淺析上海軌道交通5號線無線雙網車地通信系統

魏然之

摘 要：上海軌道交通5號線于2016年起進行信號系統大修改造。改造后使用TST CBTC2.0移動閉塞系統。該套系統的一項技術特點就是車地通信網絡在保持原有FHSS（無線跳頻）網絡基礎上，新增LTE無線通信網絡，形成雙網冗余架構。每個車地無線通信網絡都配置了獨立的軌旁骨干網，及獨立的軌旁無線接入點或基站用來傳輸數據。車載設備則在列車每端都安裝了FHSS和LTE的獨立電臺。這種雙網車地通信系統可以確保車地通信業務的可靠性，單點、甚至單網故障都不會對運營造成影響。

關鍵詞：車地通信;雙網冗余;FHSS;LTE

中圖分類號：U231.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）01-0019-03

0 引言

上海軌道交通5號于2003年11月正式投入運營。2014年，距離5號線開通已過十年，接近大修年限。由于沿線規劃發生了巨大變化，5號線客流預測的年限和數值均發生較大調整，明顯地突破了原線路的預計客流。無論是通過能力或輸送能力均已不能滿足今后的需要，因此必須對既有線進行擴能改造。而5號線的系統通過能力和輸送能力較低又是因為受制于信號通過能力偏低，所以擴能勢必要通過改造信號系統來實現。

1 TST CBTC2.0系統簡介

2018年底，5號線信號系統改造完成。新系統采用了TST CBTC2.0方案。該方案是具有先進技術的移動閉塞無線CBTC系統。它提供了所有CBTC的功能：ATS、ATP、ATO，且是一個可以達到120秒或者更小運行間隔的真正的移動閉塞系統，也是一個可滿足項目需求的純正移動閉塞系統。CBTC2.0系統包含5個子系統：列車自動監控，也稱中央控制單元（CCU）;軌旁ATP，也稱移動授權控制單元（MCU）;車載控制單元（VCU）;數據通信單元（DCU）以及智能維護支持系統（IMSS）。其中數據通信單位的一項新技術就是車地通信網絡在保持原有FHSS（無線跳頻）網絡基礎上，新增LTE無線通信網絡，形成雙網冗余架構[1-2]。CBTC 2.0的系統架構框圖如圖1所示。

2 FHSS網絡設計

FHSS無線網絡使用802.11跳頻技術，工作頻段為ISM 2.4GHz。該技術被證明可以在復雜的電磁環境，尤其是在2.4GHz WIFI干擾情況下正常工作，是適合于信號系統車地通信網絡的解決方案，并且在高架和地下段都能可靠工作。

2.1 FHSS軌旁-車載設備架構

FHSS網絡的軌旁設備主要由AP（無線接入點）組成。AP安裝在正線、停車場和試車線，平均大約每200m一個。實際距離要取決于線路的地形、隧道結構、地方標準及天線類型等。AP天線的布置方法將其所需的數量降到了最低，同時還考慮了軌道彎道的特殊傳播情況，以及長大區間的距離因素。不論是隧道還是高架，亦或是地面，都將根據線路測量期間實際測到的無線信號覆蓋范圍來安裝天線。天線位置的設置規則為：相鄰AP的信號可以重疊，FHSS的信號網絡必須覆蓋整個線路。這種信號的重疊提供了軌旁無線信號的冗余，如果一個AP或者隔一個AP交替發生故障，都能確保連續的無線覆蓋，不會產生信號盲區[3]。FHSS網絡的AP無線冗余覆蓋示意圖2所示。

FHSS網絡的車載設備稱為車載無線單元（OBRU），它主要由SDR模塊、濾波器、電臺（SA）及天線組成。這些設備分別位于列車的A端和B端。在列車運行過程中，車頭可以收到前方2個有效無線輻射信號，車尾可以收到后方2個有效無線輻射信號，只有當4路無線信號同時發生故障或者被同時干擾的極端情況出現時，列車才會丟失通信。以上這種高冗余性設計大大增強了整個系統的可靠性。充足的數據吞吐量、更好的干擾恢復能力、超過200km/h高速列車在AP間的無縫切換等，滿足了CBTC的要求。

