地鐵無線AP信號質量檢測

袁叢振++陳文杰++李欣磊++鄧俊臣++許歡++夏明加

摘要：隨著城市軌道交通網絡化和自動化的發展，越來越多的地鐵線路采用AP設備作為地鐵設備控制的通信信道。目前上海和北京的很多地鐵都投入使用了AP設備。例如，目前上海地鐵很多延伸線用AP作為屏蔽門聯動無線通道。然而目前的AP設備只能做到事后報警，無法實現預防性報警。而且還有AP設備老化，導致故障率提高，造成行車安全隱患。就自我而言，地鐵無線AP信號質量監測的研究刻不容緩。

關鍵詞：網絡化；自動化；AP設備；安全隱患

中圖分類號：TN925 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）10-0054-02

一、引言

根據目前AP設備只能做到事后報警以及AP設備經常出現故障，上海地鐵AP所使用的802.11g無線通信技術，針對信號頻段為開放頻段，信號可以自由接收的特點，地鐵無線AP信號質量檢測可以采集車/站AP設備的信號，通過研究信號場強、干擾狀況、誤碼率以及其他影響通信的情況，檢測AP信道信息、MAC信息以及IP信息，判斷可能發生故障的AP設備，給出預警和報警。首先，此監測能對AP設備的工作狀態進行（實時）監測和檢測；其次，能及時發現失效設備，給出預警和告警；它還能采集車＼站AP設備的信號；得出AP信號質量狀況；獲得無線信號質量參數；實現無線通信的量化檢測。

二、目前上海地鐵信號場強

目前上海地鐵信號場強主要由上海城市軌道交通信號系統控制。上海城市軌道交通信號系統通常由列車自動控制系統（Automatic Train Control，簡稱ATC）組成，ATC系統包括三個子系統：列車自動監控系統（ATS）、列車自動防護子系統（ATP）、列車自動運行系統（ATO）三個子系統通過信息交換網絡構成閉環系統，實現地面控制與車上控制結合、現地控制與中央控制結合，構成一個以安全設備為基礎，集行車指揮、運行調整以及列車駕駛自動化等功能為一體的列車自動控制系統。目前我國的城市軌道交通移動閉塞ATC系統的研究和應用存在的差距主要表現在對ATC系統中的數字軌道電路、車一地信息、傳輸和列車自動駕駛等關鍵技術尚不能全面掌握，國產化水平很低。在自動保護系統ATP中，國內外設備的主要差距在于列車的速度監督上，而速度監督的最主要設備是數字軌道電路，包括其地面發送設備和車上的接收設備。因此，目前上海地鐵的信號系統還不夠完善，地鐵無線AP信號的檢測仍然不可忽視。

三、目前上海地鐵信號干擾情況

1.用WirelessMon軟件測試的優勢。本文前面已經闡述了上海地鐵AP所使用的802.11無線通信技術，針對信號頻段為開放頻段，信號可以自由接收的特點。利用此特點便可以直接用WirelessMon軟件進行測試。

2.數據分析。本次采集數據共搜索到2100個（次）無線信號，其中信號系統軌旁的AP和車載的MR（移動電臺）使用的固定頻道1。所有樣本環境中頻道6最擁擠占到總數量33%，其次是頻道11占到總數量的29%，信號使用頻道1使用比例24%。頻道5和頻道7沒有使用。見圖。

3.結果分析。從數據分析中，可以看出目前地鐵信號由于種種原因導致一部分信號干擾。眾所周知，信號的干擾有可能導致列車運行失誤。而且導致信號干擾的原因具有多面性和不確定性，建筑物的建設結構，手機信號的干擾，地鐵隧道的局限性，甚至天氣變化都有可能干擾信號。因此，地鐵無線AP信號質量檢測的研發至關重要。

四、上海地鐵信號誤碼率

誤碼率，是衡量數據在規定時間內數據傳輸精確性的指標。誤碼率=傳輸中的誤碼/所傳輸的總碼數*100%。如果有誤碼就有誤碼率。另外，也有將誤碼率定義為用來衡量誤碼出現的頻率。IEEE802.3標準為1000Base-T網絡制定的可接受的最高限度誤碼率為10-10。這個誤碼率標準是針對脈沖振幅調制（PAM-5）編碼而設定的，也就是千兆以太網的編碼方式。用誤碼器直接測量上海地鐵的誤碼率，測量結果見下頁圖。

