基于WLAN的CBTC车地通信系统研究

刘瑞豪，申绘欣，王晟辉，钱志浩，易敏达，原萍

摘要：本文结合CBTC系统中的车地无线通信的特点，分析主要的车地通信性能指标对列车控制系统的影响，并集中对列控对车地间通信的需求，分析列车在区间追踪运行时的通信中断时间，提出一个合适的系统通信中断时间门限值，以此对车地无线通信AP基站布设进行了设计;对影响列车越区切换的主要因素基于实际测量统计分析，最后给出一个越区切换的合理时间。

关键词：基于通信的列车控制系统;车地通信;丢包率;越区切换

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2014）41-0256-03

一、引言

作为CBTC的重要部分，车地无线通信极大的影响了整个运行控制系统的性能，向来都是研究的热点。在参考关于CBTC车地通信系统研究现状后，其中占较高比例的是关于大铁GSM.R，较少的是城轨WLAN无线局域网方面，且通信、列控相结合的方面有所不足。故本文以阐述城轨CBTC中车地无线通信特点为基础，分析了列车运行控制对车地通信系统的需求和影响列控系统的车地通信主要性能指标，并设计了对CBTC系统合理的主要通信参数，因此对这方面的研究本文具有一定的现实意义。

二、CBTC系统概述

基于通信的列车控制系统（简称CBTC）利用高精度的列车定位（不依赖于轨道电路），能够执行ATP、ATO及ATS功能的车载和大容量的车地数据通信、双向连续、地面安全功能的控制系统，它是新一代的ATC（列车自动控制能处理器的一种连续自动列车控制）系统，因此它也拥有ATO（列车自动驾驶）、ATS（列车自动监控）和ATP（列车自动防护）等功能。CBTC系统主要包括列车自动监控系统（ATS）、区域控制器（ZC）、计算机联锁系统（CI）、车载控制器（VOBC）、数据存储单元（DSU）、轨旁设备（WE）和数据通信系统（DCS）。

三、CBTC对车地通信系统要求的分析

1.影响列控系统的主要车地通信性能指标。通常可以从几项车地系统性能指标来分析CBTC系统中各个子系统之间ATC的传输的主要作用，其影响系统的性能指标大概分为两种：①区间连续丢包长度。通常会发现列车在快速运行过程中会导致列车和控制中心的通信信号衰落，产生连续的帧传输错误等，这是因为城市轨道系统复杂的无线通信使列车在阶段连续的信息传输期间获取到错误信息。如果把信号的接收功率和机器的速度大小联系起来，那么信号的衰落持续时间就是重要的统计量。②传输错误信息。由于无线通信会受到干扰等影响，因此会导致接收方错误译码或者译出错误信息。当出现一个危险点的时候，地面控制中心就会通过信号传输告诉列车必须在某个道岔前停止前进，而车载的接受设备译码错误，就会导致危险点提前从而产生安全问题。因此，可以根据CBTC对信息的要求从而确定车地间的通信情况。同时为了保证接收方能检测并排除错误信息，需要采用链路层提供的差错控制的方法。

2.列车控制对车地通信的要求。数据通信系统是CBTC的核心基础，通过无线通信可以传输大量车地信息。因此，如果数据通信系统产生错误信息，那么就隔断了调度指挥与控制的联系，从而延误列车的运行以及运输效率。车地通信在CBTC系统中是有周期性的。车载定位系统是依据列车轨道上的应答器来精确列车在数据库里的方位的，并根据记轴信息来明确当前列车的位置，再利用无线线路把行动列车的速度、运行情况等信息发送给列车自动监督（ATS）子系统和控制器（ZC）。列车运行到指定区域时，为了给后行列车生成移动授权（MA），地面区域控制器会在每段通信周期获取前车的所处区域点，然后根据这个区域点增加一段距离以起到保护效果。一旦列车与地面区域控制器间起着传输作用的无线链路发生故障，列车就会把前个周期所接受的信息当作本周期来制定移动授权。而作为列车控制系统，列车会依据收到的信息来完成调控。这些信息每次发送的格式都是近乎相同的，差别只是在于内容。然后用第二次发的信息来覆盖前一次内容。所以对列控系统而言，只要确保最新的MA信息能被列车在运动到制动点之前所接收到，那么一定数量上的丢失数据包对列车的运行不会产生影响。现在来说CBTC系统采用的信号中断时间的数据值只是依靠平时实践经验参考的。列车在判断安全包时，通信中断时间是必需的因素，于是列车运行控制系统的安全与效率在极大程度上受到它的取值合理性的影响。