2.2 FHSS的抗干擾分析

在802.11無線通信協議內，使用FHSS跳頻技術可以防止窄帶干擾，并使重新傳輸能夠獲得更高的成功機會，因為它可以在一個完全不同的，也許是50MHz或更高頻率上工作，從而避開了所有的干擾。這項技術非常有效，它能使多個用戶同時進入一個相同頻段而互不干擾。這些用戶可以是其它FHSS系統，例如藍牙，以及DSSS系統。跳頻為用戶提供了一種機制，使無線載波頻率能通過虛擬的隨機移動帶寬來互相避讓。正是由于精心選擇了開放的標準技術，DCU可以在列車周圍或接入點天線旁存在藍牙設備及WIFI系統的情況下，正常運行而不丟失數據包。但由于2.4GHz頻段是一個全球性免費開放頻段，隨著民用和商用WIFI網絡的普及，該頻段下用戶量急劇增加，當這些設備與CBTC系統處于相同的環境同時工作頻點重疊時，就不可避免的對CBTC無線通信產生同頻干擾。車地通信系統使用FHSS單網絡的線路，其列車通信丟失的次數相比剛剛開通時大幅增加[4]。

3 LTE網絡設計

CBTC2.0系統的車地通信網絡在已布置了FHSS跳頻技術的同時，引入了全新的LTE網絡，形成了雙網冗余結構。LTE車地無線通信網采用國際先進的LTE-TDD技術，使用城市軌道交通專用的無線通信頻段（1800～1805MHz），與公眾使用的移動通信系統以及WIFI（2.4GHz頻段）有較好的隔離，對軌旁FHSS無線網絡幾乎沒有干擾[5]。

3.1 LTE軌旁-車載設備架構

LTE車地無線通信網絡的軌旁設備由核心網EPC，基站（BBU），遠程無線單元（RRU）和泄露電纜組成。該網絡采用A/B雙網設計，A網和B網是兩個完全相同，完全獨立，互不影響的網絡，其物理鏈路與設備都是如此。這使得LTE系統自身就具備了雙網冗余特性，消除了CBTC業務在車地無線網絡中因單點故障而對運營造成的影響。LTE網絡的架構如圖3所示。

車載方面，每列車的車頭和車尾都放置一臺A網LTE車載電臺（TAU）和B網LTE車載電臺，每個電臺連接兩個天線，采用雙網設備同時工作，分別接入軌旁A網和B網的LTE無線網絡，構成車地通信的第三條和第四條無線通道。

3.2 LTE的抗干擾分析

LTE抗干擾措施主要包括對帶外信號的抑制和對帶內信號的對抗和規避。（1）帶外干擾信號的抑制。帶外干擾信號對LTE網絡的影響主要體現在對基站（BBU）、車載電臺（TAU）接收的干擾，降低接收靈敏度，嚴重抬升噪聲水平，縮小基站覆蓋距離。干擾嚴重時會阻塞電臺的接收，徹底關閉上行通道?；尽㈦娕_為了規避帶外干擾信號帶來的影響，特別選用高抑制、低帶寬的腔體濾波器，能夠極大抑制帶外信號進入基站和電臺的通道，保證系統接收靈敏度?；?、電臺內部的基帶濾波器設計也能夠抑制帶外信號的干擾，在腔體濾波器抑制帶外大功率信號輸入的前提下，基帶濾波器能夠進一步消減帶外干擾，提高接收靈敏度[6]。（2）帶內信號的干擾對抗。帶內信號和LTE網絡的信號混疊在一起，造成LTE接收信號的解調出現誤碼，在干擾嚴重時將極其影響LTE的通信狀態，造成丟包率增加、延時加大、甚至阻斷連接。針對帶內嚴重干擾這種情況，LTE基站采取了干擾偵測和規避技術來有效降低干擾信號的影響。LTE基站能夠自動偵測帶寬內每個子載波的干擾電平，調整無線資源調度的策略，分配子載波時避開受干擾的子載波，優先使用底噪低的子載波，能夠在保證必要的傳輸帶寬的情況小消除帶內干擾的影響。如果帶內干擾信號分布廣泛，將極大影響傳輸帶寬，LTE基站能夠自動偵測和提供干擾偵測報告，提醒業主和維護工程師確認干擾源頻率，幫助確認和消除外部干擾源[7]。

4 雙網與單網車地通信系統對比

相比于采用單網車地通信系統的CBTC線路，CBTC 2.0方案的FHSS+LTE雙網結構具有更完備的冗余能力和更強的抗干擾能力，從而保證車地通信業務的穩定傳輸[8-10]。

