CBTC系統無線通信采用UHF低頻段的可靠性分析*

陸 璠 朱 翔 紀文莉 鄭國莘

(1.上海大學特種光纖與光接入網省部共建重點實驗室,200072,上海 2.上海申通地鐵集團有限公司技術中心,201103,上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生)

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CBTC系統無線通信采用UHF低頻段的可靠性分析*

陸 璠1朱 翔2紀文莉2鄭國莘1

(1.上海大學特種光纖與光接入網省部共建重點實驗室,200072,上海 2.上海申通地鐵集團有限公司技術中心,201103,上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生)

針對城市軌道交通基于通信的列車控制(CBTC)系統的無線通信受到WiFi(無線局域網)干擾,造成地鐵列車停運的事件,上海申通地鐵集團有限公司在張江實訓線試驗了406.5～409.5 MHz的無線通信用于CBTC系統的可行性。介紹了該系統的關鍵技術及傳輸方式。在實訓線上對其信號覆蓋、故障弱化及切換、抗干擾等進行試驗測試，并結合這種新型模式的試驗,對無線通信的可靠性進行建模并分析。測試及分析表明，采用UHF(Ultra High Frequency)低頻段和基于漏纜傳輸的專頻專網技術具有更高的可靠性和可用性。

城市軌道交通； 基于通信的列車控制； 數據通信系統； UHF低頻段; 可靠性分析

First-author′s address Key Laboratory of Specialty Fiber Optics and Optical Access Networks,Shanghai University,200072,Shanghai,China

城市軌道交通基于通信的列車控制(CBTC)系統利用無線通信作為數據通信系統(DCS)車地雙向信息通道,首先要考慮無線傳輸的可靠性。國外應用CBTC的有北美的ATCS、日本的CARAT和歐洲的ETCS。國內開展了許多對CBTC通信性能的研究,文獻[1-2]建立了鐵路環境信道模型,分析高速鐵路環境下無線傳輸誤碼率;文獻[3]對DCS的結構和可靠性進行具體分析,提出冗余性策略和故障-安全策略;文獻[4]綜合了隨機信道惡化、越區切換、無線接入設備故障等無線信道失效因素，提出了CBTC數據通信子系統非冗余結構和冗余結構的可靠性模型。深圳地鐵出現CBTC受到WiFi(無線局域網)干擾事件后,CBTC采用專頻技術已成為今后的研究方向。上海申通地鐵集團有限公司在張江實訓線開展了采用400 MHz頻段基于漏纜傳輸的新型CBTC試驗,本文針對這種新型的通信模式進行研究,以測試采用UHF(Ultra High Frequency)低頻段和基于漏纜傳輸的專頻專網技術的可靠性和可用性。

1 系統介紹

1.1 400 MHz系統關鍵技術

現有的DCS工作在2.4 GHz,采用了雙向自愈骨干網環網和正交頻分復用(OFDM)無線擴頻技術,軌旁AP(無線接入點)接入方式。2.4 GHz屬于UHF的高頻段,采用基于802.11標準的WLAN(無線局域網)車地通信方式,無線覆蓋范圍大致在200 m。

本文研究的DCS工作在400 MHz,采用了包括碼擴正交頻分多址(CS-OFDMA)、智能天線、時分雙工(TDD)、動態調制、動態信道分配等4G(第四代移動通信技術)主流技術。軌旁采用基帶處理模塊(Base band Unit,BBU)加光纖射頻拉遠模塊(Radio Remote Unit,RRU)的基站模式,無線覆蓋范圍大致在1 km。根據應用場景的不同，系統提供不同的組網覆蓋方案,分為單網交織冗余組網覆蓋和雙網交織冗余組網覆蓋。本次張江實訓線測試,無線側覆蓋方案采用紅藍雙網與之對應,如圖1所示?；镜墓β蔬_到33 dB,比WiFi的AP功率大很多。新技術采用漏纜無線覆蓋,因此可將基站設置在車站機房,長度小于1.5 km的區間內無須設置任何有源設備。采用漏泄電纜覆蓋的好處還在于當某個RRU出現故障時,其相鄰兩個RRU足以支撐車載設備與軌旁設備的正常無線通信。

