城市轨道交通信号系统车地无线冗余方案探索

2022-10-27王壮

铁路通信信号工程技术 2022年10期

王壮

（卡斯柯信号有限公司，北京 100070）

通信技术飞速发展，基于通信的列车控制系统（Communication Based Train Control， CBTC）应运而生，并成为城市轨道主流信号系统。近年来车车通信、虚拟联挂技术的出现使信号系统不断向自动化和智能化迈进，对系统的可靠性要求也逐步提高。无线系统作为信号系统的一部分，需同步提升车地无线传输可靠性，降低因无线系统异常导致车地通信中断，影响行车的风险。

1 传统无线系统冗余架构

车地无线系统均按照冗余架构设计，以长期演进技术（Long Term Evolution，LTE)作为车地无线系统解决方案为例，信号系统无线冗余架构如图1所示。

轨旁部署两张独立冗余的LTE无线传输网络A网（绿）和B网（橙），网络由核心网设备（EPC）、基带处理单元（BBU）、射频拉远单元（RRU）、骨干环网交换机、电源设备等构成。

车辆在每列车的两头各安装一台无线终端（TAU），车头TAU集成A网无线Modem，并与蓝网车载控制器（VOBC）网络连通，传输车地信号蓝网业务；车尾TAU集成B网无线Modem，并与红网VOBC网络连通，传输车地信号红网业务。

车载控制器和轨旁信号设备间的车地通信业务为双向数据传输，通过无线设备构建了用于车地数据交互的无线通信链路。因此，车载和轨旁设备通信存在2条无线通信链路。

数据链路1：头端-蓝网VOBC⇄头端-蓝网TAU⇄头端-A网无线Modem⇄轨旁-A网无线设备⇄轨旁蓝网信号设备。

数据链路2：尾端-红网VOBC⇄尾端-红网TAU⇄尾端-B网无线Modem⇄轨旁-B网无线设备⇄轨旁红网信号设备。

2 无线系统冗余改进方案

2.1 冗余改进架构

传统无线架构下，单列车共有2条无线链路实现车地通信功能，冗余方案优化以提升无线链路冗余度为突破口，在既有2条无线链路基础上，再增加2条无线链路，实现单列车共4条无线链路。在传统无线框架下需增加如下设备，如图2所示。

轨旁需在冗余的信号网络和LTE网络边界处各增设动态链路控制服务器（DRCS），每台DRCS同时连接无线A网和B网。

车载头部和尾部TAU中各增设一套无线Modem和一套动态链路控制模块（DRCC）。TAU中增加无线Modem后，每台TAU可同时接入轨旁无线A网和B网。新增的模块和服务器设备均采用通用非定制化设备，不会大幅度提高无线系统成本。

TAU只与本端VOBC连接，仅传输本端网络信号业务。以蓝网车地列车控制业务为例，蓝网VOBC和轨旁区域控制器（ZC）蓝网通信，头端蓝网VOBC将信息发送至头端蓝网TAU，TAU通过车地无线网络将信息发送至轨旁ZC设备，由于TAU同时具备2条无线链路可供使用，需选择其中一条无线链路传输信号业务。车载部署DRCC，轨旁部署DRCS完成链路监测和无线链路选择工作。

车地无线增加如下2条链路。

数据链路3：头端-蓝网VOBC⇄头端-蓝网TAU⇄头端-B网无线Modem⇄轨旁-B网无线设备⇄轨旁蓝网信号设备。

数据链路4：尾端-红网VOBC⇄尾端-红网TAU⇄尾端-A网无线Modem⇄轨旁-A网无线设备⇄轨旁红网信号设备。

列车头端和尾端的VOBC共有4条无线链路和轨旁信号设备进行通信。

2.2 链路监测原理

车载DRCC和轨旁DRCS进行通信，实时监控无线链路状态。

列车上电后，车载无线Modem立即发起入网请求，A网和B网的无线Modem入网成功后，DRCC端申请和DRCS建立通信隧道链路，在A网和B网上各建立一条隧道链路。

隧道建立完成后，车载DRCC以时间t为周期（t可配置，默认25 ms）向轨旁DRCS和无线Modem发送心跳信息，轨旁DRCS和车载无线Modem收到心跳信息后立即回复，车载DRCC根据回复内容计算每条链路的时延、抖动等重要通信指标，并结合无线Modem回复的无线侧状态信息（信号强度、信噪比、入网信息等），综合评估A网和B网无线链路健康状态，实现对链路的实时监测，如图3所示，选取最优无线链路传输车地列车控制信息。当A网和B网无线链路均正常时，优先使用默认链路传输，蓝网的默认链路为数据链路1，红网的默认链路为数据链路2。

2.3 链路控制原理

车载TAU持续对2条无线链路进行健康状态评估，并选取最优链路传输列车控制业务，当业务传输链路健康状态恶化时会触发链路倒换机制，确保列车控制业务始终在最优无线链路上传输。