4.1 可靠性對比

CBTC2.0所構建的雙網形式相比單網在可靠性上有大幅的提升。目前FHSS技術下的2.4GHz無線通信網絡存在受相同頻段民用設備干擾的風險，并且經過近年來對該無線網絡的故障總結，發現在日常運行中列車的單頭通信經常會出現中斷，導致列車通信穩定性下降。如果另外一頭再出現故障會使通信列車降級為非通信列車，對運營會造成影響。而軌旁的AP由于受到干擾，連續多個無法正常發射信號，導致列車通信中斷的故障也屢有發生。增加了LTE無線通信網絡后，相當于是提供給了城市軌道交通一個專用的網絡，在其1800-1805MHz頻段中列車的通信不用擔心類似既有的2.4GHz網絡這樣的干擾，同時雙網相結合的運行方式可以保證列車單網故障或軌旁單網故障時繼續保持列車的正常運行，對改善列車與軌旁通信穩定性有積極作用。單網絡線路與雙網絡線路的可靠性對比表1所示。

4.2 可維護性對比

CBTC2.0下的車地通信網絡擁有完善的冗余，但并不代表其可維護性一定成正比。日常的作業中維護人員會頻繁的通過網管篩查報警，確認軌旁和車載設備狀態，一旦發現存在故障隱患或者設備冗余丟失，肯定會在第一時間安排人員趕赴現場處理。雖然CBTC2.0下的車地通信網絡設備冗余性得到提高，但如果硬件設備依舊沒有足夠的可靠性，那么設備的冗余只能降低正線的故障，卻可能因為硬件數量的增加導致硬件發生故障的概率上升最終反而降低了雙網系統的可維護性。

此外硬件設備的增多加大了日常巡檢和年月檢的工作量，對于維護人員而言單位時間的工作強度反而提升了，所以要想提高設備的可維護性，必須完善冗余的同時提高設備硬件的可靠性，只有這樣才能減少日常巡檢強度，多通過中央報警的篩查，進行針對性的設備維護，達到提高設備穩定和降低人力成本雙贏的目的。

5 結語

通過對CBTC2.0信號系統下雙網車地通信系統的了解，以及和老線路的單網進行對比，可以看出，隨著無線通信技術的發展，城市軌道交通的車地通信系統比前一代有了長足的進步。通過采用最新的LTE-TDD技術和完善的冗余設計，使得這套雙網車地通信系統的抗干擾能力和設備冗余能力有了顯著的增強，解決了單網系統中一些較為突出的問題。同時我們也必須預見到單一的堆砌冗余設備是不科學的，必須提升硬件設備的質量，唯有可靠的硬件才是設備長期穩定運行的保證。雙網絡車地通信這項新方案的應用保證了上海軌道交通5號線的信號系統能夠為廣大乘客提高了一個安全、舒適、方便、快捷的出行體驗，也為全國后續軌道交通車地通信系統提供了良好的借鑒意義。

參考文獻

[1] 戴克平，張艷兵，朱力，等.基于LTE的城市軌道交通車地通信綜合承載系統[J].都市快軌交通，2016（1）：69-75.

[2] 林瑜筠，朱宏，王偉.城市軌道交通信號設備[M].北京：中國鐵路出版社，2006.

[3] 譚廷浪.LTE技術在廣州有軌電車信號系統的設計方案分析[J].現代城市軌道交通，2016（04）：6-8.

[4] 許瓊.基于TD-LTE技術的無線鏈路物理模型構建及其預算方案[J].蘭州交通大學學報，2014（06）：39-43.

[5] 戴克平，韓永志.基于TD-LTE技術的車地無線通信系統設計[J].無線電通信技術，2015（6）：06-09+31.

[6] 張利彪.城市軌道交通信號與通信系統[M].北京：人民交通出版社，2010.

[7] 高巖.基于WLAN技術的軌道交通PIS系統車地無線通信[J].科技風，2012（23）：20-21.

[8] 王強.城市軌道交通中的車-地間無線通信技術研究[J].鐵道通信信號，2008（8）：44-46.

[9] 杜成.城市軌道交通CBTC 2.4GHz無線傳輸技術的應用研究[J].鐵道標準設計，2013（3）：129-133.

[10] 王洪偉，寧濱，蔣海林，等.2.4GHz CBTC車地通信系統在隧道中的傳播特性研究[J].鐵道學報，2013（10）：52-58.