圖1 雙網交織冗余組網示意圖

1.2 傳輸方式比較

(1) 2.4 GHz天線模式:利用電磁波在空氣中從發射天線到接收天線傳輸信號,無需線纜介質。根據城市軌道交通線狀分布的特點,車載天線多采用全向天線,軌旁天線一般采用定向天線,以增加傳輸距離。天線覆蓋的有效距離取決于發射功率、發射和接收天線的增益、工作頻率以及接收機的接收靈敏度。以現在通用的工作在2.4 GHz頻段的CBTC無線通信系統為例,其有效的覆蓋范圍大約為200 m。

(2) 400 MHz漏泄電纜模式:漏纜的系統損耗有耦合損耗和縱向的傳輸損耗兩種,耦合損耗受電纜槽孔形式和外界環境對信號的干擾或反射影響,寬頻范圍內,輻射越強耦合損耗越低；傳輸損耗受傳輸距離影響,隨著距離的增大而線性增大。兩種損耗的均值隨頻率不同而不同,相關測試數據見表1[5]。本次400 MHz頻段CBTC試驗，無線傳輸的漏纜的主要系列為1-5/8,其最大覆蓋范圍一般為1 000 m。

2 張江實訓線測試

2.1 測試環境

為了驗證采用400 MHz頻段4G技術的CBTC無線通信方案的可行性,在上海張江實訓線上對信號覆蓋、故障弱化及切換、抗干擾等進行試驗測試。實訓線總長約1.6 km,共設甲、乙、丙3個站臺(乙站為虛擬站點,無站臺,僅允許列車?？?。其基站系統連接如圖2所示。實訓線上裝有400 MH系統的紅藍網各2套基站,1、2通道信號通過4功分器耦合后接漏纜向東覆蓋,3、4通道信號同理接漏纜向西覆蓋,甲、丙兩站用一條完整的漏纜進行信號覆蓋。網絡側為紅藍網分別規劃一個IP子網,均接到3層交換機上,然后再將交換機接入卡斯柯信號有限公司的CBTC系統。

表1 1-5/8系列漏纜在不同頻率下的耦合損耗和傳輸損耗

SCPE—車載終端；SAC—部署業務接入控制器；PC1—模擬軌旁設備網絡測試機器；PC2—模擬車載設備測試機器

2.2 測試結果

2.2.1 站內信號覆蓋情況

測試時從站臺內的最東側到最西側,每隔兩個車門的距離(約10 m)選取一個測試點,記錄下該點的終端接收信號強度(單位 dBm)。南北兩側各選取22個測試點,測試數據見表2。

表2 站內信號覆蓋情況

從南北兩側相同位置的數據可以看出,大部分南側信號比北側信號稍強,且靠近RRU的測點信號相對要強一些。從張江測試線上的整體數據來看,全線信號強度基本在-75 dBm以上,滿足終端同步及業務需求。

2.2.2 故障弱化及切換

400 MHz系統支持在基站與基站控制設備核心網SAC鏈路發生異常時對故障進行弱化,使終端能夠完成在基站間的正常切換。對切換過程的丟包、時延變化情況加以考察。從診斷工具上看終端切換過程ping業務均沒有丟包。同時在列車運行中開啟幀錄,對fping記錄log,wireshark工具抓包,其基站間的切換情況如表3。

從wireshark抓包分析看,切換中基本沒有出現發重復包,僅出現一次丟1個ping包。測得的越區切換平均時延比未優化前的越區切換平均時延低200 ms左右,滿足要求。因此，系統在故障弱化狀態下,終端能正常在基站之間進行切換,基本滿足正常運行需求。

表3 基站間的切換情況

2.2.3 抗干擾情況

分別將天線置于車外、車內空曠處、駕駛室頂部安裝天線處,記錄各處的底噪頻譜。以408 MHz為中心頻率測試,車內空曠處及車外底噪沒有明顯差異,均在-110 dB左右(見圖3)。在車頭駕駛室頂部,即計劃安裝車載天線處,將天線從外部移動進去后,可看到底噪達到近-90 dB(見圖4)。

