上海轨道交通2号线车站无线接入点信号强度分布问题研究

吴 磊 邵跃堂 杨明来*

(1.上海应用技术大学轨道交通学院，201418，上海；2.上海工程技术大学电子电气工程学院，201620，上海//第一作者,硕士研究生)

无线通信目前已成为城市轨道交通领域车-地通信的主要方式，其通信的可靠性对城市轨道交通的安全起着至关重要的作用。近年来，我国普遍采用AP(接入点)设备作为节点组成的WLAN(无线局域网) Mesh网络进行车地间的信息传输[1]，但由于AP设备存在可靠性和技术制式等方面的原因，经常会出现车地通信的异常情况，造成列车信号沟通不畅、联动失效等问题，从而影响列车运行效率。本文以上海轨道交通2号线金科路站和张江高科站为工程背景，分析AP信号强度分布，找出其一般规律，并从场强角度分析AP设备易受干扰的原因，为分析通信故障提供参考。

1 车站AP信号强度测试方法

为保证测试条件的一致性，测试分有车和无车两种情况。本文采用FLUKE Air Check仪器采集数据，每9 m为1个测试点，每个测试点在有车和无车两种情况下至少测3组数据并取其平均值。

测量数据得到之后，采用Wireless Insite软件进行建模，通过对比发现仿真数据和实测数据相吻合，从而验证了模型的正确性。利用仿真车站模型AP场强空间的分布状况，总结AP信号强度分布的一般性规律，分析信号强度较弱且设备通信容易受干扰的位置，为AP通信故障分析处理提供理论支持。

2 车站AP信号强度仿真分析

2.1 仿真模型

车站AP场强分布仿真如图1所示。图1中，AP场强分布颜色体现了信号强度的强弱，色度条数据显示AP场强范围为-98.9～-26.8 dBm。通过和实测数据对比，可知AP场强衰减趋势一致，但数据存在偏差。

图1 车站AP场强分布仿真图

经过分析可知，仿真数据和实测数据存在偏差主要包括两个原因：

(1) 模型误差。在实际车站中存在的各种通信设备、复杂建筑结构以及人流都可以造成信号衰减，而仿真软件难以还原如此复杂的通信环境。这将会导致仿真结果和实测结果无法完全吻合。

(2) 测试误差。仿真图显示的是同一时刻下AP场强随距离的分布趋势，而在实际测试中各个点的场强并非同时测试，这也会导致数据存在误差。针对模型误差，本文在仿真车站模型中加入一些墙壁、钢轨等“障碍物”，力求接近真实通信环境。针对测试误差，在实际测量中每一个点需测试3组以上数据，并取其平均值，这样可降低一定的误差。通过修正模型，使仿真结果和测试结果相吻合。AP场强实测数据和仿真数据对比如图2所示。

2.2 有车和无车两种情况下AP信号强度分析

图3为张江高科站上行线有车和无车两种情况下AP信号强度的分布情况。由图3可知，有车时站内AP信号强度比无车时会增大。经计算，无车时站内AP平均信号强度约为-76 dBm，有车时约为-71 dBm，有车时AP平均信号强度比无车时约提升5 dBm。这是由于AP和MR(移动广播)进行报文传输前，会在公共信道进行一次“握手”，“握手”成功之后,为防止通信断连，信号强度将会被加强。

2.3 车站和隧道中AP信号强度分析

车站和隧道AP场强仿真如图4所示。由图4可知,车站内AP信号强度衰减速度快于隧道，并且在同样距离内，隧道AP信号强度高于车站。这是由于在客流以及车站复杂的环境下，AP场强衰落更剧烈，因此在车站中更容易发生通信故障[2]。为保证通信质量，在车站内两AP距离应比隧道内更短。

