城市軌道交通信號系統(tǒng)車地?zé)o線冗余方案探索

王 壯

（卡斯柯信號有限公司，北京 100070）

通信技術(shù)飛速發(fā)展，基于通信的列車控制系統(tǒng)（Communication Based Train Control， CBTC）應(yīng)運(yùn)而生，并成為城市軌道主流信號系統(tǒng)。近年來車車通信、虛擬聯(lián)掛技術(shù)的出現(xiàn)使信號系統(tǒng)不斷向自動化和智能化邁進(jìn)，對系統(tǒng)的可靠性要求也逐步提高。無線系統(tǒng)作為信號系統(tǒng)的一部分，需同步提升車地?zé)o線傳輸可靠性，降低因無線系統(tǒng)異常導(dǎo)致車地通信中斷，影響行車的風(fēng)險(xiǎn)。

1 傳統(tǒng)無線系統(tǒng)冗余架構(gòu)

車地?zé)o線系統(tǒng)均按照冗余架構(gòu)設(shè)計(jì)，以長期演進(jìn)技術(shù)（Long Term Evolution，LTE)作為車地?zé)o線系統(tǒng)解決方案為例，信號系統(tǒng)無線冗余架構(gòu)如圖1所示。

軌旁部署兩張獨(dú)立冗余的LTE無線傳輸網(wǎng)絡(luò)A網(wǎng)（綠）和B網(wǎng)（橙），網(wǎng)絡(luò)由核心網(wǎng)設(shè)備（EPC）、基帶處理單元（BBU）、射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）、骨干環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、電源設(shè)備等構(gòu)成。

車輛在每列車的兩頭各安裝一臺無線終端（TAU），車頭TAU集成A網(wǎng)無線Modem，并與藍(lán)網(wǎng)車載控制器（VOBC）網(wǎng)絡(luò)連通，傳輸車地信號藍(lán)網(wǎng)業(yè)務(wù)；車尾TAU集成B網(wǎng)無線Modem，并與紅網(wǎng)VOBC網(wǎng)絡(luò)連通，傳輸車地信號紅網(wǎng)業(yè)務(wù)。

車載控制器和軌旁信號設(shè)備間的車地通信業(yè)務(wù)為雙向數(shù)據(jù)傳輸，通過無線設(shè)備構(gòu)建了用于車地?cái)?shù)據(jù)交互的無線通信鏈路。因此，車載和軌旁設(shè)備通信存在2條無線通信鏈路。

數(shù)據(jù)鏈路1：頭端-藍(lán)網(wǎng)VOBC?頭端-藍(lán)網(wǎng)TAU?頭端-A網(wǎng)無線Modem?軌旁-A網(wǎng)無線設(shè)備?軌旁藍(lán)網(wǎng)信號設(shè)備。

數(shù)據(jù)鏈路2：尾端-紅網(wǎng)VOBC?尾端-紅網(wǎng)TAU?尾端-B網(wǎng)無線Modem?軌旁-B網(wǎng)無線設(shè)備?軌旁紅網(wǎng)信號設(shè)備。

2 無線系統(tǒng)冗余改進(jìn)方案

2.1 冗余改進(jìn)架構(gòu)

傳統(tǒng)無線架構(gòu)下，單列車共有2條無線鏈路實(shí)現(xiàn)車地通信功能，冗余方案優(yōu)化以提升無線鏈路冗余度為突破口，在既有2條無線鏈路基礎(chǔ)上，再增加2條無線鏈路，實(shí)現(xiàn)單列車共4條無線鏈路。在傳統(tǒng)無線框架下需增加如下設(shè)備，如圖2所示。

軌旁需在冗余的信號網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)邊界處各增設(shè)動態(tài)鏈路控制服務(wù)器（DRCS），每臺DRCS同時(shí)連接無線A網(wǎng)和B網(wǎng)。

車載頭部和尾部TAU中各增設(shè)一套無線Modem和一套動態(tài)鏈路控制模塊（DRCC）。TAU中增加無線Modem后，每臺TAU可同時(shí)接入軌旁無線A網(wǎng)和B網(wǎng)。新增的模塊和服務(wù)器設(shè)備均采用通用非定制化設(shè)備，不會大幅度提高無線系統(tǒng)成本。

