基于WLAN的CBTC車地通信系統研究

劉瑞豪，申繪欣，王晟輝，錢志浩，易敏達，原萍

摘要：本文結合CBTC系統中的車地無線通信的特點，分析主要的車地通信性能指標對列車控制系統的影響，并集中對列控對車地間通信的需求，分析列車在區間追蹤運行時的通信中斷時間，提出一個合適的系統通信中斷時間門限值，以此對車地無線通信AP基站布設進行了設計;對影響列車越區切換的主要因素基于實際測量統計分析，最后給出一個越區切換的合理時間。

關鍵詞：基于通信的列車控制系統;車地通信;丟包率;越區切換

中圖分類號：G642.0???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：1674-9324（2014）41-0256-03

一、引言

作為CBTC的重要部分，車地無線通信極大的影響了整個運行控制系統的性能，向來都是研究的熱點。在參考關于CBTC車地通信系統研究現狀后，其中占較高比例的是關于大鐵GSM.R，較少的是城軌WLAN無線局域網方面，且通信、列控相結合的方面有所不足。故本文以闡述城軌CBTC中車地無線通信特點為基礎，分析了列車運行控制對車地通信系統的需求和影響列控系統的車地通信主要性能指標，并設計了對CBTC系統合理的主要通信參數，因此對這方面的研究本文具有一定的現實意義。

二、CBTC系統概述

基于通信的列車控制系統（簡稱CBTC）利用高精度的列車定位（不依賴于軌道電路），能夠執行ATP、ATO及ATS功能的車載和大容量的車地數據通信、雙向連續、地面安全功能的控制系統，它是新一代的ATC（列車自動控制能處理器的一種連續自動列車控制）系統，因此它也擁有ATO（列車自動駕駛）、ATS（列車自動監控）和ATP（列車自動防護）等功能。CBTC系統主要包括列車自動監控系統（ATS）、區域控制器（ZC）、計算機聯鎖系統（CI）、車載控制器（VOBC）、數據存儲單元（DSU）、軌旁設備（WE）和數據通信系統（DCS）。

三、CBTC對車地通信系統要求的分析

1.影響列控系統的主要車地通信性能指標。通?？梢詮膸醉椳嚨叵到y性能指標來分析CBTC系統中各個子系統之間ATC的傳輸的主要作用，其影響系統的性能指標大概分為兩種：①區間連續丟包長度。通常會發現列車在快速運行過程中會導致列車和控制中心的通信信號衰落，產生連續的幀傳輸錯誤等，這是因為城市軌道系統復雜的無線通信使列車在階段連續的信息傳輸期間獲取到錯誤信息。如果把信號的接收功率和機器的速度大小聯系起來，那么信號的衰落持續時間就是重要的統計量。②傳輸錯誤信息。由于無線通信會受到干擾等影響，因此會導致接收方錯誤譯碼或者譯出錯誤信息。當出現一個危險點的時候，地面控制中心就會通過信號傳輸告訴列車必須在某個道岔前停止前進，而車載的接受設備譯碼錯誤，就會導致危險點提前從而產生安全問題。因此，可以根據CBTC對信息的要求從而確定車地間的通信情況。同時為了保證接收方能檢測并排除錯誤信息，需要采用鏈路層提供的差錯控制的方法。

2.列車控制對車地通信的要求。數據通信系統是CBTC的核心基礎，通過無線通信可以傳輸大量車地信息。因此，如果數據通信系統產生錯誤信息，那么就隔斷了調度指揮與控制的聯系，從而延誤列車的運行以及運輸效率。車地通信在CBTC系統中是有周期性的。車載定位系統是依據列車軌道上的應答器來精確列車在數據庫里的方位的，并根據記軸信息來明確當前列車的位置，再利用無線線路把行動列車的速度、運行情況等信息發送給列車自動監督（ATS）子系統和控制器（ZC）。列車運行到指定區域時，為了給后行列車生成移動授權（MA），地面區域控制器會在每段通信周期獲取前車的所處區域點，然后根據這個區域點增加一段距離以起到保護效果。一旦列車與地面區域控制器間起著傳輸作用的無線鏈路發生故障，列車就會把前個周期所接受的信息當作本周期來制定移動授權。而作為列車控制系統，列車會依據收到的信息來完成調控。這些信息每次發送的格式都是近乎相同的，差別只是在于內容。然后用第二次發的信息來覆蓋前一次內容。所以對列控系統而言，只要確保最新的MA信息能被列車在運動到制動點之前所接收到，那么一定數量上的丟失數據包對列車的運行不會產生影響。現在來說CBTC系統采用的信號中斷時間的數據值只是依靠平時實踐經驗參考的。列車在判斷安全包時，通信中斷時間是必需的因素，于是列車運行控制系統的安全與效率在極大程度上受到它的取值合理性的影響。

