淺談城市軌道交通車地通信質量的提升

陳志飛

目前，城市軌道交通信號系統大多采用CBTC系統。CBTC 系統是一個可提供理想追蹤間隔的移動閉塞系統，列車與軌旁設備通過無線通信系統交互移動授權限制、列車位置、軌旁設備狀態及其他ATS 相關操作命令等信息。車地無線通信質量將直接影響列車運行。本文以廣州地鐵21 號線為例，分析無線通信系統的故障原因，總結通信質量分析方法，提出故障處理和改善通信質量的措施。

1 無線通信系統結構

廣州地鐵21 號線采用泰雷茲Seltrac 無線通信系統，其DCS（數據通信系統）分為有線傳輸和無線傳輸2 部分。

有線傳輸部分，包括ATP/AP/ATS 骨干網、網絡交換機、軌旁無線接入點等設備之間的數據傳輸，采用IEEE 802.3 通信標準，通過Hirschmann交換機和光纖進行車站之間的數據傳輸，列車控制子系統（ATS、VOBC） 和區域控制器（ZC） 以IEEE 802.3 報文格式直接通信。

無線傳輸部分，采用IEEE 802.11 標準和FHSS（調頻擴頻）技術，具有2.4 GHz 頻段最強的抗干擾能力，實現軌旁無線接入點和車載移動無線設備之間的數據傳輸。列車上的電臺適配器（SA）和地面的軌旁無線單元（AP）截取適合的報文，并通過已經建立的無線連接來傳送。車地無線通信網絡見圖1。

圖1 車地無線通信網絡

AP 安裝于軌道沿線，提供冗余和全線無線覆蓋。2 個車載無線單元配置在列車兩端，通過射頻模塊接入軌旁無線AP 構建的無線網絡，對車地通信流量提供透明橋接服務，同時進行無線側加密。

AP 發射的信號，經過軌旁饋線衰減、軌旁天線增益、車地通信的傳輸衰減后被車載天線接收，再經過車載饋線衰減，最終被OBRU（車載無線單元）接收。在車地通信中信號接收功率出現異常時，可通過鏈路逐段排查故障點。車地無線鏈路見圖2。

圖2 車地無線鏈路

2 分析方法

在列車運行過程中，如果通信質量不佳，可能會出現通信數據丟失情況；當通信數據丟失超過12 s 時，列車會觸發緊急制動。出現這種情況時，現場維護人員一般會通過NMS（網絡管理服務器）系統來檢測AP 的連接狀態及數據丟包率。但實際上，車地通信質量不佳的主要原因為列車接收功率較低，利用NMS 無法直接檢測出來。通過對無線通信系統進行維護和研究，總結出統計數據和現場測量2 種方法。

2.1 統計數據

1）分析每日車地通信的統計數據。如果車地通信數據丟失超過3 s，HMI（人機工作站）上就會出現通信丟失報警，并顯示丟失通信的計軸區段。如果此區段多次發生通信丟失，則證明此區段的通信質量較低。

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2） 分析AP 與列車關聯次數。每日運營時刻表和上線列車數量不變的情況下，AP 與列車的關聯次數應是相等的。除部分避讓線、存車線等列車不經過區域，正線上的AP 與列車關聯次數應不小于100 次。如果某個AP 與列車關聯次數逐漸下降，或者關聯次數較少，則證明該AP 本身存在問題。

3）分析無線漫游數據。車地通信質量直接反映在列車接收端上，通過分析運營列車采集的無線漫游數據，可以得到各個AP 的數據：①收集到的AP 場強最大值是否大于-40 dBm；②列車與AP 的關聯順序是否與AP 的實際布置順序一致。

2.2 現場測量

2.2.1 測量AP 天線放大增益

若AP 的發射功率較低，則車載OBRU 接收到的功率也較低。由于AP 受環境因素影響較大，出現問題的概率較大，可通過檢測AP 天線的放大增益來判斷其狀態。在軌旁利用頻譜儀連接測試天線，對AP 放大增益進行測量，以判斷其健康狀態。

2.2.2 測量軌旁場強數據

由于軌旁無線AP 場強覆蓋采用冗余結構，因此單個無線AP 的單個天線至少需要覆蓋2 個AP的場強范圍。無線冗余覆蓋原理見圖3。

圖3 無線冗余覆蓋原理

實際的區間情況較為復雜，隧道、高架、彎道、聲屏障等地理因素，以及天線本身具有不同角度，均有可能導致區間AP 的無線覆蓋場強不同。現場可以通過測量區間內場強的覆蓋情況進行數據分析。將頻譜儀與無線天線相連以接收場強。由于一個AP 的單天線至少需要覆蓋2 個AP，以測量AP（N）為例，需要將AP（N+1）進行斷電，使其不發送信號；在AP（N+2）的位置，將測量天線保持在與列車車頂相同的高度，在軌道中間，對著AP（N）方向的位置進行場強測量，利用頻譜儀搜索場強峰值。測量要求場強平均峰值應大于-65 dBm。如果接收的場強過低，需要對天線進行角度調整。在彎道較大的地方場強覆蓋情況較差，則需要考慮在場強較低的地方增加復示AP 天線，或者增加相應的AP 放大功率，保證場強覆蓋達到要求。