TAU只與本端VOBC連接，僅傳輸本端網(wǎng)絡(luò)信號業(yè)務(wù)。以藍(lán)網(wǎng)車地列車控制業(yè)務(wù)為例，藍(lán)網(wǎng)VOBC和軌旁區(qū)域控制器（ZC）藍(lán)網(wǎng)通信，頭端藍(lán)網(wǎng)VOBC將信息發(fā)送至頭端藍(lán)網(wǎng)TAU，TAU通過車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至軌旁ZC設(shè)備，由于TAU同時(shí)具備2條無線鏈路可供使用，需選擇其中一條無線鏈路傳輸信號業(yè)務(wù)。車載部署DRCC，軌旁部署DRCS完成鏈路監(jiān)測和無線鏈路選擇工作。

車地?zé)o線增加如下2條鏈路。

數(shù)據(jù)鏈路3：頭端-藍(lán)網(wǎng)VOBC?頭端-藍(lán)網(wǎng)TAU?頭端-B網(wǎng)無線Modem?軌旁-B網(wǎng)無線設(shè)備?軌旁藍(lán)網(wǎng)信號設(shè)備。

數(shù)據(jù)鏈路4：尾端-紅網(wǎng)VOBC?尾端-紅網(wǎng)TAU?尾端-A網(wǎng)無線Modem?軌旁-A網(wǎng)無線設(shè)備?軌旁紅網(wǎng)信號設(shè)備。

列車頭端和尾端的VOBC共有4條無線鏈路和軌旁信號設(shè)備進(jìn)行通信。

2.2 鏈路監(jiān)測原理

車載DRCC和軌旁DRCS進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o線鏈路狀態(tài)。

列車上電后，車載無線Modem立即發(fā)起入網(wǎng)請求，A網(wǎng)和B網(wǎng)的無線Modem入網(wǎng)成功后，DRCC端申請和DRCS建立通信隧道鏈路，在A網(wǎng)和B網(wǎng)上各建立一條隧道鏈路。

隧道建立完成后，車載DRCC以時(shí)間t為周期（t可配置，默認(rèn)25 ms）向軌旁DRCS和無線Modem發(fā)送心跳信息，軌旁DRCS和車載無線Modem收到心跳信息后立即回復(fù)，車載DRCC根據(jù)回復(fù)內(nèi)容計(jì)算每條鏈路的時(shí)延、抖動等重要通信指標(biāo)，并結(jié)合無線Modem回復(fù)的無線側(cè)狀態(tài)信息（信號強(qiáng)度、信噪比、入網(wǎng)信息等），綜合評估A網(wǎng)和B網(wǎng)無線鏈路健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對鏈路的實(shí)時(shí)監(jiān)測，如圖3所示，選取最優(yōu)無線鏈路傳輸車地列車控制信息。當(dāng)A網(wǎng)和B網(wǎng)無線鏈路均正常時(shí)，優(yōu)先使用默認(rèn)鏈路傳輸，藍(lán)網(wǎng)的默認(rèn)鏈路為數(shù)據(jù)鏈路1，紅網(wǎng)的默認(rèn)鏈路為數(shù)據(jù)鏈路2。

2.3 鏈路控制原理

車載TAU持續(xù)對2條無線鏈路進(jìn)行健康狀態(tài)評估，并選取最優(yōu)鏈路傳輸列車控制業(yè)務(wù)，當(dāng)業(yè)務(wù)傳輸鏈路健康狀態(tài)惡化時(shí)會觸發(fā)鏈路倒換機(jī)制，確保列車控制業(yè)務(wù)始終在最優(yōu)無線鏈路上傳輸。

無線鏈路倒換觸發(fā)主要考慮鏈路時(shí)延和丟包等指標(biāo)。《LTE-M》規(guī)范中規(guī)定，列車控制業(yè)務(wù)要求通信系統(tǒng)單路單向傳輸時(shí)延不超過150 ms的概率不小于98%，不超過2 s的概率不小于99.92%；列車控制業(yè)務(wù)要求丟包率不超過1%，通信中斷時(shí)間不超過2 s的概率不小于99.99%。