四、CBTC中車地通信參數的研究

1.CBTC中基站范圍的確定。①影響車地無線通信的因素：發射的輸出功率;接收信號的靈敏度;工作的具體環境。此外，信號的傳播方式與無線電工作的頻率也有關。②AP布設位置的確定。CBTC要求對接收到信號的附近無線局域網的設備必須在無縫覆蓋區沿導軌形式重疊，為了保證列車控制雙向信息的可靠傳輸，在任何時間、任何地點，覆蓋線基站的“每行密度”，應接近100%。要實現這樣一個方式應使用定向天線AP覆蓋地面，使用定向天線不僅可以提供更好的覆蓋范圍，更好的接收信號，也能讓系統有非常好的抗外部干擾能力。因此，在無線網絡規劃與設計中，首先要調整兩個相鄰小區的覆蓋，保證相鄰小區均有覆蓋區域。此外，為了保證切換成功，應考慮兩個相鄰小區有一定的重疊區域，確保其連續性和通信連接的可靠性。因此，要想減少弱電廠區出現的概率和順利切換，一般要保證相鄰區域的連接處有一定的重疊區。故180m的AP布置間距就能滿足基本的車地信息傳輸。

2.區間連續丟包。2009年Samuel對802.119無線傳輸出現的丟包率特性進行了實驗，無線用802.1lg，發送端用“iperf”按一定速度產生數據包，大小為1470bytes。接收端采用“windump”記錄到達數據包。設置接收屬性為冗余（verbose），以便能從ms級記錄包的到達時間以及包間隔。實驗分別采用了0.5、1和2Mbps不同的發送速率。其中l和2Mbps分別測試l個小時，0.5Mbps測試了4個小時，該實驗共捕獲了大概2，000，000個數據包。發現丟包率基本服從兩種分布特性，當連續丟包數≤3時，服從GE模型;當連續丟包數>3，體現為一定的隨機性。因此，更好的描述802.11b連續丟包特性的應該是兩種模式的結合，組合了GE模型和大的連續丟包模型。發生的大的連續丟包現象有以下兩種物理層的原因：第一種解釋是外圍因素的干擾，我們為此更換了實驗環境，發現第一次測試的數據和新的實驗數據結果相差無幾，所以大的連續丟包現象并非外界因素干擾。經過使用不同AP和不同場景的實驗數據發現，802.11標準自身是最可能造成這種現象的原因。測試數據中產生以上現象的結果使用的參數均為2Mpbs速率下發送的1470bytesUDP數據包。由此可估算出連續概率口計算值在0.0251～0.0273范圍內，無線信道產生的衰落時間共計204.3ms，用此便可權衡連續丟包形成的中斷時間。第二種解釋是因為無線接入點（AP）自身，在突發丟包時，AP會提高速率增加吞吐量，但是會減低發送速率應對這種現象。為了形成對照，選定不可以自行速率調整的AP進行同上實驗，測試數據顯示依然有隨機的大的連續丟包模型。所以發送數據時AP自身速率調整不支持這種解釋。endprint

