動車組車載數據車地高速轉儲技術測試研究

1 羅玉勝 1 趙睿虎 1 沈明銀 1 袁峰 1 曲萌 2 王凡 2 何彥臻 2 劉亞鋒

（1 中國鐵路蘭州局集團有限公司，甘肅 蘭州 730000；2 北京碩菡科技有限公司，北京 100080）

一、引言

目前動車組MPU、DDU 等車載數據下載轉儲是在車組入庫后，由工作人員通過筆記本電腦和維護軟件，將設備內部存儲的數據轉儲至筆記本電腦。采用單人、人工串行方式，對動車組1、8 車進行人工下載，每組車作業時間為20～30 分鐘，每天需要8～10 小時（按20 組計算）時間完成數據下載，再由數據中心進行分析。該轉儲方式存在如下問題：人工轉儲成本高、費時長，下一環節分析等待時間長，生產效率低下。人工難以保證數據安全和完整性。串口/網口拷貝：頻繁長期拔插易損。

二、測試方案和測試設備

中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州西動車所作為本次測試試點，選取CRH380B/CRH5G型動車組作為測試對象，其需下載數據包括車載MPU、DDU 等，采用不同的接口（如RJ45、RS232 等）人工轉儲，擬采用5G 車地高速轉儲方案。5G 車地通信系統由地面網絡和車載網絡構成，地面網絡包括5G 基站、高速緩存及回傳網絡構成。車載網絡包括車載業務設備，車載網關及5G 車載設備。在蘭州西動車所選取CRH380B/CRH5G 型車組各一組開展試驗，論證車地轉儲動車數據的可行性。本次測試試點，以CRH5G 型動車組為例，在動車進入車庫檢修過程中，利用5G 設備進行高速高效無線傳輸，數據傳輸至動車所數據中心進行自動智能分析，對故障發展趨勢進行監控預測，評估車組未來的健康狀態、提出維修維護建議，為管理決策提供支持，提高車輛自身的數據分析處理能力、故障早期預警能力，提升動車組運用維修水平，實現在準確的時間對準確的部位采取準確的維修工作。

本試點測試方案需新增主要設備：軌旁基站RBS 共計1 套，含配套供電及安裝件；地面高速轉存服務器1 臺，需提供萬兆光口網卡；地面萬兆口交換機1 臺(連接服務器及軌旁基站需萬兆口，對接上游網絡采用千兆口)；車載Airflash 天線1 臺；車載網關1 臺。

三、研究方法

高頻毫米波：AirFlash 所采用的60GHz 高頻毫米波，具有帶寬大、免頻譜申請、遠離常用民用頻點干擾小等優點。在傳統無線通信中，由于其氧衰大的傳輸特性，難以遠距離傳輸，應用受限，而該特性正好契合車地站場區域回傳場景短距離通信、防信號泄露的需求。

多天線：在LTE 系統中，由于頻段低，波長長，天線單元數量少（如4T4R）；而在5G 毫米波頻段，由于波長極短，使得天線尺寸可以做得很小（毫米級），為采用多天線技術提供了條件。多天線有如下好處：天線越多，同向疊加，接收信號強度越高；可獲得更大的陣列增益。天線越多，波速越窄，干擾更小；可獲得更大的天線抑制增益。毫米波多天線采用有源相控方式，使波束控制和管理成為可能，為波束賦形提供了基礎。

波束賦形：波束賦形即Beamforming，簡稱BF，是指陣列天線可以控制每一個天線單元的發射（或接收）信號的相位和信號幅度，產生具有指向性的波束，消除來自多方的干擾，增強波束方向的信號。它可補償無線傳播損耗。

四、動車組車載數據車地高速轉儲技術測試

（一）測試產品

Airflash RBS 軌旁基站：

Airflash TAU 車載終端：

網關及交換機：

（二）測試方案

靜態測試方案：

1.測試組網

2.部署環境

物理環境如下圖所示，車載網關（6 車WTD 百兆網口）--車體百兆 線纜--車載原交換機--70 米百兆網線--POE 百兆交換機--TAU（8 車司機臺左下方）RBS--筆記本模擬服務器（千兆網口）。

3.測試內容

車載網關與 TCMS 及6A 系統對接測試；

車載網關與車載 TAU 對接測試；

車載 TAU 與軌旁基站 RBS 對接及傳輸容量測試；

車載數據轉儲性能測試。

4.測試過程

協調到動車編號5191 作為測試車；

安裝airflash 設備、交換機設備、布線等；

配置網關、交換機、airflash，打通端到端傳輸通道；

測試不同大小的數據包傳輸性能；

5.測試結果

車載網關設備可以對TCMS 及6A 系統數據進行提取與轉發，附下圖：

車載網關設備與車載TAU 設備間能互聯互通，附下圖：

車載TAU 與軌旁基站RBS 能實現靜態互聯互通，最大傳輸容量為1.7Gbps，附下圖：

實現車載不同容量數據到地面的傳輸時間達到秒級，如使用萬兆車站網關，傳輸速率更快，附下圖：

場景1：車載網關發放500MB 數據，軌旁基站側接收耗時56s。軌旁基站接入電腦搭建數據接收server，檢測流量速率平均速度 8.8MB/s，如下圖：

場景2：車載網關發放330MB 數據，軌旁基站側接收耗時37s。軌旁基站接入電腦搭建數據接收server，檢測流量速率平均速度 8.8MB/s，如下圖：

場景3：庫房鏡像實車百兆口場景測試，網關發放數據684MB，server 端檢測流量平均速度9.2MB/s，如下圖：

場景4：庫房采用千兆口，兩臺筆記本直連Airflash 模擬傳輸6315.5MB 數據，server 端檢測流量平均速度可達80.1MB/s，如下圖：

動態測試方案：

6.測試組網

7.部署環境

動車進站快到達咽喉口時，TAU1 和RBS1 建鏈，1-4 車數據可以傳輸至地面存儲服務器；進站經過咽喉口后，TAU1 和RBS1 斷開，TAU2 和RBS2 建鏈，5-8 車數據可以傳輸至地面存儲服務器；考慮當 前100M 接口限制，在出站方向，可以斷點續傳。

8、測試結果

以下測試結果為車載網關使用百兆網卡的情況下進行，如使用千兆、萬兆網卡則傳輸速度更快，耗時更短。

結論

通過臨時搭建環境測試，已核實放置在動車車頭位置的TAU 與車外的基站BRS 之間可以正常互聯互通，動車車頭玻璃對TAU 設備信號干擾弱，不影響TAU 與BRS 設備之間的正常通信；

通過臨時搭建環境測試，端到端方案安裝可行，其中交換機可部署在原交換機電氣柜內，并替換原交換機，TAU 部署于司機室前臺左側，；RBS 可部署于司機室前方可視范圍，距離不超過300m 即可；

通過臨時搭建環境測試，airflash 最大傳輸速率可以達到1.7Gbps，基于現有車載網關百兆接口下，端到端傳輸速率最大83Mbps 左右，動車來回最大數據傳輸時間要求37s。