浅谈城市轨道交通车地通信质量的提升

陈志飞

目前，城市轨道交通信号系统大多采用CBTC系统。CBTC 系统是一个可提供理想追踪间隔的移动闭塞系统，列车与轨旁设备通过无线通信系统交互移动授权限制、列车位置、轨旁设备状态及其他ATS 相关操作命令等信息。车地无线通信质量将直接影响列车运行。本文以广州地铁21 号线为例，分析无线通信系统的故障原因，总结通信质量分析方法，提出故障处理和改善通信质量的措施。

1 无线通信系统结构

广州地铁21 号线采用泰雷兹Seltrac 无线通信系统，其DCS（数据通信系统）分为有线传输和无线传输2 部分。

有线传输部分，包括ATP/AP/ATS 骨干网、网络交换机、轨旁无线接入点等设备之间的数据传输，采用IEEE 802.3 通信标准，通过Hirschmann交换机和光纤进行车站之间的数据传输，列车控制子系统（ATS、VOBC） 和区域控制器（ZC） 以IEEE 802.3 报文格式直接通信。

无线传输部分，采用IEEE 802.11 标准和FHSS（调频扩频）技术，具有2.4 GHz 频段最强的抗干扰能力，实现轨旁无线接入点和车载移动无线设备之间的数据传输。列车上的电台适配器（SA）和地面的轨旁无线单元（AP）截取适合的报文，并通过已经建立的无线连接来传送。车地无线通信网络见图1。

图1 车地无线通信网络

AP 安装于轨道沿线，提供冗余和全线无线覆盖。2 个车载无线单元配置在列车两端，通过射频模块接入轨旁无线AP 构建的无线网络，对车地通信流量提供透明桥接服务，同时进行无线侧加密。

AP 发射的信号，经过轨旁馈线衰减、轨旁天线增益、车地通信的传输衰减后被车载天线接收，再经过车载馈线衰减，最终被OBRU（车载无线单元）接收。在车地通信中信号接收功率出现异常时，可通过链路逐段排查故障点。车地无线链路见图2。

图2 车地无线链路

2 分析方法

在列车运行过程中，如果通信质量不佳，可能会出现通信数据丢失情况；当通信数据丢失超过12 s 时，列车会触发紧急制动。出现这种情况时，现场维护人员一般会通过NMS（网络管理服务器）系统来检测AP 的连接状态及数据丢包率。但实际上，车地通信质量不佳的主要原因为列车接收功率较低，利用NMS 无法直接检测出来。通过对无线通信系统进行维护和研究，总结出统计数据和现场测量2 种方法。

2.1 统计数据

1）分析每日车地通信的统计数据。如果车地通信数据丢失超过3 s，HMI（人机工作站）上就会出现通信丢失报警，并显示丢失通信的计轴区段。如果此区段多次发生通信丢失，则证明此区段的通信质量较低。

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2） 分析AP 与列车关联次数。每日运营时刻表和上线列车数量不变的情况下，AP 与列车的关联次数应是相等的。除部分避让线、存车线等列车不经过区域，正线上的AP 与列车关联次数应不小于100 次。如果某个AP 与列车关联次数逐渐下降，或者关联次数较少，则证明该AP 本身存在问题。

3）分析无线漫游数据。车地通信质量直接反映在列车接收端上，通过分析运营列车采集的无线漫游数据，可以得到各个AP 的数据：①收集到的AP 场强最大值是否大于-40 dBm；②列车与AP 的关联顺序是否与AP 的实际布置顺序一致。

2.2 现场测量

2.2.1 测量AP 天线放大增益

若AP 的发射功率较低，则车载OBRU 接收到的功率也较低。由于AP 受环境因素影响较大，出现问题的概率较大，可通过检测AP 天线的放大增益来判断其状态。在轨旁利用频谱仪连接测试天线，对AP 放大增益进行测量，以判断其健康状态。

2.2.2 测量轨旁场强数据

由于轨旁无线AP 场强覆盖采用冗余结构，因此单个无线AP 的单个天线至少需要覆盖2 个AP的场强范围。无线冗余覆盖原理见图3。

图3 无线冗余覆盖原理

实际的区间情况较为复杂，隧道、高架、弯道、声屏障等地理因素，以及天线本身具有不同角度，均有可能导致区间AP 的无线覆盖场强不同。现场可以通过测量区间内场强的覆盖情况进行数据分析。将频谱仪与无线天线相连以接收场强。由于一个AP 的单天线至少需要覆盖2 个AP，以测量AP（N）为例，需要将AP（N+1）进行断电，使其不发送信号；在AP（N+2）的位置，将测量天线保持在与列车车顶相同的高度，在轨道中间，对着AP（N）方向的位置进行场强测量，利用频谱仪搜索场强峰值。测量要求场强平均峰值应大于-65 dBm。如果接收的场强过低，需要对天线进行角度调整。在弯道较大的地方场强覆盖情况较差，则需要考虑在场强较低的地方增加复示AP 天线，或者增加相应的AP 放大功率，保证场强覆盖达到要求。