在滿足《LTE-M》指標(biāo)要求的前提下，結(jié)合列車控制業(yè)務(wù)設(shè)備間的最短通信周期及通信超時(shí)造成列車緊急制動的最大時(shí)間等因素，制定鏈路倒換觸發(fā)時(shí)機(jī)和鏈路倒換研判機(jī)制，需避免在鏈路狀態(tài)惡化時(shí)出現(xiàn)頻繁倒換或不倒換的情況，影響列車控制業(yè)務(wù)傳輸。鏈路倒換時(shí)機(jī)觸發(fā)設(shè)定為心跳回復(fù)信息連續(xù)丟包超過4個(gè)或連續(xù)4個(gè)包的時(shí)延超過100 ms時(shí)，啟動鏈路研判并進(jìn)行鏈路倒換。以藍(lán)網(wǎng)為例，鏈路倒換觸發(fā)時(shí)機(jī)和研判邏輯如圖4所示。

2.4 設(shè)備故障旁路功能

軌旁增加DRCS，用于對所有列車車地?zé)o線鏈路的監(jiān)測和選擇，如DRCS設(shè)備出現(xiàn)斷電或宕機(jī)等故障，連接到這臺設(shè)備上的網(wǎng)絡(luò)通信中斷，導(dǎo)致對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的車地控制業(yè)務(wù)信息斷開。為保證DRCS設(shè)備故障情況下無線鏈路依然可用，車載TAU和軌旁DRCS服務(wù)器增加旁路功能（Bypass）。當(dāng)DRCS設(shè)備故障時(shí)，車載TAU和軌旁DRCS同時(shí)切換至旁路模式，車載和軌旁鏈路控制設(shè)備間不再建立專屬隧道發(fā)送心跳信息，車載TAU通過默認(rèn)無線鏈路和軌旁信號網(wǎng)絡(luò)直接建立通信，恢復(fù)成傳統(tǒng)無線架構(gòu)。旁路功能僅在軌旁DRCS設(shè)備故障時(shí)啟動，車載配合同步倒換鏈路，某一車載TAU設(shè)備故障時(shí)，軌旁DRCS不會進(jìn)入旁路模式。

旁路功能主要是通過硬件和軟件相結(jié)合的形式實(shí)現(xiàn)，采用控制方式和觸發(fā)方式控制旁路模式的進(jìn)入和退出。

車載TAU和軌旁DCRS設(shè)備上均增加繼電器以實(shí)現(xiàn)正常模式和旁路模式的倒換。繼電器前接點(diǎn)與正常模式接口連接，后接點(diǎn)與旁路模式接口連接，如圖5所示。

觸發(fā)方式主要用于設(shè)備突發(fā)斷電類場景，DRCS設(shè)備上電后，繼電器勵磁吸起，前接點(diǎn)接通網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入正常工作模式。當(dāng)設(shè)備突發(fā)斷電時(shí)，觸發(fā)繼電器落下，連通后接點(diǎn)并接通旁路接口進(jìn)入旁路工作模式，如車載TAU在t1（t1可配置，默認(rèn)3 s）時(shí)間內(nèi)未收到2個(gè)無線鏈路的心跳信息，則進(jìn)入旁路模式接通默認(rèn)鏈路，繼續(xù)傳輸信號業(yè)務(wù)。

控制方式主要用于設(shè)備宕機(jī)類場景，通過獨(dú)立看門狗程序監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，并通過軟件邏輯控制繼電器。當(dāng)軌旁DRCS設(shè)備宕機(jī)后，獨(dú)立看門狗程序監(jiān)測到設(shè)備宕機(jī)，控制旁路繼電器進(jìn)入旁路模式，并立刻將旁路狀態(tài)發(fā)送至車載TAU，車載TAU同步控制繼電器切換至旁路模式，接通默認(rèn)鏈路繼續(xù)傳輸信號業(yè)務(wù)。

2.5 設(shè)備狀態(tài)上報(bào)及空口信息轉(zhuǎn)發(fā)

車載TAU和軌旁DRCS與網(wǎng)管系統(tǒng)使用SNMP協(xié)議進(jìn)行通信，將各自設(shè)備狀態(tài)信息（電壓、CPU使用率、溫度等）、無線Modem入網(wǎng)、場強(qiáng)、信噪比等信息，鏈路選擇信息、鏈路倒換信息等以周期發(fā)送和事件觸發(fā)的形式發(fā)送給網(wǎng)管系統(tǒng)，在網(wǎng)管界面上進(jìn)行圖形化顯示。

