基于WLAN的車地無線覆蓋優化分析

摘要：目前城市軌道交通信號系統一般采用WLAN技術來承載CBTC（基于通信的列車控制，Communication Based TrainControl）車地無線傳輸。WLAN技術并不是為移動環境下的數據傳輸所設計的，用其設計數據通信系統（Data Communica-tions Subsystem，DCS）時車地無線存在干擾嚴重、切換時延過大等缺陷。既有線路許多已采用基于WLAN技術的DCS方案，并采用車載雙天線無縫切換方案、全線規劃布置交叉雙網的軌旁基站與列車通信的傳統方案進行優化。然而因傳輸和線路問題，實際運營中仍然發現無線場強覆蓋存在弱場、干擾嚴重等問題。該文分析其形成原因，據此提出相應無線覆蓋優化解決措施。

關鍵詞：軌道交通;無線通信;網絡優化;解決措施

中圖分類號：TN607 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）19-0040-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

目前車地無線通信普遍采用基于IEEE 802.11的WLAN（無線局域網）技術，一般采用的2.4G頻段或5.8G頻段，窄帶寬，信號覆蓋不均勻。該技術存在頻點干擾嚴重，公共頻帶干擾嚴重、高速性能瓶頸等重要缺陷。目前存在乒乓切換、列車頻繁切換基站、無線信號不連續、信號強度下降、信號干擾等問題。這些問題會造成通信中斷，列車區間EB。針對這些問題，本文對無線傳輸過程和場強覆蓋進行理論分析，并提出網絡優化解決措施。

1 車地無線通信原理

DCS無線網絡用于承載車載和軌旁CBTC系統間信號數據流的通信，它由位于軌旁基站、車載無線天線、車載無線調制解調器組成，一般采用雙網冗余通信。

DCS無線系統能在列車沿軌道運行過程中為車載和軌旁系統提供連續的通信連接。線路上每300米設置一個軌旁無線基站。在某個無線單元信號覆蓋范圍內，車載調制解調器接人該基站，在兩個基站的重疊區域，列車會進行越區切換。

軌旁無線基站主要有兩套無線調制解調器、電源轉換器、光電轉換器組成，以實現雙網冗余通信。兩套無線調制解調器連接到各自的功分器上，功分器連接到定向天線上用于傳輸射頻（RF）信號，具體的傳輸工程如下：

（1）信號發射過程：光信號由室內交換機端通過光纖傳至軌旁基站，通過光電轉換器轉化為電信號，再經過調制解調器的調制為適合空間傳輸的射頻信號，通過功分器將該射頻信號分為兩路相同的信號，分別由饋線連至天線增益后發射該信號，與車載無線設備通信。

（2）信號接受過程是發射的逆過程，將通過天線接收信號，再由車載調制解調器解析信號。

（3）越區切換過程：與下一個基站建立連接的過程，目前基本采用硬切換的方式，當移動節點連接到新時，首先需斷開與當前的連接，會導致系統通信的中斷，不能實現無縫切換。

2 場強覆蓋分析

2.1 場強覆蓋規劃

理論上采用自由空間無線傳播方式，在傳輸距離達到400米時，車載無線modem仍有30dB左右的鏈路余量。如下表所示，從軌旁基站到車載modem之間的場強規劃。其中傳輸功率、功分器衰減、天線增益、接收靈敏度都是設定值，自由空間損耗、饋線系統衰減、天線角度是變量，這些環節出現問題會導致弱場現象。

饋線系統衰減、天線角度造成的衰減暫時無法計算，可以優化。路徑損耗原理如下：電磁波傳播介質主要有自由空間、波導管、漏泄電纜3種。因城市軌道交通一般在隧道中，本文可選取電磁波在自由空間中傳播的情況進行分析，則路徑損耗為

Ls=-27.56+20lgf+20lgd

d是列車與當前關聯TRE的距離;f是信號頻率2.4MHz。隨著列車運行，路徑損耗與距離成正比，信號強度與距離成反比。

2.2 場強覆蓋優化方法分析

無線系統場強優化調整方法有：（1）調整發射功率;（2）調整接收器靈敏度;（3）提高系統抗干擾能力;（4）調整發射/接收天線的增益。

基于WLAN的無線通信系統采用2.4GHZ的雙頻窄帶系統，采用窄帶傳輸所以系統抗干擾能力強，缺點是降低了通信質量。發射和接收采用高增益定向天線傳輸，增益量為14DBi，無須調整。提高接收器的接收靈敏度能夠增加接收機最低接收場強，但會影響越區切換過程，調整后容易造成乒乓切換。因此優化通信傳輸距離和信號強度的方法主要為調節發射功率，優化弱場強場區域的發射功率，但要注意調整后不得干擾鄰區通信。