3 处理措施

对广州地铁21 号线开通以来无线通信数据进行分析，其故障主要表现为：①区段内多次出现通信丢失报警，区段内AP 与列车关联次数较低；②列车与AP关联时长较低；③列车与AP关联顺序异常。

3.1 区段内多次出现通信丢失报警

1） AP 自身的发射功率较低，导致列车接收到的功率较低，因此通信质量不佳。这种情况需要逐段进行排查测量。AP 硬件连接如图4 所示，其中SDR 为轨旁无线AP 单元。

图4 轨旁无线AP 硬件连接图

设天线放大增益为PA，

式中：PSDR为固定值，可测量，一般大于16 dBm；A为整条链路的功率衰耗；L为馈线长度（m）；A滤波器为3 dBm，A衰减器为3 dBm （广 州 地 铁21 号线），A防雷器为1.2 dBm，A功分器为3 dBm/个；N为功分器的个数；A接头为0.2 dBm/个；M为接头个数。

利用公式（1）（2），可计算正常轨旁AP 的天线放大增益PA。以馈线长度为10 m、功分器数量为1 个、接头数量为5 个，PSDR为17 dBm 为例，通过公式（2） 计算出A=12.64 dBm，代入公式（1）计算出PA=4.36 dBm。

经过大量的数据验证，AP 的天线放大增益标准值为（5.5±2）dBm。若测量发现AP 天线放大增益低于此范围数值，需要逐段排查，找出问题部件并进行更换；若测量发现AP 天线放大增益高于此范围数值，则需要考虑在链路中增加衰减器，以符合天线放大增益标准。

2）区间无线场强覆盖较差，导致列车在运行过程中间断性丢失通信。在区间AP 布置中，原则上是每300 m 布置1 个，在高架区间则更密集。场强覆盖与天线本身的角度、隧道环境息息相关，若AP 发射功率正常，场强覆盖情况较差，应进行以下排查：①天线的布置应与钢轨平行，若轨道处于弯道，则天线应安装在弯道的外侧墙壁处，并且与远处的钢轨处于平行，以保证场强的正常覆盖。若现场无线AP 天线角度异常，应及时做出调整。②天线方向是否能覆盖到2 个AP 的距离。排查区间内是否有较大的弯道，是否有墙壁、防淹门等遮挡AP 信号的传输，若存在，则需要考虑消除遮挡因素、调整AP 天线位置，以及在相应的位置增加复示天线，以扩大场强覆盖范围。

3.2 列车与AP 关联时长较短

广州地铁21 号线2 个AP 之间最小的接入点距离Smin=230 m。设列车与单个轨旁AP 关联的最小时长为Tmin，列车运行的最大速度为Vmax=120 km/h。可以计算出：

即列车与AP 关联时长要大于6.9 s。通过收集列车接收场强数据可以计算出列车与每个AP 关联的时长，若关联时长小于6.9 s，则属于异常关联，需检查轨旁AP 及车载设备的硬件情况。

3.3 列车与轨旁无线AP 关联顺序异常

按列车运行情况分析，列车关联AP 的顺序应与轨旁AP 的布置顺序一致。通过收集列车漫游数据，可以获取列车与AP 关联的顺序。在正常情况下，列车关联AP 的顺序应该为AP （N）、AP（N+1）、AP （N+2）、AP （N+3） ……，如果关联顺序出现异常，则可能出现以下2 种情况：①被跳过关联的轨旁无线AP 的发射功率较低，导致列车无法与其关联，此时可对AP 分段排查，以及检查区段内场强覆盖情况，找出故障点；②被间隔接入的轨旁无线AP 发射功率偏高，通过增加衰减器来降低天线增益，保证场强均匀覆盖。

4 总结

车地通信质量下降有多种原因，通过以下几种方式可提升CBTC 车地通信质量。

1） 轨旁无线AP 天线放大增益的技术指标为（5.5±2） dBm，如果通过测试发现该参数异常，则需要对该AP 进行分段排查，找出故障点进行整治。

2）高架段轨旁无线AP 天线、接口、功分器等密封性不佳，会导致天线放大增益偏低，需要预先对高架段轨旁无线AP 相关部件进行防水整治。

3）列车与每个AP 的关联时长需要大于6.9 s，若关联时长偏低，则需要对相应的AP 和车载OB⁃RU 进行检查处理。

4） 列车关联AP 顺序应与AP 的物理位置一致，否则可能存在AP 天线增益过高或者过低的情况，需要进一步检查处理。

5）区间内无线信号场强覆盖应平均，若覆盖情况较差，应及时调整天线角度或增加复示天线。

总之，应把数据分析作为一个常态化工作，通过周期性收集通信丢失、列车漫游、列车与AP 关联次数等数据，以便对通信质量进行跟踪。这些分析方法可应用到AP 预防性维护、检修及故障处理中，从而有效提升车地通信质量，保障列车稳定运行。