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淺談基于漏纜傳輸的CBTC無(wú)線(xiàn)通信系統試驗論文
基于通信的列車(chē)控制(CBTC)系統依賴(lài)于數據傳輸子系統(DataCommunicationSubsystem，簡(jiǎn)為DCS)，而車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信系統是DCS的重要部分。目前，CBTC車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信系統大多采用IEEE802.11標準，其工作頻段采用了2.4GHzISM公共頻段。但該頻段已有大量民用設備，且作為開(kāi)放頻段還有遭受惡意干擾的危險。實(shí)測中發(fā)現近距離工作的2.4GHz頻段無(wú)線(xiàn)設備會(huì )明顯提高CBTC系統丟包率。2012年11月，深圳地鐵發(fā)生的多起列車(chē)緊急制動(dòng)事件，就是緣于乘客攜帶的MiFi設備(一種3G信號轉WiFi信號設備)干擾了CBTC系統。
徹底解決CBTC同頻干擾的辦法就是采用專(zhuān)頻、專(zhuān)網(wǎng)，即CBTC車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信系統使用專(zhuān)用頻段，并且是獨立的無(wú)線(xiàn)通信系統。在上海開(kāi)展了基于漏纜傳輸的專(zhuān)頻、專(zhuān)網(wǎng)CBTC信號系統試驗，采用400MHz頻段，利用漏纜傳輸的優(yōu)勢，使單基站能夠完全覆蓋相鄰兩區間，在相應區間軌旁無(wú)其他有源設備。這大大簡(jiǎn)化了系統結構，提高了系統可靠性，且便于維護。為證明低頻漏纜傳輸的可用性及可靠性，首先，在上海大學(xué)的無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗室對CBTC車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信系統的吞吐率、時(shí)延丟包、故障切換及CBTC網(wǎng)絡(luò )性能進(jìn)行測試;然后，在張江實(shí)訓線(xiàn)上接入CBTC車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信系統，并進(jìn)行系統測試。
1CBTC無(wú)線(xiàn)通信系統
試驗的車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信系統采用北京信威通信技術(shù)股份有限公司自主研發(fā)的第三代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)———McWiLL(Multi-carrierWirelessInformationLocalLoop，技術(shù)多載波無(wú)線(xiàn)信息本地環(huán)路)，采用漏纜傳輸，其工作頻段為406.5～409.5MHz。
WLAN(無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng))的車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信系統主要采用定向天線(xiàn)傳輸技術(shù)，其天線(xiàn)的覆蓋范圍約200m。在高頻段CBTC系統另一種常見(jiàn)傳輸方式是漏泄波導管。漏泄波導管傳輸有較高的信噪比，其抗干擾能力增強，2.4GHz頻段的有效覆蓋距離約300m，區間常要使用中繼設備。漏纜傳輸以其傳輸距離遠、可靠性高及造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多地應用在軌道交通中的調度、安防及乘客移動(dòng)通信等方面。
2性能測試
在上海大學(xué)無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗室對車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信系統的吞吐率、時(shí)延丟包、故障切換及CBTC網(wǎng)絡(luò )性能進(jìn)行測試。每臺McWiLL基站使用2個(gè)射頻口，合路后接入信道模擬器。信道模擬器可模擬隧道及列車(chē)高速運行的環(huán)境，而車(chē)載終端與基站通信內容由計算機軟件生成。
2.1吞吐率測試
吞吐率是指無(wú)線(xiàn)系統每秒能夠傳輸的最大數據量。車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信系統工作在400MHz頻段，其低頻的特點(diǎn)有利于信號的傳輸，但也將其帶寬限制在3MHz。雙網(wǎng)冗余覆蓋時(shí)，每網(wǎng)各分配1.5MHz帶寬，基站兩側區間各分配一組0.75MHz的資源。此時(shí)，單向理論吞吐率為750kbit/s�？紤]到公共信道、預留資源開(kāi)銷(xiāo)等影響因素，實(shí)際吞吐率約在720kbit/s。測試方法為開(kāi)啟單基站單側區間的一組資源對單終端發(fā)送UDP(用戶(hù)數據協(xié)議)數據流，觀(guān)測單向吞吐率。
2.2時(shí)延測試