優化還需考慮移動無線環境（射頻信號在隧道內的衰減非常迅速）、天線高度以及傳播情況（例如反射、繞射、散射）。因此網絡優化還需勘探現場環境，調整天線角度和高度。

3 目前車地無線通信存在的問題及應對之策

3.1 無線信號覆蓋存在的問題

實際運營中發現這種越區切換方式會造成以下問題：

（1）基站切換前（后）出現中斷或者頻繁信號中斷現象

在觸發越區切換后，車頭開始向目標基站進行切換操作。在車載modem與原基站斷開連接，到與目標基站建立連接的過程中，會出現車輛與地面的通信時延現象。如果多次切換都無法成功接人目標基站，若車地通信出現時間間隔大于5s的通信超時會觸發列車緊急制動。

自切換單次中斷時間不大于SS就不會引起列車EB，但是多次出現切換中斷則會造成通信異常。當掃描到目標后，移動節點與目標之間需通過認證及重關聯過程后才開始轉發數據。從開始切換到與目標完成重關聯操作之間有一段延遲。這時如果信道突然惡化，就會造成當前與之間的信號質量急劇降低，從而導致與目標完成重關聯之前已不能通過當前轉發數據，這樣通信就會中斷。

（2）某基站與該區段天線相連的RF電纜出現問題（損壞、進水）

信號切換時出現場強覆蓋電平低于70dB，且有電平陡降現象，原因一般為區間基站天饋線連接頭松動或饋線電纜損壞導致輸出降低，場強覆蓋區弱場。

（3）出現頻繁切換基站的情況

由于城市軌道交通運行環境復雜多變，導致信道變化較大，當目標小區的信號強度高于當前小區時，就觸發越區切換。然而由于受到外界環境的干擾，某一時刻目標小區的信號強度突然下降，就會切換回原小區。這樣就在目標小區與原小區之間來回切換，導致“乒乓切換”。

（4）信號在區間某個位置收到外界干擾的情況

無線通信采用2.4G頻段中干擾較少的CHI和CHII兩個頻段，工作信道在2400-2483.5 MHz之間，以5 MHz間隔，調制解調器會接收到的其他2.4G無線干擾信號。2.4GHZ為公用頻率，無線信號藍牙等會對車地無線通信產生同頻干擾。

3.2 無線信號優化方法

（1）調節天線的角度

車地通信采用定向天線，軌旁定向天線角度有問題會造成區間弱場，車載定向天線角度問題會導致該車多處TRE切換前后信號中斷等異常問題。若場強覆蓋分析發現多處TRE切換前后信號中斷或者異常情況時（其他列車均未出現該現象），優先考慮是列車車載天線角度問題;若發現某處弱場，則考慮區間天線角度問題。

（2）調節軌旁基站的發射功率

調節軌旁基站的發射功率，增強弱場區域無線信號場強，降低強場區域功率值，這樣可以優化場強覆蓋，降低信號干擾，有效避免列車在軌旁基站之間頻繁切換、自切換、乒乓切換現象。

（3）排查無線鏈路

在無線鏈路環節，若某區域出現弱場，也應對天饋系統的電纜接頭連接處、傳輸設備駐波比等情況排查。也會出現收光正常但是接收信號有問題的故障，需更換光電轉換器。因為光電轉換器出現問題，會造成接收和發送的信號弱或者無法傳輸和接收信號。

此外，信號從室內交換機傳至室外基站，存在一定的光衰值，調整室內交換機端的發光到合適的值，可以避免信號從交換機端到基站的衰減過大、信號弱的問題。

4 總結

本文分析了基于WLAN的車地無線通信系統的信號傳輸方式和原理，車地通信質量的關鍵在于軌旁基站場強覆蓋是否分布均勻。為了減少實際運營存在的弱場干擾現象，根據無線傳輸的理論提出了調整問題區域的基站功率的方法。實際網絡優化過程發現上述方法有效解決了軌旁基站自切換、兵乓切換等問題，對降低列車區間EB的故障率、提高運營安全性有積極作用。

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【通聯編輯：代影】

收稿日期：2020-04-10

作者簡介：杜雅茹，女，單位：鄭州地鐵集團運營分公司，初級職稱，研究生學歷。