城市轨道交通信号系统车地多重无线冗余方案应用研究

丁 青

（卡斯柯信号有限公司，上海）

1 PRP 协议介绍

IEC62439-3 工业通信网络 高可靠性自动化网络第3 部分定义了PRP 这种高可靠性网络协议。PRP(Parallel Redundancy Protocol)协议最初是为了满足智能电网毫秒级的网络切换需求，可以实现两条通信通道之间的无缝切换。图1 为PRP 协议原理。

图1 PRP 协议原理

PRP 冗余机制的实现，主要依托于两个逻辑或物理分离的子网（LAN A,LAN B，即所谓的A 网、B 网），PRP 发送方将原始信息帧复制一份，并在两份帧中添加特定的RCT 字段，形成PRP 信息帧，分别从自身的两个端口发送出去（分别对应A 网、B 网），分别途经两个独立的子网到达同一个PRP 接收方；PRP 接收方从两个端口分别接收到这2 份PRP 信息帧后，会经过一系列的帧处理算法进行处理，简而言之，就是依据“先来后到”的原则，将后到达的PRP 信息帧丢弃，仅保留一份先到达的PRP 信息帧，将特定字段消除后，还原成原来的原始信息，传递给上层。

2 传统无线系统冗余方案

无线系统为轨旁信号设备与车载信号设备建立通信的桥梁。目前城轨信号系统车地无线系统大多采用WLAN 或者LTE。

2.1 WLAN 无线系统冗余方案

城市信号系统无线系统按照双网冗余方案设计，图2 是WLAN 无线系统[3]方案。

图2 WLAN 无线系统方案

车地无线网络部署两张独立冗余的两张红、蓝WLAN 无线网络，网络设备由轨旁AP、车载modem、骨干网交换机、信号主交换机、天线等构成。

每列车的车头、车尾分别设置一台无线modem。车头红网无线modem 关联轨旁红网WLAN 无线网络，传输车地红网信号业务；车尾蓝网无线modem 关联轨旁蓝网WLAN 无线网络连接，传输车地蓝网信号业务。车地之间通信为双向通信，车地间存在2 条无线通信链路。

2.2 LTE 无线系统冗余方案

城轨信号系统车地无线系统按照双网冗余方案设计，图3 是LTE 无线系统[4]方案。

式中：Hjilsmq为0-1变量，若工序Ojils在机床Mm上完工后选择搬运设备Hq进行搬运，则Hjilsmq=1，否则Hjilsmq=0。

图3 LTE 无线系统方案

车地通信无线网络部署两张独立冗余的两张红、蓝LTE 无线网络，网络设备由轨旁基站、核心网设备、车载TAU、骨干网交换机、信号主交换机、轨旁漏缆或定向天线、车载天线等构成[1]。

每列车的车头、车尾分别设置一台无线TAU。车头红网TAU 关联轨旁红网LTE 无线网络，传输车地红网信号业务；车尾蓝网TAU 关联轨旁蓝网LTE 无线网络，传输车地蓝网信号业务。车地之间通信为双向通信，车地间存在2 条无线通信链路。

2.3 传统无线系统冗余方案存在问题

目前城轨信号系统车地无线通信系统主要采用WLAN 或者LTE 两种。由于车地间采用单一制式的无线链路（WLAN 或LTE），存在如下问题：

（1） 因双网无线制式相同，同时受到干扰的可能性较大，同时受扰时则会造成车地通信不可用。

（2） 车地之间红、蓝网各采用一条无线链路，当一条无线链路故障时将导致车地间仅单网可用，降低系统可用性。

3 改进的无线系统冗余方案

鉴于上述传统无线系统冗余方案存在的问题，改进的冗余方案优化提升无线链路的冗余性，通过PRP方案[5]实现LTE 与WLAN 两种制式的无线网络同时承载信号CBTC 应用。从而实现单列车4 条车地无线链路，提升了车地无线链路冗余性；另外由于采用双制式无线网络，降低了无线网络受干扰的可能性。改进的单网PRP 方案架构如图4 所示。

图4 单网PRP 方案架构

传统无线系统方案中，车载无线modem 或者车载TAU 连接车载信号应用，轨旁信号主交换机与EPC的路由器或者AP 交换机连接。改造架构方案中：车载PRP 连接车载信号应用，同时车载PRP 连接车载TAU 和车载modem；轨旁信号主交换机连接轨旁PRP设备，轨旁PRP 设备连接VXLAN 路由器，通过VXLAN 路由器连接EPC 的路由器和AP 交换机。