從圖中看出，上海地鐵信號誤碼率很低，定時間內數據傳輸精確性很高，但這種很低的誤碼率也有可能導致列車運行失誤。例如2011年7月28日，上海地鐵10號線發生“開錯方向”事件，本應開往航中路方向的上海地鐵10號線列車，卻反常地朝著虹橋火車站方向開出。此事故便是因為地鐵信號導致的。因此，地鐵信號誤碼率雖然很低，但仍然是導致事故發生不可忽視的一部分。

五、地鐵無線AP設備通信過程

通過運用commonview軟件，我們檢測并總結為：在無車情況下，站內的四個AP會先按一定的順序依次發送廣播的BEACON（信標幀）和PROBE REQ（探測請求幀）。當一個AP收到來自其他AP的探測請求幀之后，它會給發送探測請求幀的AP發一個PROBE RESP（探測應答幀），如此循環往復。當有列車出現時，該循環的次數就會減少，因為這時列車也會相應地發送和接收BEACON（信標幀）和PROBE REQ（探測請求幀）。通過運用commonview軟件，我們檢測并總結為：在列車運行情況下，列車未進站時每隔一定時間發送BEACON（信標）幀，每隔一定時間發送一次PROBE REQ（探測請求）幀。即將進站時，列車會收到來自車站四個AP的BEACON幀，之后會向通信條件較好的AP（一般是離自己最近的）發送PROBE REQ（探測請求）幀，接著會收到PROBE RESP（探測應答幀），最后列車會給發探測應答幀的AP發送確認幀。多次抓到的數據中都存在這種反復地請求、應答和確認的規律。停靠站臺時，列車會向軌旁AP發送攜帶列車信息的DATA（數據）幀，包括編組、停靠、PSD打開和關閉的信息，軌旁AP也會給車發送攜帶屏蔽門打開和關閉狀態的數據幀。列車啟動離站時，在停站期間除了有數據幀信息的傳送，列車和軌旁AP仍然會發出BEACON幀、PROBE REQ.幀、PROBE RESP.幀和ACK確認幀。endprint

六、地鐵無線AP檢測規律

1.車尾不發送數據幀。車尾一般只作為信號的接收端，車頭既作為信號的發送端，也作為信號的接收端，正常情況下，列車是由站內四個AP設備共同控制。當列車在下行運行時，下行的兩個AP主要控制列車，當列車在上行運行時，上行的兩個AP主要控制列車，但站內的AP設備是針對車頭控制的，從而車頭再控制車尾。

2.AP-MR在直接通信范圍始終會進行多對多主動探測，但探測周期有差異。這條規律表明：列車與站內AP發送的探測幀的時間間隔是不同的，也就是說，列車行駛到站內AP信號范圍內，站內AP信號并沒有一直對列車進行控制，但站內AP信號一直在某個頻率范圍內發送探測幀。只要當列車需要控制時，列車才會接收探測幀并對探測幀做出應答或者列車發送自己的探測幀來征求站內AP信號的應答。

3.AP-MR建立peering連接前發送加密數據ENCR. DATA。這里的加密數據起到一個站內AP與車載MR的對接作用，是站內AP與車載MR要即將進行通信的信號。同時此加密數據起到一個兩者之間的識別作用。只有站內AP與車載MR才能識別此加密數據，從而在此基礎上開始試圖建立通信聯系。

4.站臺西段的兩個AP設備接收東段的兩個AP信號所占百分比大致是相同的。

通過檢測到的側規律，可以說明：在列車即將進站到離站的每個周期，站臺西段的兩個AP設備通過接收東段的兩個AP信號來控制列車，此次規律可以間接說明站臺的四個AP設備相互協調，共同控制列車。

七、總結

通過對地鐵無線AP信號部分檢測，可以看出：站內四臺AP信號設備與車載MR設備的關系復雜多樣，兩者相互通信的關系也互相交叉，同時站臺AP信號設備之間也相互協調共同控制列車。相反來說，一旦站臺某個AP信號設備出現信號通信問題，列車將面臨嚴重信號障礙問題。因此，地鐵無線AP信號監測系統的研發至關重要。

參考文獻：

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