3.越區切換時間。越區切換是使車地通信系統中斷的首要原因。當列車行駛至小區覆蓋邊界，首先需要中斷和原先基站的聯系，其次和目標基站開始連接，會在一段時間中使列車和控制中心的通信中斷，也稱為越區切換時間。①無線網切換過程。掃描、認證、重新關聯是無線局域網越區切換中的三個重要步驟。掃描是車載SA收到的關聯AP信號電平低于規定接收機最低檢測電平時，會尋找信號強度比原先電平高的新AP并且關聯;認證是車載SA確定接下來的關聯AP然后發送認證信息;重新關聯是列車給將要關聯的AP發送一個連接的需求，AP收到這個需求后會給一個響應，使原來的AP解開與列車的鏈接，然后和新AP連接。②實驗測試與結果分析。實驗的環境是上海地鐵9號線某段，AP布置間隔200m。分測試是列車在10kn/h、30km/h、60kn/h時的越區切換的中斷時間。當速度為10km/h，切換發生時間為10：26：16，丟包數為11，切換時間為0.110;10：26：39，丟包數為11，切換時間為0.110;10：27：17，丟包數為12，切換時間為0.120;10：27：43，丟包數為11，切換時間為0.120;10：29：34，丟包數為11，切換時間為0.110。當速度為30km/h，切換發生時間為13：17：36，丟包數為13，切換時間為0.130;13：18：24，丟包數為12，切換時間為0.120;13：19：04，丟包數為13，切換時間為0.130;13：20：20，丟包數為14，切換時間為0.140;13：20：55，丟包數為11，切換時間為0.110。當速度為60km/h，切換發生時間為14：04：25，丟包數為57，切換時間為0.114;14：04：55，丟包數為63，切換時間為0.126;14：05：13，丟包數為75，切換時間為0.150;14：05：37，丟包數為110，切換時間為0.220;14：07：01，丟包數為65，切換時間為0.130。觀察實驗數據發現速度不斷增大會使切換時間增加，但是大致均在220ms內。其原因是列車速率的增加使無線鏈接的誤幀率增大，從而使切換信令過程中請求幀和響應幀丟失，造成列車速率增大時越區切換中斷時間增加。分別實驗切換門限為-50、-60及-70dbm時的越區時間。當切換門限為-50bm，切換發生時間為13：19：05，丟包數為13，切換時間為0.130;13：19：34，丟包數為11，切換時間為0.110;13：21：14，丟包數為12，切換時間為0.120;13：21：20，丟包數為13，切換時間為0.130;13：22：11，丟包數為13，切換時間為0.130。當切換門限為-60bm，切換發生時間為14：26：26，丟包數為13，切換時間為0.130;14：26：40，丟包數為14，切換時間為0.140;14：27：17，丟包數為12，切換時間為0.120;14：27：53，丟包數為13，切換時間為0.130;14：29：39，丟包數為12，切換時間為0.120。當切換門限為-65bm，切換發生時間為16：05：29，丟包數為13，切換時間為0.130;16：05：48，丟包數為14，切換時間為0.140;16：06：17，丟包數為13，切換時間為0.130;16：06：31，丟包數為11，切換時間為0.110;16：07：54，丟包數為15，切換時間為0.150。實驗數據表明設置切換門限只與觸發掃描的時機有關聯，對切換中的整個過程影響很小。不過需注意，當有一個特定的AP時間間隔布局時，切換門限過低可能會導致列車錯誤運行到下一個區域的覆蓋范圍，并且信號強度比當前相關的AP高。但由于車載SA沒有及時開關，這樣將浪費系統資源;但切換門限太高又會使列車提前對信道進行掃描工作，同樣也是行不通的。因此，需要在當前AP區間，基于區域覆蓋邊緣的信號強度進行對切換門限的合理設置來實現系統資源的合理配置。

五、結論

影響列車控制運行的一些主要指標有列車與地面指揮通信中斷的時間，區間連續丟包和越區切換時間。據估算，可知在2.4G頻段環境下合理的AP布置間距。與此同時，在立足于實驗結果的前提下，可利用通用的經典分析衰落信道模型，在802.1lg環境下對其出現的連續丟包進行仿真。獲得的無線環境下連續丟包概率值可能在0.0251～0.0273之間，衰落持續時間大致為204.3ms。然而考慮到通信中斷的最不利因素，越區切換緊接在區間連續丟包之后，造成通信中斷大約在400ms以內，結果也可以列入觸發列車緊急制動門限的參考。

參考文獻：

[1]張晴，董德存.CBTC系統數據通信子系統的可靠性分析[J].同濟大學學報，2008，（4）：63，65.

[2]常波.無線局域網信道特性的研究[J].現代電子技術，2007，30（7）：7，6l-63，66.

[3]都春海.基于通信的軌道交通列車運行控制系統[J].現代城市軌道交通川，2007，（2）：7-10.endprint