无线链路倒换触发主要考虑链路时延和丢包等指标。《LTE-M》规范中规定，列车控制业务要求通信系统单路单向传输时延不超过150 ms的概率不小于98%，不超过2 s的概率不小于99.92%；列车控制业务要求丢包率不超过1%，通信中断时间不超过2 s的概率不小于99.99%。

在满足《LTE-M》指标要求的前提下，结合列车控制业务设备间的最短通信周期及通信超时造成列车紧急制动的最大时间等因素，制定链路倒换触发时机和链路倒换研判机制，需避免在链路状态恶化时出现频繁倒换或不倒换的情况，影响列车控制业务传输。链路倒换时机触发设定为心跳回复信息连续丢包超过4个或连续4个包的时延超过100 ms时，启动链路研判并进行链路倒换。以蓝网为例，链路倒换触发时机和研判逻辑如图4所示。

2.4 设备故障旁路功能

轨旁增加DRCS，用于对所有列车车地无线链路的监测和选择，如DRCS设备出现断电或宕机等故障，连接到这台设备上的网络通信中断，导致对应网络的车地控制业务信息断开。为保证DRCS设备故障情况下无线链路依然可用，车载TAU和轨旁DRCS服务器增加旁路功能（Bypass）。当DRCS设备故障时，车载TAU和轨旁DRCS同时切换至旁路模式，车载和轨旁链路控制设备间不再建立专属隧道发送心跳信息，车载TAU通过默认无线链路和轨旁信号网络直接建立通信，恢复成传统无线架构。旁路功能仅在轨旁DRCS设备故障时启动，车载配合同步倒换链路，某一车载TAU设备故障时，轨旁DRCS不会进入旁路模式。

旁路功能主要是通过硬件和软件相结合的形式实现，采用控制方式和触发方式控制旁路模式的进入和退出。

车载TAU和轨旁DCRS设备上均增加继电器以实现正常模式和旁路模式的倒换。继电器前接点与正常模式接口连接，后接点与旁路模式接口连接，如图5所示。

触发方式主要用于设备突发断电类场景，DRCS设备上电后，继电器励磁吸起，前接点接通网络，进入正常工作模式。当设备突发断电时，触发继电器落下，连通后接点并接通旁路接口进入旁路工作模式，如车载TAU在t1（t1可配置，默认3 s）时间内未收到2个无线链路的心跳信息，则进入旁路模式接通默认链路，继续传输信号业务。

控制方式主要用于设备宕机类场景，通过独立看门狗程序监测设备状态，并通过软件逻辑控制继电器。当轨旁DRCS设备宕机后，独立看门狗程序监测到设备宕机，控制旁路继电器进入旁路模式，并立刻将旁路状态发送至车载TAU，车载TAU同步控制继电器切换至旁路模式，接通默认链路继续传输信号业务。

2.5 设备状态上报及空口信息转发

车载TAU和轨旁DRCS与网管系统使用SNMP协议进行通信，将各自设备状态信息（电压、CPU使用率、温度等）、无线Modem入网、场强、信噪比等信息，链路选择信息、链路倒换信息等以周期发送和事件触发的形式发送给网管系统，在网管界面上进行图形化显示。

车载TAU具备空口信息转发功能，可将接收到的控制面信令信息及业务面数据信息转发至无线环境智能监测设备，智能监测设备通过对无线信号信令和数据业务信息的解码和分析，在线评估无线环境，判断是否存在无线干扰情况，并可快速定位外部无线干扰，告警信息可实时发送至网管系统。

3 可靠性分析

从工程应用的角度，影响无线系统可靠性的因素包括无线频率的使用和设备冗余结构两个方面。

科学的频率规划可有效降低干扰对无线系统的影响，提升信号系统的可靠性。需提前对线路进行扫频测试，并根据专用无线通信和民用无线通信频点使用情况，规避同频、邻道及多阶互调等干扰的可能性。在排除外部无线潜在干扰后，为避免信号内部冗余无线网络频点间同频干扰，频点的选择不应出现信道重叠的情况，且两信道间需具备较大物理隔离度，降低两信道同时被干扰的概率。

改进的无线系统架构是在传统架构增加无线通信链路，车载新增无线Modem和链路控制模块，轨旁新增链路控制服务器设备，提升无线链路冗余度的同时也增加了设备故障点，为降低新增设备故障对无线系统可用性的影响，系统增加了链路控制设备旁路功能，当轨旁设备断电或宕机时，系统可自动切换至旁路模式，恢复为传统无线架构，不会降低信号业务的冗余度，最大限度减轻新增设备故障对信号业务的影响。

通过对车载和轨旁无线设备的单点、多点故障场景分类，对比传统方案和改进方案信号传输链路冗余情况，如表1所示。