CBTC系统无线通信采用UHF低频段的可靠性分析*

陆 璠 朱 翔 纪文莉 郑国莘

(1.上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,200072,上海 2.上海申通地铁集团有限公司技术中心,201103,上海∥第一作者，硕士研究生)



CBTC系统无线通信采用UHF低频段的可靠性分析*

陆 璠1朱 翔2纪文莉2郑国莘1

(1.上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,200072,上海 2.上海申通地铁集团有限公司技术中心,201103,上海∥第一作者，硕士研究生)

针对城市轨道交通基于通信的列车控制(CBTC)系统的无线通信受到WiFi(无线局域网)干扰,造成地铁列车停运的事件,上海申通地铁集团有限公司在张江实训线试验了406.5～409.5 MHz的无线通信用于CBTC系统的可行性。介绍了该系统的关键技术及传输方式。在实训线上对其信号覆盖、故障弱化及切换、抗干扰等进行试验测试，并结合这种新型模式的试验,对无线通信的可靠性进行建模并分析。测试及分析表明，采用UHF(Ultra High Frequency)低频段和基于漏缆传输的专频专网技术具有更高的可靠性和可用性。

城市轨道交通； 基于通信的列车控制； 数据通信系统； UHF低频段; 可靠性分析

First-author′s address Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks,Shanghai University,200072,Shanghai,China

城市轨道交通基于通信的列车控制(CBTC)系统利用无线通信作为数据通信系统(DCS)车地双向信息通道,首先要考虑无线传输的可靠性。国外应用CBTC的有北美的ATCS、日本的CARAT和欧洲的ETCS。国内开展了许多对CBTC通信性能的研究,文献[1-2]建立了铁路环境信道模型,分析高速铁路环境下无线传输误码率;文献[3]对DCS的结构和可靠性进行具体分析,提出冗余性策略和故障-安全策略;文献[4]综合了随机信道恶化、越区切换、无线接入设备故障等无线信道失效因素，提出了CBTC数据通信子系统非冗余结构和冗余结构的可靠性模型。深圳地铁出现CBTC受到WiFi(无线局域网)干扰事件后,CBTC采用专频技术已成为今后的研究方向。上海申通地铁集团有限公司在张江实训线开展了采用400 MHz频段基于漏缆传输的新型CBTC试验,本文针对这种新型的通信模式进行研究,以测试采用UHF(Ultra High Frequency)低频段和基于漏缆传输的专频专网技术的可靠性和可用性。

1 系统介绍

1.1 400 MHz系统关键技术

现有的DCS工作在2.4 GHz,采用了双向自愈骨干网环网和正交频分复用(OFDM)无线扩频技术,轨旁AP(无线接入点)接入方式。2.4 GHz属于UHF的高频段,采用基于802.11标准的WLAN(无线局域网)车地通信方式,无线覆盖范围大致在200 m。

本文研究的DCS工作在400 MHz,采用了包括码扩正交频分多址(CS-OFDMA)、智能天线、时分双工(TDD)、动态调制、动态信道分配等4G(第四代移动通信技术)主流技术。轨旁采用基带处理模块(Base band Unit,BBU)加光纤射频拉远模块(Radio Remote Unit,RRU)的基站模式,无线覆盖范围大致在1 km。根据应用场景的不同，系统提供不同的组网覆盖方案,分为单网交织冗余组网覆盖和双网交织冗余组网覆盖。本次张江实训线测试,无线侧覆盖方案采用红蓝双网与之对应,如图1所示。基站的功率达到33 dB,比WiFi的AP功率大很多。新技术采用漏缆无线覆盖,因此可将基站设置在车站机房,长度小于1.5 km的区间内无须设置任何有源设备。采用漏泄电缆覆盖的好处还在于当某个RRU出现故障时,其相邻两个RRU足以支撑车载设备与轨旁设备的正常无线通信。

图1 双网交织冗余组网示意图

1.2 传输方式比较

(1) 2.4 GHz天线模式:利用电磁波在空气中从发射天线到接收天线传输信号,无需线缆介质。根据城市轨道交通线状分布的特点,车载天线多采用全向天线,轨旁天线一般采用定向天线,以增加传输距离。天线覆盖的有效距离取决于发射功率、发射和接收天线的增益、工作频率以及接收机的接收灵敏度。以现在通用的工作在2.4 GHz频段的CBTC无线通信系统为例,其有效的覆盖范围大约为200 m。

(2) 400 MHz漏泄电缆模式:漏缆的系统损耗有耦合损耗和纵向的传输损耗两种,耦合损耗受电缆槽孔形式和外界环境对信号的干扰或反射影响,宽频范围内,辐射越强耦合损耗越低；传输损耗受传输距离影响,随着距离的增大而线性增大。两种损耗的均值随频率不同而不同,相关测试数据见表1[5]。本次400 MHz频段CBTC试验，无线传输的漏缆的主要系列为1-5/8,其最大覆盖范围一般为1 000 m。

