越少越好，但实际与理想有较大差距，尤其是隧道环境。问题3，车载MR在轨旁主/备AP之间的切换过程需要一定的时间，只要切换速度足够快，上层的业务数据不会觉察到无线链路在主/备之间的切换，也不会出现丢包现象。

针对问题1和2，可以通过MR在不同AP之间的切换过程分析解决，如图4所示。

图4 MR在不同AP之间的切换过程

车载MR在进站停车过程中，首先与AP3(或AP4)建立MESH链路，随着车辆驶入站台停车位，AP3相对MR而言信号强度将逐渐减小，特别是在隧道环境下，由于车体巨大的屏蔽作用，进入站台后MR、AP3信号衰落过程将变得非常明显，一旦AP3的值或MR的值衰减到低于V1接入阈值(见图4)，AP3与MR之间先前建立的MESH链路将终止，而在中断之前，前面2个AP1和AP2的信号将越来越强。

在V2=0状态时，理想的情况下MR在AP3/AP2，AP2/AP1之间会切换2次，理想中的切换位置见图4中的C0和C1，但实际情况下，由于运行现场的环境比较复杂，通常不止2次，严重的情况下甚至出现来回切换的情况。这种频繁切换将严重影响系统的通信质量，容易造成业务数据丢失或中断。

只要V2设置合理，基本上可以确保列车在进站停车过程中，链路仅切换一次。以本工程为例，由于站台两端的AP1/AP2(AP3/AP4)之间的信号强度悬殊不是很大，将V2设置为15 dBm，基本就可以保证MR不会在AP1/AP2之间随意切换。

对于接入阈值参数，由于本工程中车-地之间的PSD控制信息需求的带宽很小，而且站台两端的AP间距不是很大，大约250～300 m;对列车实际运行现场采集到的数据进行分析发现，除了个别业务的信号比较强，大都是比较小的杂乱信息，包括乘客随身携带的2.4 GHz频段的设备，这些信号一般小于－85 dBm，因此将接入阈值设置为－80 dBm。实际应用中，这个值的设定还依赖于业务对带宽的需求和现场设备无线覆盖情况，不同设备厂商提供的参数也不尽相同，比如，本工程中所采用的设备提供参考数值分别为:－72 dBm/54 Mb/s， －91 dBm/6 Mb/s。

对于问题3，主/备链路之间切换的时间决定系统的丢包率、误码率，严重时甚至导致通信中断。由于该指标主要与设备自身的实现方式有关，通常无法直接从工程的角度解决，因此工程设计之初，需要根据实际业务需求对该指标进行控制。设备厂家提供的相关指标只能作为参考，最终决定系统可靠性的是业务实体之间端到端之间的时延，因此，需要结合工程实际进行现场测试和评估。

4 运维需要注意的问题

2.4 GHz作为开放频段，802.11 g共13个信道，无重叠的信道只有3个 (1，6，11)，其他信道使用的频率相互重叠，存在相互干扰问题。从列车运行现场监测到的实际情况看，轨旁虽然已存在不同信道的应用，但都没有发现因为相邻信道干扰而引起车-地传输中断现象。虽然如此，但为安全起见，地铁运营管理部门应该规范地铁运行现场2.4 GHz频段的应用情况。对于有车-地通信需求的相关业务，可以考虑在不影响既有业务正常运营的情况下使用预留的通信接口或使用富余的带宽信道，以达到资源共享的目的。

由于WLAN在车-地通信系统中属于比较新的应用，需要系统设计人员和运维人员，在运维工作过程中及时沟通、总结，并对运维过程中发现的问题进行跟踪研究，不断提高系统的可用性。

本系统采用WLAN无线局域网技术，解决了列车在进站停车过程中PSD系统对车-地双向数据传输的需求。投入使用半年多来，运营状态良好，满足了用户的实际需求，也为公司后续CBTC开发和建设积累了丰富的设计、开通和维护经验。

[1]刘靖.PIS移动宽带传输网建设与思考[J］.铁道通信信号，2010，6.

[2]刘晓娟.城市轨道交通智能控制系统[M］.北京:中国铁道出版社，2008.81.

[3]Matthew S.Gast.802.11 Wireless Networks:The Definitive Guide，Second Edition[M］.O＇Reilly.