跳频扩频制式的车地无线通信系统性能测试方法

金 捷

(上海申通地铁集团有限公司技术中心，201103，上海//工程师)

在城市轨道交通领域，信号系统是集行车指挥和列车运行控制为一体的重要机电系统，直接关系到城市轨道交通系统的运营安全、效率以及服务质量。随着核心技术的不断进步，CBTC(基于通信的列车控制)系统的应用已经越来越广泛。CBTC的车地无线通信通过建立车地间连续、双向通信，使两者之间可进行实时可靠的信息交换，从而更精确地对列车定位，并缩小列车的安全行车间隔。

1 FHSS(跳频扩频)制式介绍及其特点

1.1 FHSS技术指标

FHSS是802.11初期采用的技术，是以一种预订的伪随机模式快速变换传输频率。FHSS使用的是2.4 GHz的ISM(工业、科学、医学)频段，具体为2.400 0～2.483 5 GHz，占用带宽83.5 MHz，并将此划分为79个信道，每个信道带宽为1 MHz。

FHSS制式信道分布图如图1所示，其中1个信道用于防护，剩余78个信道分成26个子信道，每3个信道作为1个子信道同时进行发送。系统工作时在发送和接收端必须使用相同的PN码(Pseudo-Noise Code)来确定发送和接收子信道的顺序。

图1 FHSS信道分布图

1.2 采用FHSS 制式的CBTC车地无线通信特点

采用FHSS技术作为CBTC 车地无线通信的主要优点是可以提高抗干扰能力。由于2.4 GHz为ISM开发频段，任何用户都可使用该频段，因此会造成该频段的电磁环境非常复杂。而FHSS可以有效地避免固定频段的干扰，即使受到干扰也只会造成瞬间的影响。

2 测试流程及内容

由于CBTC是基于无线通信的列车自动控制系统，CBTC车地无线通信的性能将直接影响列车的安全、高效运行。近年来国内已发生过因车地无线通信受到干扰而导致的运营故障事件。但目前对于采用FHSS 制式的CBTC车地无线通信仅通过对设备的工作状态进行检查，而没有完善的测试流程及测试方法对其性能进行有效评估，因此非常有必要对其测试的流程和方法进行研究。

2.1 测试流程

为了有效评估FHSS制式CBTC车地无线通信的性能，其测试流程如图2所示。流程主要包括测试准备、数据采集、问题分析、优化调整等4个部分。其中数据采集、问题分析、优化调整需要根据现场实际现状反复进行，直至满足标准要求为止。

图2 测试流程图

数据采集工作是整个测试流程中的核心内容，通过数据采集工作可以获取各项参数指标，由此为后续的问题分析、优化调整等打下坚实的基础。数据采集主要工作内容包括：① 网管数据采集；② 在线监听测试，通过捕获并分析车地交互的数据包，分析通信中断或错误的原因；③ 无线物理层测试，包括场强覆盖测试、漫游切换测试；④ 干扰测试；⑤ 端到端无线网络性能测试，包括丢包率测试、时延测试等。数据采集的测试框图如图3所示。

注:AP为无线接入点;SA为车载交换机图3 数据采集测试框图

通过分析采集的数据，发现网络中存在的问题，并提出相应的整改措施。调整完毕后再次进行数据采集，如果测试结果不能满足目标要求，则进行新一轮的分析和调整，直至满足目标要求为止。

2.2 网管数据采集

网管数据采集的工作主要包括对各种告警信息(如通信中断等)进行采集，判断告警主要产生的时间、闭塞区间；同时对设备配置参数进行采集，检查数据配置是否正确。

2.3 在线监听测试

在线监听测试是对CBTC车地无线通信进行在线监听，捕获车地无线通信交互的数据包，结合其他测试的结果和问题进行综合分析的测试。

2.4 无线物理层测试

无线物理层测试是对无线网络场强覆盖、漫游切换以及车地交互数据包的重传率、差错率等进行测试。通过测试了解各AP实际的覆盖情况，并检查是否存在弱场区覆盖或越区覆盖。

2.5 干扰测试

干扰测试主要测试CBTC使用频段是否存在其他无线信号干扰,记录干扰信号的最大电平、干扰频点等。干扰测试主要在开放区段进行测试。

2.6 端到端无线网络性能测试

端到端无线网络性能测试主要考察系统网络端到端(用户—AP—上层网)的数据传输时延(响应时间)、丢包率等，测试时可模拟CBTC实际业务的数据形式，如包长、协议类型等。