a) AP场强实测数据

b) AP场强仿真数据

图3 张江高科站上行线有车和无车时AP信号强度分布图

图4 车站和隧道AP场强仿真图

2.4 场强叠加

金科路站和张江高科站站内AP叠加场强的分布情况如图5所示。由图5可知,两AP间叠加信号强度成“马鞍形”，AP场强变化趋势符合交叉覆盖的规律，列车进站时会寻找最大的AP信号进行通信连接。由于车站中部AP信号强度最低，则在该位置最有可能发生AP通信故障。经过计算，两个车站AP场强重叠区的边缘场强在-80 dBm以上，这样就可以保证MR在两AP间平顺切换[3]。由图5可知，在距离90 m处AP场强波动基本均位于-80 dBm之上， 所以在外界没有大功率设备干扰通信的条件下，MR可在两车站AP间平顺切换且不会断连，但不排除其中一个AP设备发生故障或者车站周围存在大功率设备干扰信号而引起通信故障。

图5 车站AP场强叠加分布图

3 车站无线通信系统故障分析

目前，城市轨道交通无线通信大多采用2.4 GHz频段，此频段也是无线局域网、无线接入系统、蓝牙技术设备、点对点或点对多点扩频通信系统等各类无线电台站的共用频段[4]。因此，对无线通信系统造成干扰的主要是同频干扰。而造成通信质量下降的主要原因是信噪比下降。信噪比下降包括两个原因,分别为噪底抬升和饱和失真，因此在城市轨道交通车站内必须采取措施来防止噪底抬升和饱和失真的产生。

3.1 噪底抬升

噪底抬升原理如图6所示。由图6可知,正常情况下，由于基站信号功率较低，基站信号落入城市轨道交通通信工作频段内的干扰噪声信号功率亦较低，该通信工作频段内信噪比良好，故通信可正常进行；基站增大发射信号功率时，带来并落入到城市轨道交通通信系统工作频段内的干扰噪声信号功率较大，造成噪底抬升、信噪比恶化、通信异常甚至中断的现象。

例如，在上海轨道交通11号线嘉定段沿线有很多通信基站，且相互之间距离较近，基站信号落入到城市轨道交通通信系统频段内的功率很高，AP设备目标信号被基站信号湮没，造成信噪比较差,且低于噪声门限，甚至无法解调，导致AP时常出现通信故障、通信延时以及设备重启，为列车运行带来安全隐患。

a) 正常情况

b) 增大基站发射功率

3.2 饱和失真

通常情况下,射频接收机接收到的信号功率都很小，接收机需要将接收到的射频信号经过频率变换(下变频)和信号放大处理，并转变为ADC(模拟-数字转换器)采样电路需要的合适电压范围,因此接收机的接收链路具有移动的增益。这些增益在接收机中可以分布在RF(射频)频率部分及模拟基带信号部分。假设接收机最大输入电平为-50 dBm，在未加滤波器的情况下，接收机可接收到饱和失真的信号(见图7)。

图7 饱和失真原理图

由图7可知，由于基站发射过强的信号，接收机接收到的信号信噪比为7 dB>6 dB，理论上信号可以正确地进行解调，但由于接收机接收到的未经滤波器过滤的最大信号强度为-47 dBm，该值大于接收机的最大输入信号强度(-50 dBm)，这样接收机在处理信号的过程中会造成接收信号的失真，从而增加误码率[5]，使得车站内AP通信设备不能接收到完整且正确的信号，从而对车-地通信、AP-AP间的通信造成影响，存在一定的安全隐患。

4 车站无线通信系统故障解决措施

为减少AP信号误码率，以及提升信号强度，可从以下3个方面入手来保障车站无线通信系统的通信质量：①降低干扰源；②切断干扰路径；③合理布置AP位置。

4.1 降低干扰源

采取在基站侧加装滤波器来降低干扰源。基站侧加装滤波器的原理是降低干扰源干扰的一种方式，这种降低干扰源的方式主要是为了降低由于基站发射机非线性产生的落入到2.4 GHz频段内的干扰信号。