四、CBTC中车地通信参数的研究

1.CBTC中基站范围的确定。①影响车地无线通信的因素：发射的输出功率;接收信号的灵敏度;工作的具体环境。此外，信号的传播方式与无线电工作的频率也有关。②AP布设位置的确定。CBTC要求对接收到信号的附近无线局域网的设备必须在无缝覆盖区沿导轨形式重叠，为了保证列车控制双向信息的可靠传输，在任何时间、任何地点，覆盖线基站的“每行密度”，应接近100%。要实现这样一个方式应使用定向天线AP覆盖地面，使用定向天线不仅可以提供更好的覆盖范围，更好的接收信号，也能让系统有非常好的抗外部干扰能力。因此，在无线网络规划与设计中，首先要调整两个相邻小区的覆盖，保证相邻小区均有覆盖区域。此外，为了保证切换成功，应考虑两个相邻小区有一定的重叠区域，确保其连续性和通信连接的可靠性。因此，要想减少弱电厂区出现的概率和顺利切换，一般要保证相邻区域的连接处有一定的重叠区。故180m的AP布置间距就能满足基本的车地信息传输。

2.区间连续丢包。2009年Samuel对802.119无线传输出现的丢包率特性进行了实验，无线用802.1lg，发送端用“iperf”按一定速度产生数据包，大小为1470bytes。接收端采用“windump”记录到达数据包。设置接收属性为冗余（verbose），以便能从ms级记录包的到达时间以及包间隔。实验分别采用了0.5、1和2Mbps不同的发送速率。其中l和2Mbps分别测试l个小时，0.5Mbps测试了4个小时，该实验共捕获了大概2，000，000个数据包。发现丢包率基本服从两种分布特性，当连续丢包数≤3时，服从GE模型;当连续丢包数>3，体现为一定的随机性。因此，更好的描述802.11b连续丢包特性的应该是两种模式的结合，组合了GE模型和大的连续丢包模型。发生的大的连续丢包现象有以下两种物理层的原因：第一种解释是外围因素的干扰，我们为此更换了实验环境，发现第一次测试的数据和新的实验数据结果相差无几，所以大的连续丢包现象并非外界因素干扰。经过使用不同AP和不同场景的实验数据发现，802.11标准自身是最可能造成这种现象的原因。测试数据中产生以上现象的结果使用的参数均为2Mpbs速率下发送的1470bytesUDP数据包。由此可估算出连续概率口计算值在0.0251～0.0273范围内，无线信道产生的衰落时间共计204.3ms，用此便可权衡连续丢包形成的中断时间。第二种解释是因为无线接入点（AP）自身，在突发丢包时，AP会提高速率增加吞吐量，但是会减低发送速率应对这种现象。为了形成对照，选定不可以自行速率调整的AP进行同上实验，测试数据显示依然有随机的大的连续丢包模型。所以发送数据时AP自身速率调整不支持这种解释。endprint

