基于WLAN的車-地傳輸技術在PSD系統中應用的可靠性研究

顏士博

*上海鐵路通信有限公司 工程師，200071 上海

目前，已經成功應用于軌道交通車-地雙向傳輸的技術包括:感應電纜環線、漏纜、波導、無線擴頻等方式。而基于 WLAN(無線局域網)的802.11g技術，不僅滿足像基于通信的列車控制(CBTC)系統這類安全業務的需要，也可將車-地之間不同業務信息在傳輸環節集成，實現傳輸資源的共享。但在軌道交通車-地雙向傳輸系統測試中，WLAN的可靠性存在一定的問題，現結合上海地鐵2號線安全PSD(站臺屏蔽門)系統設計方案，分析車載MR在軌旁不同AP之間切換時，如何保證應用層信息在無線傳輸環節不中斷，提高上層業務信息在無線通信鏈路傳輸環節的可靠性，探討系統維護過程中需要注意的問題。

1 設計條件

針對上海地鐵2號線的PSD系統車-地雙向通信的業務需求進行系統設計，設計目標是實現列車在進站停車過程中，車-地之間可以建立穩定的WLAN傳輸信道，在列車停準、停穩后，通過本系統能實時傳輸ATC和聯鎖之間的PSD相關的控制指令和狀態信息等，實現PSD與車門同步聯動、自動開門、自動關門功能。與本系統相連的設備:車載ATC(列車自動控制)、軌旁聯鎖、屏蔽門控制系統。為本系統所提供的接口均為RS-422，應用層業務實體之間信息流的關系:

PSD控制器←→聯鎖←→車載ATC。

2 系統結構

系統采用 IEEE 802.11g標準，設備符合OFDM調制方式，工作頻段為2.4 GHz，理論上最高傳輸速率為54 Mb/s。系統構成可分為:軌旁數據傳輸子系統、車-地無線傳輸子系統和接口適配3部分，如圖1所示。

2.1 軌旁數據傳輸子系統

每個信號設備集中站，設計2臺互為主/備的高性能工業以太網交換機，交換機型號為PT-7828，支持私有的Turbo Ring。當網絡組件或線路發生錯誤或中斷時，系統恢復時間＜20 ms(20個網絡節點)，是目前最快速的工業以太網冗余環網。交換機已通過KEMA認證，符合NEMATS2和EN50121-4標準。

子系統主要傳輸ATS(列車自動監控))信息、軌旁鄰站聯鎖信息。由于網絡資源足夠，軌旁PSD系統信息也承載在該網絡上，與其他子系統共享軌旁數據傳輸網絡資源，不再另外購置設備。

圖1 車-地無線傳輸子系統示意圖

2.2 車-地無線傳輸子系統

屏蔽門系統只在站臺設置，所以軌旁AP(接入點)設備的無線信號覆蓋整個站臺即可，軌旁AP工作模式為Fit模式。

車-地無線傳輸是實現PSD信息在軌旁和車載設備之間傳輸的關鍵。車輛運行時要在沿線所有車站停靠，車載MR(移動電臺)也需要隨著位置的變化，實現在不同站臺AP之間和同站臺不同AP之間的切換。整個漫游過程對業務信息是透明的，雖然提供連接服務的軌旁AP和車載MR發生了切換，但承載在其上的業務層的服務是不會中斷的。

當列車行駛到站臺區后，車載MR持續搜索來自軌旁AP的信令信息。在車輛進站停車過程中，MR可能同時探測到多個AP信號，只要滿足接入條件，MR就會同時與這些AP建立一主/多備的MESH鏈路，其中只有一個主鏈路處于Active狀態，通過該鏈路傳輸業務信息，其他的鏈路處于Dormant狀態。

本系統設計中，車載MR與軌旁AP均選用定向天線。

2.3 接口適配

按照目前的業務需求，系統涉及車載ATC接口、軌旁與聯鎖接口、聯鎖與屏蔽門接口。考慮到未來的需求，預留車載、軌旁和控制中心10/100 Mb/s端口各1個。車載MR與車載ATC的接口如圖2所示。軌旁聯鎖與軌旁交換機的接口圖3所示。

3 可靠性設計

從運行安全的角度講，PSD系統是ATP(自動列車防護)功能的一部分，屬于列車運行控制系統最為核心的安全子系統，系統設計時必須把系統的安全性、可靠性放在首位。本系統的安全設計主要體現在傳輸層和業務層。

3.1 傳輸層可靠性

1.軌旁不同AP之間實現主/備冗余。如圖1所示，站臺上、下行軌道每端都設有1臺AP，站臺同一端的2臺AP互為主/備。正常狀態下，MR會與相鄰端的上下行2個AP同時建立主/備MESH鏈路，一旦主鏈路有問題，MR自動將備用鏈路升為主鏈路，保持車-地之間通信信道的連貫性，保證業務信息在傳輸過程中不會中斷。因此保證MR在主/備AP之間的切換，是系統可靠性設計的關鍵環節。

2.不同AC之間實現主/備冗余。控制中心的2臺AC完全獨立，任何一個AC故障均不影響另一個AC和其注冊的軌旁AP的工作。需要明確的是，AP與MR之間用于PSD的業務信息是無法到達AC的，該信息僅限于本聯鎖區段內。

3.軌旁數據傳輸網絡之間實現主/備冗余。軌旁2個主/備數據傳輸網絡完全獨立，AP是通過軌旁數據傳輸網絡連接到AC。正常的工作狀況下，一個數據傳輸設備發生故障不影響另一個數據傳輸網絡上的AC、AP和其上承載的業務。