車載TAU具備空口信息轉(zhuǎn)發(fā)功能，可將接收到的控制面信令信息及業(yè)務(wù)面數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)至無線環(huán)境智能監(jiān)測設(shè)備，智能監(jiān)測設(shè)備通過對無線信號信令和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信息的解碼和分析，在線評估無線環(huán)境，判斷是否存在無線干擾情況，并可快速定位外部無線干擾，告警信息可實(shí)時(shí)發(fā)送至網(wǎng)管系統(tǒng)。

3 可靠性分析

從工程應(yīng)用的角度，影響無線系統(tǒng)可靠性的因素包括無線頻率的使用和設(shè)備冗余結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。

科學(xué)的頻率規(guī)劃可有效降低干擾對無線系統(tǒng)的影響，提升信號系統(tǒng)的可靠性。需提前對線路進(jìn)行掃頻測試，并根據(jù)專用無線通信和民用無線通信頻點(diǎn)使用情況，規(guī)避同頻、鄰道及多階互調(diào)等干擾的可能性。在排除外部無線潛在干擾后，為避免信號內(nèi)部冗余無線網(wǎng)絡(luò)頻點(diǎn)間同頻干擾，頻點(diǎn)的選擇不應(yīng)出現(xiàn)信道重疊的情況，且兩信道間需具備較大物理隔離度，降低兩信道同時(shí)被干擾的概率。

改進(jìn)的無線系統(tǒng)架構(gòu)是在傳統(tǒng)架構(gòu)增加無線通信鏈路，車載新增無線Modem和鏈路控制模塊，軌旁新增鏈路控制服務(wù)器設(shè)備，提升無線鏈路冗余度的同時(shí)也增加了設(shè)備故障點(diǎn)，為降低新增設(shè)備故障對無線系統(tǒng)可用性的影響，系統(tǒng)增加了鏈路控制設(shè)備旁路功能，當(dāng)軌旁設(shè)備斷電或宕機(jī)時(shí)，系統(tǒng)可自動切換至旁路模式，恢復(fù)為傳統(tǒng)無線架構(gòu)，不會降低信號業(yè)務(wù)的冗余度，最大限度減輕新增設(shè)備故障對信號業(yè)務(wù)的影響。

通過對車載和軌旁無線設(shè)備的單點(diǎn)、多點(diǎn)故障場景分類，對比傳統(tǒng)方案和改進(jìn)方案信號傳輸鏈路冗余情況，如表1所示。

表1 故障場景冗余度對比Tab.1 Comparison of redundancy in fault scenarios

針對多點(diǎn)故障情況進(jìn)行詳細(xì)說明，傳統(tǒng)無線架構(gòu)下，如車載頭端藍(lán)網(wǎng)TAU故障，車地A網(wǎng)（綠）無線鏈路中斷，導(dǎo)致信號藍(lán)網(wǎng)業(yè)務(wù)中斷，僅可通過尾端紅網(wǎng)TAU的車地B網(wǎng)（橙）無線鏈路傳輸信號紅網(wǎng)業(yè)務(wù)。

此時(shí)若軌旁某區(qū)域B網(wǎng)（橙）無線異常（設(shè)備故障或局部無線干擾等），會導(dǎo)致車地B網(wǎng)（橙）無線鏈路中斷，造成信號紅網(wǎng)業(yè)務(wù)中斷，列車通信超時(shí)緊急制動影響列車正常運(yùn)行。

增加無線鏈路后，在相同場景下，車尾紅網(wǎng)TAU將信號紅網(wǎng)業(yè)務(wù)無擾切換至A網(wǎng)（綠）無線鏈路上，維持列車單網(wǎng)通信，不影響列車正常運(yùn)行。

通過對不同故障場景下的方案對比可知，改進(jìn)方案較傳統(tǒng)方案相比，提升了鏈路的冗余性，從而提高無線系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)論

通過對傳統(tǒng)車地?zé)o線冗余架構(gòu)的改進(jìn)，增加車地?zé)o線鏈路，并部署鏈路的監(jiān)測和控制設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測通信鏈路質(zhì)量，保證車地控制業(yè)務(wù)信息在最優(yōu)無線鏈路上傳輸。對比分析車地?zé)o線系統(tǒng)單點(diǎn)或多點(diǎn)故障，說明無線系統(tǒng)冗余性和可用性提升情況，降低無線設(shè)備故障影響列車正常運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提升信號系統(tǒng)的可靠性。