3 案例分析

以某地铁线为例，由于在实际运营过程中经常出现车地无线故障，因此对该线的CBTC车地无线通信性能进行了测试，并从无线物理层、干扰、端到端无线网络性能等方面进行测试分析，查找原因。

3.1 无线物理层分析

3.1.1 场强覆盖分析

对全线场强进行了测试，结果见表1。结果显示，全线场强基本满足要求，但部分位置存在弱区。

表1 全线场强覆盖统计

通过统计，各采样点中场强不小于-60 dBm的覆盖率达到了97.7%。进一步对各个AP覆盖情况统计分析，发现其场强覆盖较弱的AP如表2所示，该问题区段的场强覆盖图如图4所示。

从图4中可以看出场强覆盖较弱区段，尤其在A、B、C三处可能存在问题。经过现场勘查测试发现，A、B两处为轨旁AP天馈线故障所引起，而C处则为弯道，AP天线方位出现问题，无法有效覆盖，经过处理后，原场强覆盖较弱的AP均恢复正常。处理后原覆盖弱的AP场强统计表如表3所示。

表2 AP弱场覆盖统计表

图4 问题区段场强覆盖图表3 AP弱场覆盖处理后统计表

AP名称最小信号强度/dBm平均信号强度/dBm最大信号强度/dBmAP 1301-60-52-49AP 1305-62-53-50AP 1307-63-56-51

3.1.2 漫游切换分析

对于轨道交通而言，快速移动及动态通信是其重要特点，如果车载SA在多个轨旁AP之间连续切换出现错误或者漫游时延过长，就会严重影响应用层的使用。在本例中对全线的漫游切换进行了测试，测试发现AP漫游切换时间基本都小于100 ms，但是存在一处出现切换异常的区域。该区域正常漫游切换关系应为AP1322→AP1324→AP1326，但实际出现了乒乓切换。通过现场勘察，发现AP1324天线驻波较差，导致覆盖区域较小;而AP1326天线俯仰角过大，导致覆盖区域较远。通过现场调整后，此问题得以改善，如表4所示。

3.2 干扰分析

由于CBTC 车地无线通信使用2.4 GHz共用频段，因此在高架等开放空间存在系统外干扰的可能性很高。在本例中经过扫描发现，在开放空间的高架区段存在明显干扰，而地下隧道则没有干扰。2.4 GHz频段的干扰信号统计如表5所示。

在本例中由于整个干扰持续时间不长，而FHSS制式的车地无线通信可以有效防止单信道干扰，故本例未对干扰进行处理。对于出现的持续强干扰目前一般通过协商的办法，建议停用2.4 GHz频段，使其仅工作在5.8 GHz，以此来避免干扰。

表4 漫游切换对比表

表5 2.4 GHz频段干扰信号统计表

3.3 端到端无线网络性能分析

在车地之间模拟CBTC数据包的收发，选择类似的包长、协议等设置，进行连续的、动态的数据包收发测试，通过车载测试端与地面测试端之间的数据交互情况统计，来分析无线网络实际提供的包时延和丢包率情况，可以更真实地模拟实际使用中遇到的情况，并寻找问题。在本例中发现在场强存在问题的区域，其丢包率也大幅增加(如图5)，并且包时延也大幅增长(如图6)。

图5 问题区域丢包率图

在覆盖问题处理完毕后，端到端无线网络性能也有大幅度的改善，具体如表6所示。由此可以看出，本例中端到端无线网络性能的下降是由于场强覆盖所导致的。

表6 端到端无线网络性能对比表

图6 问题区域时延图

4 结语

CBTC车地无线通信的性能将直接影响列车的安全及高效运行。在无线通信过程中，存在着信道传播、外部环境等各种不确定性因素，往往给车地无线通信的良好运行带来潜在的危险。因此,不仅在工程验收阶段，而且在日常维护过程中也非常有必要对其性能进行测试。

在FHSS制式的CBTC车地无线通信性能测试工作中，通过对网管数据采集、在线监听测试、无线物理层测试、干扰测试和端到端无线网络性能测试等测试手段，从各个方面对车地无线通信的性能进行测试评估，从而找出影响网络质量的原因，并通过参数的修改、网络结构调整、设备配置调整等各种技术方法进行系统性能的优化，最终使车地无线通信的性能满足实际运营的需要，确保CBTC系统的可用性和可靠性。