4.不同業務之間的信息隔離處理。由于軌旁數據傳輸網絡承載不同的業務信息，有必要把不同的業務通過VLAN進行隔離，為業務層提供一個干凈的傳輸信道，避免不同業務信息相互影響，保證信息傳輸的安全性、可靠性。VLAN劃分:VLAN1用于傳輸ATS和鄰站聯鎖信息;VLAN2用于軌旁AP和AC之間的管理信息傳輸;VLAN3用于在車載ATC、軌旁聯鎖之間傳輸本地PSD業務信息，本信息僅存在于本聯鎖區段;預留的接口可根據業務種類劃分到不同的業務VLAN。

3.2 業務層可靠性

不同的業務對可靠性和實時性需求是不同的，對于PSD控制業務，一旦車輛進站停車，軌旁AP與車載MR建立通信之后，軌旁聯鎖就會嘗試與車載ATC進行連接，通過一系列的握手、認證之后，便可建立承載在WLAN傳輸信道之上的安全邏輯信道，專門用于本業務不同邏輯實體之間的信息傳輸。

3.3 切換過程分析

MR如何在不同AP之間切換，如何提高MR的切換質量，確保上層業務信息在無線傳輸環節的連續性、完整性，是系統設計中需要解決的核心問題。問題1，信號過弱，雖然MR可能與AP之間建立通信鏈路，但鏈路通常很難保證通信質量和有效帶寬。問題2，列車進站停車過程MR需在不同AP之間進行切換，切換過程原則上越少越好，但實際與理想有較大差距，尤其是隧道環境。問題3，車載MR在軌旁主/備AP之間的切換過程需要一定的時間，只要切換速度足夠快，上層的業務數據不會覺察到無線鏈路在主/備之間的切換，也不會出現丟包現象。

針對問題1和2，可以通過MR在不同AP之間的切換過程分析解決，如圖4所示。

圖4 MR在不同AP之間的切換過程

車載MR在進站停車過程中，首先與AP3(或AP4)建立MESH鏈路，隨著車輛駛入站臺停車位，AP3相對MR而言信號強度將逐漸減小，特別是在隧道環境下，由于車體巨大的屏蔽作用，進入站臺后MR、AP3信號衰落過程將變得非常明顯，一旦AP3的值或MR的值衰減到低于V1接入閾值(見圖4)，AP3與MR之間先前建立的MESH鏈路將終止，而在中斷之前，前面2個AP1和AP2的信號將越來越強。

在V2=0狀態時，理想的情況下MR在AP3/AP2，AP2/AP1之間會切換2次，理想中的切換位置見圖4中的C0和C1，但實際情況下，由于運行現場的環境比較復雜，通常不止2次，嚴重的情況下甚至出現來回切換的情況。這種頻繁切換將嚴重影響系統的通信質量，容易造成業務數據丟失或中斷。

只要V2設置合理，基本上可以確保列車在進站停車過程中，鏈路僅切換一次。以本工程為例，由于站臺兩端的AP1/AP2(AP3/AP4)之間的信號強度懸殊不是很大，將V2設置為15 dBm，基本就可以保證MR不會在AP1/AP2之間隨意切換。

對于接入閾值參數，由于本工程中車-地之間的PSD控制信息需求的帶寬很小，而且站臺兩端的AP間距不是很大，大約250～300 m;對列車實際運行現場采集到的數據進行分析發現，除了個別業務的信號比較強，大都是比較小的雜亂信息，包括乘客隨身攜帶的2.4 GHz頻段的設備，這些信號一般小于－85 dBm，因此將接入閾值設置為－80 dBm。實際應用中，這個值的設定還依賴于業務對帶寬的需求和現場設備無線覆蓋情況，不同設備廠商提供的參數也不盡相同，比如，本工程中所采用的設備提供參考數值分別為:－72 dBm/54 Mb/s， －91 dBm/6 Mb/s。

對于問題3，主/備鏈路之間切換的時間決定系統的丟包率、誤碼率，嚴重時甚至導致通信中斷。由于該指標主要與設備自身的實現方式有關，通常無法直接從工程的角度解決，因此工程設計之初，需要根據實際業務需求對該指標進行控制。設備廠家提供的相關指標只能作為參考，最終決定系統可靠性的是業務實體之間端到端之間的時延，因此，需要結合工程實際進行現場測試和評估。

4 運維需要注意的問題

2.4 GHz作為開放頻段，802.11 g共13個信道，無重疊的信道只有3個 (1，6，11)，其他信道使用的頻率相互重疊，存在相互干擾問題。從列車運行現場監測到的實際情況看，軌旁雖然已存在不同信道的應用，但都沒有發現因為相鄰信道干擾而引起車-地傳輸中斷現象。雖然如此，但為安全起見，地鐵運營管理部門應該規范地鐵運行現場2.4 GHz頻段的應用情況。對于有車-地通信需求的相關業務，可以考慮在不影響既有業務正常運營的情況下使用預留的通信接口或使用富余的帶寬信道，以達到資源共享的目的。

由于WLAN在車-地通信系統中屬于比較新的應用，需要系統設計人員和運維人員，在運維工作過程中及時溝通、總結，并對運維過程中發現的問題進行跟蹤研究，不斷提高系統的可用性。

本系統采用WLAN無線局域網技術，解決了列車在進站停車過程中PSD系統對車-地雙向數據傳輸的需求。投入使用半年多來，運營狀態良好，滿足了用戶的實際需求，也為公司后續CBTC開發和建設積累了豐富的設計、開通和維護經驗。

[1]劉靖.PIS移動寬帶傳輸網建設與思考[J］.鐵道通信信號，2010，6.

[2]劉曉娟.城市軌道交通智能控制系統[M］.北京:中國鐵道出版社，2008.81.

[3]Matthew S.Gast.802.11 Wireless Networks:The Definitive Guide，Second Edition[M］.O＇Reilly.