图8为加装滤波器和未加装滤波器两种情况下AP接收机接收到的信号在频域上的示意。未加装滤波器时，接收机接收到基站发送的信号如图10 a)中的灰色频谱所示，此时 2 400～2 420 MHz频段内AP接收到的城市轨道交通控制信号的信噪比为5 dB<6 dB，无法进行解调；加装滤波器后，接收机接收到的基站发送的信号如图10 b)中的灰色频谱所示，此时 2 400～2 420 MHz频段内AP接收到的城市轨道交通控制信号信噪比为10 dB,该值小于6 dB，可以进行正常解调。

a) 未加装滤波器

b) 加装滤波器

4.2 切断干扰路径

考虑到部分方案实施可能会影响移动基站信号，从而对城市轨道交通通信系统造成影响，因此可从切断干扰路径的角度出发来对方案进行优化，比如选择屏蔽墙设计方案。

该方案在加装屏蔽网之后，使得运行在屏蔽网中的通信系统的信道环境产生变化。这是由于站台或者高架上固定AP发出的无线信号向四周发射时，遇到屏蔽网会产生反射，进而会造成无线信号从固定AP到达列车MR,或者从列车MR到达固定AP之间的路径会有多条，即多径效应。通常情况下多径效应会使得同时从发射机发出的信号通过不同路径到达接收机的时间不同，从而产生时延。如果时延过大，则晚到的信号会叠加到下一帧信号中，从而降低下一帧信号的信噪比。但是多径效应对目前2号线通信系统的影响不大，主要原因如下:

(1) 屏蔽网屏蔽的空间较小，在固定AP与列车MR之间的多径信道传输路径段时延较小；

(2) 目前应用在2号线上的通信协议速率较低，仅有1 Mbit/s，因此帧与帧之间的时间间隔较大。

综上所述，屏蔽网的加装不会对城市轨道交通通信系统造成太大影响。

4.3 合理布置AP点位置

车站内AP通信要满足最低接收水平[6]。根据规范要求，最低信号强度要高于-80 dBm。但为了防止车站内相邻AP出现故障而影响到车-地通信，需要确保非相邻的两个AP留有足够的信号余量。通常车站内相邻AP的距离为170 m，非相邻AP的最短距离约为340 m。图3 b)中,两AP间距离大于100 m时，一部分信号强度落到-80 dBm以下;当两AP间距离为170 m时， AP场强会有较大几率处于-80 dBm以下，这影响到了AP-AP之间的通信;当非相邻的两AP间距离为340 m时，AP场强落到-80 dBm以下，使得误码率偏大，导致通信延时，从而增大了列车事故几率；当相邻AP间距离为100 m，且其中一个AP发生故障，而非相邻AP间距离为200 m，且在200 m内两AP平均场强处于-80 dBm以上，这样可保证较强的抗干扰能力以及良好的通信质量。

5 结语

本文仿真分析了上海轨道交通2号线车站内AP信号强度的变化趋势，阐述了AP场强分布规律，解释了较大波动幅度的信号强度对车-地通信的不利影响。当列车进站时，为保证车-地通信顺畅，可提升AP信号强度，防止断连影响列车运行。但如果车-地通信时AP未及时提升信号强度，导致通信不稳定，列车和控制中心信息不能同步，极可能会影响列车正常运行。通过分析，发现张江高科站和金科路站AP的场强分布曲线变化趋势均一致，证明车站内AP场强分布具有相似性，符合交叉覆盖规律，列车进站时需优先选择信号最强的AP进行连接。测试了上海轨道交通2号线江苏路站和娄山关路站等车站，发现均符合以上特点。根据无线通信的共性规律，由以上4站分析得到的场强规律均适用2号线；同时，采用相同通信机制的其他城市轨道交通车站内AP也同样具有相同的场强分布规律。针对这些场强共性，从降低干扰源、切断干扰路径和合理布置AP位置等方面提出增强信号强度和保障通信质量的措施，这对其他车站的车-地通信故障分析和AP位置布置也具有参考意义。