2 张江实训线测试

2.1 测试环境

为了验证采用400 MHz频段4G技术的CBTC无线通信方案的可行性,在上海张江实训线上对信号覆盖、故障弱化及切换、抗干扰等进行试验测试。实训线总长约1.6 km,共设甲、乙、丙3个站台(乙站为虚拟站点,无站台,仅允许列车停靠)。其基站系统连接如图2所示。实训线上装有400 MH系统的红蓝网各2套基站,1、2通道信号通过4功分器耦合后接漏缆向东覆盖,3、4通道信号同理接漏缆向西覆盖,甲、丙两站用一条完整的漏缆进行信号覆盖。网络侧为红蓝网分别规划一个IP子网,均接到3层交换机上,然后再将交换机接入卡斯柯信号有限公司的CBTC系统。

表1 1-5/8系列漏缆在不同频率下的耦合损耗和传输损耗

SCPE—车载终端；SAC—部署业务接入控制器；PC1—模拟轨旁设备网络测试机器；PC2—模拟车载设备测试机器

2.2 测试结果

2.2.1 站内信号覆盖情况

测试时从站台内的最东侧到最西侧,每隔两个车门的距离(约10 m)选取一个测试点,记录下该点的终端接收信号强度(单位 dBm)。南北两侧各选取22个测试点,测试数据见表2。

表2 站内信号覆盖情况

从南北两侧相同位置的数据可以看出,大部分南侧信号比北侧信号稍强,且靠近RRU的测点信号相对要强一些。从张江测试线上的整体数据来看,全线信号强度基本在-75 dBm以上,满足终端同步及业务需求。

2.2.2 故障弱化及切换

400 MHz系统支持在基站与基站控制设备核心网SAC链路发生异常时对故障进行弱化,使终端能够完成在基站间的正常切换。对切换过程的丢包、时延变化情况加以考察。从诊断工具上看终端切换过程ping业务均没有丢包。同时在列车运行中开启帧录,对fping记录log,wireshark工具抓包,其基站间的切换情况如表3。

从wireshark抓包分析看,切换中基本没有出现发重复包,仅出现一次丢1个ping包。测得的越区切换平均时延比未优化前的越区切换平均时延低200 ms左右,满足要求。因此，系统在故障弱化状态下,终端能正常在基站之间进行切换,基本满足正常运行需求。

表3 基站间的切换情况

2.2.3 抗干扰情况

分别将天线置于车外、车内空旷处、驾驶室顶部安装天线处,记录各处的底噪频谱。以408 MHz为中心频率测试,车内空旷处及车外底噪没有明显差异,均在-110 dB左右(见图3)。在车头驾驶室顶部,即计划安装车载天线处,将天线从外部移动进去后,可看到底噪达到近-90 dB(见图4)。

3 可靠性分析

3.1 可靠性计算原理

CBTC车地无线通信容易受到以下三方面影响[6]:

(1) 轨旁单元故障：由于硬件故障或者软件故障导致车地无线通信不能正常工作。

图3 车内空旷处底噪频谱图

图4 驾驶室顶部底噪频谱

(2) 传输差错：由于轨道交通隧道环境复杂,引起的多普勒效应,多径反射以及各种干扰等的影响。

(3) 传输中断：列车经过相邻无线小区交界处时,由于越区切换的方式不合理或者无线电场强交叠区设置不合理，导致车地无线通信不能正常工作。

假定系统的任意状态表示为Pi=(i,j,x,y),其中i∈{0,1,2}表示轨旁单元正常工作个数,j∈{0,1,2}表示由于小区内的传输差错造成不能正常工作的个数,x∈{0,1,2}表示由于小区间的越区切换造成不能正常工作的个数,y∈{0,1,2}表示轨旁单元硬件或者软件故障个数；λ1,λ2,λ3分别表示传输差错、越区切换和轨旁单元故障的速率；μ1,μ2,μ3分别表示传输差错、越区切换和轨旁单元故障的修复速率。系统的马尔可夫链如图5所示。

当两个通信链路同时正常工作时,系统处于正常工作状态;当一个通信链路出现故障,另一个通信链路正常工作时,系统处于一般故障状态,可通过实施相应的处理方式加以解决;当两个通信链路同时出现故障时,系统处于致命故障状态。定义系统出现致命故障状态为吸收态,其特点是进入吸收状态的物理量无法再进行转变。

由图5可知,各个物理状态所处于的通信故障程度为:

S1(致命故障状态):(0,2,0,0)(0,0,2,0)(0,0,0,2)(0,1,1,0)(0,1,0,1)(0,0,1,1)

图5 马尔可夫链

S2(一般故障状态):(1,1,0,0)(1,0,1,0)(1,0,0,1)

S3(正常工作状态):(2,0,0,0)

根据建立的马尔可夫链[7],列出其状态转移矩阵为7×7阶矩阵,写成分块矩阵形式。其中，状态P1,P2,P3为吸收状态,转移概率为1；其它状态为瞬时状态,由其故障速率和修复速率决定。

由于有P1,P2,P3三个吸收状态,所以E为3×3阶单位矩阵；O为3×4阶零矩阵；R为4×3阶矩阵,表示从瞬时状态一步转移到吸收状态的概率；Q为4×4阶矩阵,表示从瞬时状态到瞬时状态的概率。