3 可靠性分析

3.1 可靠性計算原理

CBTC車地無線通信容易受到以下三方面影響[6]:

(1) 軌旁單元故障：由于硬件故障或者軟件故障導致車地無線通信不能正常工作。

圖3 車內空曠處底噪頻譜圖

圖4 駕駛室頂部底噪頻譜

(2) 傳輸差錯：由于軌道交通隧道環境復雜,引起的多普勒效應,多徑反射以及各種干擾等的影響。

(3) 傳輸中斷：列車經過相鄰無線小區交界處時,由于越區切換的方式不合理或者無線電場強交疊區設置不合理，導致車地無線通信不能正常工作。

假定系統的任意狀態表示為Pi=(i,j,x,y),其中i∈{0,1,2}表示軌旁單元正常工作個數,j∈{0,1,2}表示由于小區內的傳輸差錯造成不能正常工作的個數,x∈{0,1,2}表示由于小區間的越區切換造成不能正常工作的個數,y∈{0,1,2}表示軌旁單元硬件或者軟件故障個數；λ1,λ2,λ3分別表示傳輸差錯、越區切換和軌旁單元故障的速率；μ1,μ2,μ3分別表示傳輸差錯、越區切換和軌旁單元故障的修復速率。系統的馬爾可夫鏈如圖5所示。

當兩個通信鏈路同時正常工作時,系統處于正常工作狀態;當一個通信鏈路出現故障,另一個通信鏈路正常工作時,系統處于一般故障狀態,可通過實施相應的處理方式加以解決;當兩個通信鏈路同時出現故障時,系統處于致命故障狀態。定義系統出現致命故障狀態為吸收態,其特點是進入吸收狀態的物理量無法再進行轉變。

由圖5可知,各個物理狀態所處于的通信故障程度為:

S1(致命故障狀態):(0,2,0,0)(0,0,2,0)(0,0,0,2)(0,1,1,0)(0,1,0,1)(0,0,1,1)

圖5 馬爾可夫鏈

S2(一般故障狀態):(1,1,0,0)(1,0,1,0)(1,0,0,1)

S3(正常工作狀態):(2,0,0,0)

根據建立的馬爾可夫鏈[7],列出其狀態轉移矩陣為7×7階矩陣,寫成分塊矩陣形式。其中，狀態P1,P2,P3為吸收狀態,轉移概率為1；其它狀態為瞬時狀態,由其故障速率和修復速率決定。

由于有P1,P2,P3三個吸收狀態,所以E為3×3階單位矩陣；O為3×4階零矩陣；R為4×3階矩陣,表示從瞬時狀態一步轉移到吸收狀態的概率；Q為4×4階矩陣,表示從瞬時狀態到瞬時狀態的概率。

設a=(e-λ1t+e-λ2t+e-λ3t)/3，b=e-λ1t,c=e-λ2t,d=e-λ3t，e=e-μ1t,f=e-μ2t,g=e-μ3t，則p41=a，p44=1-a-e，p47=e，p52=a，p55=1-a-f，p57=f，p63=a，p66=1-a-g，p67=g，p74=b/3，p75=c/3，p76=d/3，p77=1-a。

N(t)=(E-Q(t))-1=

B(t)=N(t)R(t)

式中：

N(t)——期望轉移步數矩陣；

B(t)——瞬時狀態轉移到吸收狀態的概率。

3.2 實例分析

從上分析得出,單個系統的可靠性主要由故障速率和修復速率決定。表4給出了故障速率和修復速率的參數表[4],其越區切換故障速率的值要明顯高于傳輸差錯故障速率和軌旁單元硬故障速率,硬故障出現的概率最小。