由于PRP 工作在二层数据链路层，而LTE 和WLAN 均工作在三层，所以在PRP 设备中间需新增L2 VPN 设备（上图VXLAN 路由器），通过建立VXLAN 隧道[6]实现信息的传输。

轨旁信号应用发送给车载信号应用的数据包A经过轨旁PRP 设备后，轨旁PRP 设备将数据包A 分别通过WLAN 和LTE 无线链路传输到车载PRP 设备，车载PRP 设备将先收到的一份数据包A 转发给车载信号应用。

车载信号应用发送给轨旁信号应用的数据包A经过车载PRP 设备后，车载PRP 设备将数据包A 分别通过WLAN 和LTE 无线链路传输到轨旁PRP 设备，轨旁PRP 设备将先收到的一份数据包A 转发给轨旁信号应用。

如图4 所示，车头、车尾各有两条车地无线通信链路，提升了单端无线通信链路冗余性。

通过PRP 方案叠加WLAN 与LTE 两种无线通道，为每条车地通信链路提供LTE 和WLAN 两种无线通道，在一种制式的无线链路故障的情况下仍可以用另一种无线链路传输，对信号应用来说相当于“无缝”切换，提高了车地无线链路冗余性。

4 可靠性分析

从工程实际应用的角度考虑，影响车地无线系统可靠性的因素主要包括无线频率的使用和设备冗余结构两个方面。

WLAN 方案采用的是2.4GHz 公用频段，实际测试证明，WLAN 方案不但会受到2.4GHz 频段的同频干扰和邻频干扰，还会受到运营商4G、5G 无线信号的干扰，造成车地通信不可用的情况。

LTE 方案与WLAN 方案相比，抗干扰能力更强。但由于工作频段（1 785～1 805MHz）与移动DCS 频段（1 805～1 820MHz）很接近，同时LTE-M 工作频段不是轨道交通专用频段，石油、电力、民航等多行业均可用此频段，实际应用中可能受到同频干扰或者邻频干扰，造成车地通信不可用的情况。

改进的无线系统冗余架构通过PRP 方案叠加LTE 和WLAN 两种制式的无线网络，列车单端车地无线通信具有LTE 和WLAN 两条链路，单条无线通信链路受干扰或故障时，不影响另一条无线链路的通信，提升了单端无线通信链路的冗余性及无线通信系统的抗干扰能力。

通过对车载无线设备和轨旁无线设备的单点、多点故障场景进行分析，比较了传统无线冗余架构和改进型无线冗余架构的无线通信链路冗余情况，传统WLAN 无线冗余方案与改进的无线冗余方案比较结果如表1 所述，传统LTE 无线冗余方案与改进的无线冗余方案比较结果如表2 所述。

表1 故障场景冗余性对比-WLAN 无线系统

通过表1 和表2 的对比结果可以看出，改进的无线系统冗余方案通过PRP 方案叠加LTE 和WLAN 两种制式的无线网络，在相同场景下，单制式故障情况下，由于还有另外一套制式的无线链路，仍维持列车双网通信，不影响列车双网通信[1]。即使车地之间某一制式无线通信异常无法使用，另一制式的无线通信列车单网通信故障时，也仍可维持列车单网通信，不影响列车的正常运行。改进的无线冗余方案与传统较单制式的无线冗余方案进行对比，无线链路冗余性明显提升，进而无线系统的可靠性得到提升。

5 结论与展望

通过PRP 叠加LTE 和WLAN 两种制式无线网络的冗余方案，相较于传统单制式（LTE 或WLAN）冗余方案，大大增强了车地无线链路的冗余性。对比并分析了车地无线系统在不同故障下的情况，表明了无线系统冗余性和可用性得以改善，从而降低了无线设备故障对列车正常运行的影响，进而提高了信号系统的可用性和可靠性。

改进的无线冗余方案适用于新建/改造地铁线路或采用LTE+WLAN 双套无线通信系统的情形；也适用于既有地铁线路采用一种制式的无线通信系统，而延伸线采用另外一种制式的无线通信系统，从而实现列车在LTE 无线网络和WLAN 无线网络下混跑运行。