實(shí)測發(fā)現，基站遠端1km處的信號強度約-70dBm。隨著(zhù)車(chē)載終端與AP的距離增加，信噪比降低，只能采用較低階的調制方式，從而增加數據傳輸時(shí)延。由于在地鐵的實(shí)際運行情況中，車(chē)載終端距基站1km已屬極限情況，故應測試此時(shí)的時(shí)延能否滿(mǎn)足系統的傳輸要求。由測試用信道模擬器模擬車(chē)載終端距基站1km時(shí)環(huán)境，并由軌旁計算機與車(chē)載終端發(fā)送不同大小的數據包。車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信系統的單向傳輸時(shí)延在50ms以?xún)�，大字節的數據包時(shí)延略有增大，能夠滿(mǎn)足CBTC系統需求。
2.3切換丟包試驗
基于McWiLL的越區切換機制中，當車(chē)載終端連續多次檢測到的兩基站電平差值均滿(mǎn)足切換閾值時(shí)，即發(fā)生切換。實(shí)測發(fā)現切換時(shí)會(huì )出現極個(gè)別丟包，丟包率約0.01。測試采用軟件fping每隔100ms發(fā)送一個(gè)150B的數據包，同時(shí)抓包并分析切換過(guò)程。如在信噪比較低時(shí)切換，則傳輸更易出現丟包。測試通過(guò)調整信道模擬器，來(lái)模擬車(chē)載終端距離基站的不同位置。統計結果顯示，終端距基站0.5km及1km處切換最大雙向時(shí)延約在100ms，切換時(shí)刻基本達到不丟包。
2.4故障弱化測試
當基站設備故障時(shí)，系統應盡量縮減通信中斷時(shí)間;當基站控制設備核心網(wǎng)(SAC)發(fā)生故障時(shí)，基站射頻端口應能夠正常輸出，車(chē)載終端能夠注冊成功;當基站射頻設備發(fā)生故障時(shí)，車(chē)載終端應快速切換;系統時(shí)間同步系統故障時(shí)，短時(shí)間內應不影響通信。
2.5CBTC信號仿真軟件
實(shí)驗室測試常用fping或者Chariot等軟件來(lái)模擬CBTC數據流，其數據包單一、周期性強。而真實(shí)列車(chē)控制數據流的數據包種類(lèi)多、周期復雜，且流量不均勻。故此次編寫(xiě)了一套軟件來(lái)模擬CBTC數據流，并將其作為通信內容在測試中使用，從而提高了實(shí)驗室測試的真實(shí)度。軟件按軌旁設備端和5臺車(chē)載終端共有6套程序。CBTC仿真數據流按照真實(shí)通信規則，利用Socket函數進(jìn)行數據發(fā)送與接收，并計算出單向時(shí)延。
3張江實(shí)訓線(xiàn)試驗
CBTC車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信系統整體試驗在上海的張江實(shí)訓線(xiàn)上進(jìn)行。實(shí)訓線(xiàn)線(xiàn)路長(cháng)1.6km，甲、丙兩站之間距離1km，漏纜沿軌道敷設。兩車(chē)站軌旁端各安裝2臺基站光纖拉遠端RRU，組建紅藍雙網(wǎng)，其余基站設備安裝于車(chē)站機房?jì)�。同�?shí)驗室一樣，對單網(wǎng)運行時(shí)列車(chē)的傳輸時(shí)延、基站切換、故障弱化等項目進(jìn)行測試。
試驗首先需驗證單基站能否覆蓋一站兩區間的范圍。13/8″漏纜在400MHz頻段傳輸衰減為13dB/km，鏈路預算后得出的車(chē)載終端接收電平約在-50～-70dBm。測試方法是用路測軟件沿線(xiàn)采集接收功率。試驗結果顯示，區間內的信號強度大多高于-70dBm，所有采集點(diǎn)信號強度均高于-75dBm，這證實(shí)了使用漏纜傳輸技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信系統能夠獨立地覆蓋到車(chē)站及其相鄰的兩區間范圍。
一個(gè)重要的實(shí)測項目是將車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信系統接入CBTC信號系統進(jìn)行聯(lián)調測試，將信號系統接入紅網(wǎng)，并用藍網(wǎng)測試傳輸性能�；诼├|傳輸技術(shù)的車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信系統接入CBTC信號系統后，列車(chē)可正常行駛。列車(chē)在甲、丙兩站中間位置發(fā)生切換。在切換時(shí)刻傳輸時(shí)延增大，但基本沒(méi)有丟包出現，也未對列車(chē)正常行駛造成影響。在此過(guò)程中藍網(wǎng)車(chē)載終端使用ping命令測試與基站間通信的雙向時(shí)延，平均時(shí)延穩定在50ms左右。
系統故障弱化性能項目測試中，如當前所連基站發(fā)生故障，則車(chē)載終端能夠快速切換至另一基站，其通信中斷時(shí)間在1s內。在基站控制器SAC發(fā)生故障時(shí)，終端能夠再注冊，不影響正常傳輸和切換。如時(shí)間同步系統發(fā)生故障，則短時(shí)間內可正常通信，20min后基站停止工作。
在張江實(shí)訓線(xiàn)試驗中，評估基于漏纜傳輸技術(shù)的CBTC系統性能，重要的是觀(guān)測試驗時(shí)的列車(chē)運行情況。車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信系統接入CBTC試驗后，列車(chē)往返甲、丙站共計50次，沒(méi)有出現因數據傳輸系統故障而致的停車(chē)現象。這說(shuō)明該系統基本滿(mǎn)足運行要求。
4結語(yǔ)
試驗表明，基于漏纜傳輸的CBTC無(wú)線(xiàn)通信系統具有實(shí)用性和高可靠性，與傳統的WLAN系統相比，解決了民用設備干擾問(wèn)題，且組網(wǎng)模式更簡(jiǎn)化。在城市軌道交通車(chē)地無(wú)線(xiàn)通信系統中，這種專(zhuān)頻、專(zhuān)網(wǎng)的CBTC系統將是一種發(fā)展趨勢。
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