3.越区切换时间。越区切换是使车地通信系统中断的首要原因。当列车行驶至小区覆盖边界，首先需要中断和原先基站的联系，其次和目标基站开始连接，会在一段时间中使列车和控制中心的通信中断，也称为越区切换时间。①无线网切换过程。扫描、认证、重新关联是无线局域网越区切换中的三个重要步骤。扫描是车载SA收到的关联AP信号电平低于规定接收机最低检测电平时，会寻找信号强度比原先电平高的新AP并且关联;认证是车载SA确定接下来的关联AP然后发送认证信息;重新关联是列车给将要关联的AP发送一个连接的需求，AP收到这个需求后会给一个响应，使原来的AP解开与列车的链接，然后和新AP连接。②实验测试与结果分析。实验的环境是上海地铁9号线某段，AP布置间隔200m。分测试是列车在10kn/h、30km/h、60kn/h时的越区切换的中断时间。当速度为10km/h，切换发生时间为10：26：16，丢包数为11，切换时间为0.110;10：26：39，丢包数为11，切换时间为0.110;10：27：17，丢包数为12，切换时间为0.120;10：27：43，丢包数为11，切换时间为0.120;10：29：34，丢包数为11，切换时间为0.110。当速度为30km/h，切换发生时间为13：17：36，丢包数为13，切换时间为0.130;13：18：24，丢包数为12，切换时间为0.120;13：19：04，丢包数为13，切换时间为0.130;13：20：20，丢包数为14，切换时间为0.140;13：20：55，丢包数为11，切换时间为0.110。当速度为60km/h，切换发生时间为14：04：25，丢包数为57，切换时间为0.114;14：04：55，丢包数为63，切换时间为0.126;14：05：13，丢包数为75，切换时间为0.150;14：05：37，丢包数为110，切换时间为0.220;14：07：01，丢包数为65，切换时间为0.130。观察实验数据发现速度不断增大会使切换时间增加，但是大致均在220ms内。其原因是列车速率的增加使无线链接的误帧率增大，从而使切换信令过程中请求帧和响应帧丢失，造成列车速率增大时越区切换中断时间增加。分别实验切换门限为-50、-60及-70dbm时的越区时间。当切换门限为-50bm，切换发生时间为13：19：05，丢包数为13，切换时间为0.130;13：19：34，丢包数为11，切换时间为0.110;13：21：14，丢包数为12，切换时间为0.120;13：21：20，丢包数为13，切换时间为0.130;13：22：11，丢包数为13，切换时间为0.130。当切换门限为-60bm，切换发生时间为14：26：26，丢包数为13，切换时间为0.130;14：26：40，丢包数为14，切换时间为0.140;14：27：17，丢包数为12，切换时间为0.120;14：27：53，丢包数为13，切换时间为0.130;14：29：39，丢包数为12，切换时间为0.120。当切换门限为-65bm，切换发生时间为16：05：29，丢包数为13，切换时间为0.130;16：05：48，丢包数为14，切换时间为0.140;16：06：17，丢包数为13，切换时间为0.130;16：06：31，丢包数为11，切换时间为0.110;16：07：54，丢包数为15，切换时间为0.150。实验数据表明设置切换门限只与触发扫描的时机有关联，对切换中的整个过程影响很小。不过需注意，当有一个特定的AP时间间隔布局时，切换门限过低可能会导致列车错误运行到下一个区域的覆盖范围，并且信号强度比当前相关的AP高。但由于车载SA没有及时开关，这样将浪费系统资源;但切换门限太高又会使列车提前对信道进行扫描工作，同样也是行不通的。因此，需要在当前AP区间，基于区域覆盖边缘的信号强度进行对切换门限的合理设置来实现系统资源的合理配置。

五、结论

影响列车控制运行的一些主要指标有列车与地面指挥通信中断的时间，区间连续丢包和越区切换时间。据估算，可知在2.4G频段环境下合理的AP布置间距。与此同时，在立足于实验结果的前提下，可利用通用的经典分析衰落信道模型，在802.1lg环境下对其出现的连续丢包进行仿真。获得的无线环境下连续丢包概率值可能在0.0251～0.0273之间，衰落持续时间大致为204.3ms。然而考虑到通信中断的最不利因素，越区切换紧接在区间连续丢包之后，造成通信中断大约在400ms以内，结果也可以列入触发列车紧急制动门限的参考。

参考文献：

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