3 處理措施

對廣州地鐵21 號線開通以來無線通信數據進行分析，其故障主要表現為：①區段內多次出現通信丟失報警，區段內AP 與列車關聯次數較低；②列車與AP關聯時長較低；③列車與AP關聯順序異常。

3.1 區段內多次出現通信丟失報警

1） AP 自身的發射功率較低，導致列車接收到的功率較低，因此通信質量不佳。這種情況需要逐段進行排查測量。AP 硬件連接如圖4 所示，其中SDR 為軌旁無線AP 單元。

圖4 軌旁無線AP 硬件連接圖

設天線放大增益為PA，

式中：PSDR為固定值，可測量，一般大于16 dBm；A為整條鏈路的功率衰耗；L為饋線長度（m）；A濾波器為3 dBm，A衰減器為3 dBm （廣 州 地 鐵21 號線），A防雷器為1.2 dBm，A功分器為3 dBm/個；N為功分器的個數；A接頭為0.2 dBm/個；M為接頭個數。

利用公式（1）（2），可計算正常軌旁AP 的天線放大增益PA。以饋線長度為10 m、功分器數量為1 個、接頭數量為5 個，PSDR為17 dBm 為例，通過公式（2） 計算出A=12.64 dBm，代入公式（1）計算出PA=4.36 dBm。

經過大量的數據驗證，AP 的天線放大增益標準值為（5.5±2）dBm。若測量發現AP 天線放大增益低于此范圍數值，需要逐段排查，找出問題部件并進行更換；若測量發現AP 天線放大增益高于此范圍數值，則需要考慮在鏈路中增加衰減器，以符合天線放大增益標準。

2）區間無線場強覆蓋較差，導致列車在運行過程中間斷性丟失通信。在區間AP 布置中，原則上是每300 m 布置1 個，在高架區間則更密集。場強覆蓋與天線本身的角度、隧道環境息息相關，若AP 發射功率正常，場強覆蓋情況較差，應進行以下排查：①天線的布置應與鋼軌平行，若軌道處于彎道，則天線應安裝在彎道的外側墻壁處，并且與遠處的鋼軌處于平行，以保證場強的正常覆蓋。若現場無線AP 天線角度異常，應及時做出調整。②天線方向是否能覆蓋到2 個AP 的距離。排查區間內是否有較大的彎道，是否有墻壁、防淹門等遮擋AP 信號的傳輸，若存在，則需要考慮消除遮擋因素、調整AP 天線位置，以及在相應的位置增加復示天線，以擴大場強覆蓋范圍。

3.2 列車與AP 關聯時長較短

廣州地鐵21 號線2 個AP 之間最小的接入點距離Smin=230 m。設列車與單個軌旁AP 關聯的最小時長為Tmin，列車運行的最大速度為Vmax=120 km/h。可以計算出：

即列車與AP 關聯時長要大于6.9 s。通過收集列車接收場強數據可以計算出列車與每個AP 關聯的時長，若關聯時長小于6.9 s，則屬于異常關聯，需檢查軌旁AP 及車載設備的硬件情況。

3.3 列車與軌旁無線AP 關聯順序異常

按列車運行情況分析，列車關聯AP 的順序應與軌旁AP 的布置順序一致。通過收集列車漫游數據，可以獲取列車與AP 關聯的順序。在正常情況下，列車關聯AP 的順序應該為AP （N）、AP（N+1）、AP （N+2）、AP （N+3） ……，如果關聯順序出現異常，則可能出現以下2 種情況：①被跳過關聯的軌旁無線AP 的發射功率較低，導致列車無法與其關聯，此時可對AP 分段排查，以及檢查區段內場強覆蓋情況，找出故障點；②被間隔接入的軌旁無線AP 發射功率偏高，通過增加衰減器來降低天線增益，保證場強均勻覆蓋。

4 總結

車地通信質量下降有多種原因，通過以下幾種方式可提升CBTC 車地通信質量。

1） 軌旁無線AP 天線放大增益的技術指標為（5.5±2） dBm，如果通過測試發現該參數異常，則需要對該AP 進行分段排查，找出故障點進行整治。

2）高架段軌旁無線AP 天線、接口、功分器等密封性不佳，會導致天線放大增益偏低，需要預先對高架段軌旁無線AP 相關部件進行防水整治。

3）列車與每個AP 的關聯時長需要大于6.9 s，若關聯時長偏低，則需要對相應的AP 和車載OB?RU 進行檢查處理。

4） 列車關聯AP 順序應與AP 的物理位置一致，否則可能存在AP 天線增益過高或者過低的情況，需要進一步檢查處理。

5）區間內無線信號場強覆蓋應平均，若覆蓋情況較差，應及時調整天線角度或增加復示天線。

總之，應把數據分析作為一個常態化工作，通過周期性收集通信丟失、列車漫游、列車與AP 關聯次數等數據，以便對通信質量進行跟蹤。這些分析方法可應用到AP 預防性維護、檢修及故障處理中，從而有效提升車地通信質量，保障列車穩定運行。