设a=(e-λ1t+e-λ2t+e-λ3t)/3，b=e-λ1t,c=e-λ2t,d=e-λ3t，e=e-μ1t,f=e-μ2t,g=e-μ3t，则p41=a，p44=1-a-e，p47=e，p52=a，p55=1-a-f，p57=f，p63=a，p66=1-a-g，p67=g，p74=b/3，p75=c/3，p76=d/3，p77=1-a。

N(t)=(E-Q(t))-1=

B(t)=N(t)R(t)

式中：

N(t)——期望转移步数矩阵；

B(t)——瞬时状态转移到吸收状态的概率。

3.2 实例分析

从上分析得出,单个系统的可靠性主要由故障速率和修复速率决定。表4给出了故障速率和修复速率的参数表[4],其越区切换故障速率的值要明显高于传输差错故障速率和轨旁单元硬故障速率,硬故障出现的概率最小。

表4 故障速率和修复速率参数表

通过计算,400 MHz和2.4 GHz单个单元的可靠性大致相同,可达到99.99%。对于一条线路,CBTC无线通信系统是由多个无线接入点组成的,当无线接入点的个数逐渐增加时,则其传输的可靠度会变差。现有的2.4 GHz系统每1 km大约需要设置5个AP,400 MHz系统需要设置1个RRU。从组网模式上来看，双网交织冗余组网覆盖模式也比单网交织冗余覆盖的可靠性更高。利用串联系统和并联系统可靠性的公式得到:

Rs1=RxRs2=Ry

Rs3=1-(1-Rs2)(1-Rs2)

式中：

Rs1,Rs2,Rs3——分别表示2.4 GHz系统、400 MHz系统单网冗余组网和400 MHz双网冗余组网的可靠度；

x——AP的数量；

y——RRU的数量。

400 MHz/2.4 GHz系统可靠度随距离的变化如图6所示。可见,随着距离增大,400 MHz系统的可靠度明显高于2.4 GHz系统的可靠度；双网交织冗余组网覆盖模式的可靠度也比单网交织冗余覆盖模式提高了两个数量级,更好地提升了系统的可靠性。在运营过程中,车载终端与轨旁设备的无线通信会受到无线小区内列车高速移动产生的多普勒效应和隧道壁反射引起的多径效应的影响,以及无线小区间越区切换的影响。随着运营距离的增加,列车越区切换的次数也愈加频繁,成为影响通信可靠性的主要因素。

图6 系统可靠度随距离的变化情况

以上海轨道交通为例,共有9条线路采用了现有CBTC系统(2.4 GHz,采用IEEE 802.11标准),其中5条线路采用跳频(Frequency-Hopping Spread Spectrum,FHSS)，4条线路采用OFDM多载波调制方式。根据AP的无线覆盖范围(约为200 m)和RRU的无线覆盖范围(约为1 000 m),预估算各线路沿线采用AP或RRU的数量情况及可靠性,如表5。

表5 上海轨道交通各线路沿线采用AP或RRU情况

随着单个单元可靠性(r)的增加,整个线路的可靠性(R)也会发生相应的变化。以上海轨道交通6、7号线为例进行计算,结果如图7所示。

图7 随着单个单元可靠度的增加整个系统的可靠性变化

4 结语

为了提高CBTC的可靠性,上海申通地铁集团有限公司在张江实训线做了工作在406.5～409.5 MHz频段基于漏缆传输的无线通信系统的CBTC开通试验。试验以及可靠性分析表明，采用UHF低频段和基于漏缆传输的专频专网技术提高了无线通信传输的可靠性。同时,当某个车站设备出现故障时,其相邻两个车站足以保障无线覆盖,支撑车载与轨旁设备的正常无线通信。CBTC无线通信系统采用专频技术将成为今后的发展趋势,CBTC新一代无线通信模式具有很好的应用前景,值得进一步工程试验。

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Reliability Analysis of CBTC Wireless Communication System Working in UHF Low Frequency Band

LU Fan, ZHU Xiang, JI Wenli, ZHENG Guoxin

Aiming at the problem of subway train stop caused by CBTC wireless communication under WiFi interference, the reliability of CBTC wireless communication on Shanghai Zhangjiang trainingl line that adopts the dedicated frequency between 406.5 MHz and 409.5 MHz is tested. In this paper, the key technology and transmission mode of the system, such as the signal coverage, failure-off and disturbance switching are introduced. Then, combined with the experiment of Shanghai Zhangjiang training line test, the reliability of wireless communication is modeled and analyzed. The results show that this technology working in low frequency band of UHF and the dedicated frequency based on the leakage cable transmission is reliable and applicable.

urban rail transit; CBTC; DCS (data communication system); low frequency band of UHF (ultra-high frequency); reliability analysis

*国家自然科学基金重点项目(61132003)面上项目(61171086);上海市特种光纤与光接入网重点实验室开放课题(SKLSFO2011-04)

U231.7

10.16037/j.1007-869x.2016.04.004

2014-05-19)