表4 故障速率和修復速率參數表

通過計算,400 MHz和2.4 GHz單個單元的可靠性大致相同,可達到99.99%。對于一條線路,CBTC無線通信系統是由多個無線接入點組成的,當無線接入點的個數逐漸增加時,則其傳輸的可靠度會變差。現有的2.4 GHz系統每1 km大約需要設置5個AP,400 MHz系統需要設置1個RRU。從組網模式上來看，雙網交織冗余組網覆蓋模式也比單網交織冗余覆蓋的可靠性更高。利用串聯系統和并聯系統可靠性的公式得到:

Rs1=RxRs2=Ry

Rs3=1-(1-Rs2)(1-Rs2)

式中：

Rs1,Rs2,Rs3——分別表示2.4 GHz系統、400 MHz系統單網冗余組網和400 MHz雙網冗余組網的可靠度；

x——AP的數量；

y——RRU的數量。

400 MHz/2.4 GHz系統可靠度隨距離的變化如圖6所示?？梢?隨著距離增大,400 MHz系統的可靠度明顯高于2.4 GHz系統的可靠度；雙網交織冗余組網覆蓋模式的可靠度也比單網交織冗余覆蓋模式提高了兩個數量級,更好地提升了系統的可靠性。在運營過程中,車載終端與軌旁設備的無線通信會受到無線小區內列車高速移動產生的多普勒效應和隧道壁反射引起的多徑效應的影響,以及無線小區間越區切換的影響。隨著運營距離的增加,列車越區切換的次數也愈加頻繁,成為影響通信可靠性的主要因素。

圖6 系統可靠度隨距離的變化情況

以上海軌道交通為例,共有9條線路采用了現有CBTC系統(2.4 GHz,采用IEEE 802.11標準),其中5條線路采用跳頻(Frequency-Hopping Spread Spectrum,FHSS)，4條線路采用OFDM多載波調制方式。根據AP的無線覆蓋范圍(約為200 m)和RRU的無線覆蓋范圍(約為1 000 m),預估算各線路沿線采用AP或RRU的數量情況及可靠性,如表5。

表5 上海軌道交通各線路沿線采用AP或RRU情況

隨著單個單元可靠性(r)的增加,整個線路的可靠性(R)也會發生相應的變化。以上海軌道交通6、7號線為例進行計算,結果如圖7所示。

圖7 隨著單個單元可靠度的增加整個系統的可靠性變化

4 結語

為了提高CBTC的可靠性,上海申通地鐵集團有限公司在張江實訓線做了工作在406.5～409.5 MHz頻段基于漏纜傳輸的無線通信系統的CBTC開通試驗。試驗以及可靠性分析表明，采用UHF低頻段和基于漏纜傳輸的專頻專網技術提高了無線通信傳輸的可靠性。同時,當某個車站設備出現故障時,其相鄰兩個車站足以保障無線覆蓋,支撐車載與軌旁設備的正常無線通信。CBTC無線通信系統采用專頻技術將成為今后的發展趨勢,CBTC新一代無線通信模式具有很好的應用前景,值得進一步工程試驗。

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Reliability Analysis of CBTC Wireless Communication System Working in UHF Low Frequency Band

LU Fan, ZHU Xiang, JI Wenli, ZHENG Guoxin

Aiming at the problem of subway train stop caused by CBTC wireless communication under WiFi interference, the reliability of CBTC wireless communication on Shanghai Zhangjiang trainingl line that adopts the dedicated frequency between 406.5 MHz and 409.5 MHz is tested. In this paper, the key technology and transmission mode of the system, such as the signal coverage, failure-off and disturbance switching are introduced. Then, combined with the experiment of Shanghai Zhangjiang training line test, the reliability of wireless communication is modeled and analyzed. The results show that this technology working in low frequency band of UHF and the dedicated frequency based on the leakage cable transmission is reliable and applicable.

urban rail transit; CBTC; DCS (data communication system); low frequency band of UHF (ultra-high frequency); reliability analysis

*國家自然科學基金重點項目(61132003)面上項目(61171086);上海市特種光纖與光接入網重點實驗室開放課題(SKLSFO2011-04)

U231.7

10.16037/j.1007-869x.2016.04.004

2014-05-19)