基于PRP提升CBTC車地無線通信可靠性方案研究

楊 震，鄺榮華，蔡景俏，熊 文

（1.深圳地鐵運營集團有限公司，廣東深圳 518000；2.卡斯柯信號有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000）

并行冗余協議（Parallel Redundancy Protocol，PRP）是IEC62439-3 中定義的冗余網絡標準協議，主要應用在對實時性和可靠性要求較高的工業自動化網絡中。該協議標準支持發送端設備將數據包復制后通過兩個獨立的網絡同時發送，并在接收端設備根據該協議算法進行選收，從而提高傳輸鏈路的可靠性。當其中一個網絡故障時，數據包將無縫改由另一個網絡傳輸。本文首先討論PRP 協議的技術特點，并針對PRP 方案在提高地鐵CBTC 信號系統WLAN 車地無線通信可靠性的應用場景進行闡述，然后介紹基于PRP 方案的CBTC 車地無線通信實際測試情況，最后對該方案在軌道交通中的實際應用進行分析和展望。

1 PRP協議概述

PRP 支持通過兩個相互獨立的局域網通道同時進行數據傳輸。支持PRP 協議的網絡設備稱為雙連接節點（Doubly Attached Nodes Obeying to PRP，DANP）設備，DANP 設備的兩個以太網口分別連接到兩個不同的局域網。要實現冗余通道傳輸功能，DANP 設備一般成對使用，兩臺DANP設備之間通過兩個不同局域網同時收發數據包。源DANP 設備將收到的數據包同時經由兩個局域網傳輸到目的DANP 設備，目的DANP 設備選擇先到達的數據包轉發出去。源和目的DANP 設備之間通信的原理如圖1 所示。其中Link Redundancy Entity 工作在數據鏈路層，因此PRP 協議設備只能直接處理二層數據包。

圖1 DANP數據收發原理Fig.1 DANP data receiving and transmitting principle

2 既有信號系統WLAN網絡現狀

國內早期已開通的地鐵線路CBTC 信號系統多采用基于IEEE802.11g 標準的WLAN 車地無線方案，車地無線通信工作在2.4 GHz 開放頻段。線路一般有隧道和高架兩種線路類型，其中隧道段車地無線通信穩定，但高架段由于外部無線環境復雜，運營時段存在的同頻干擾源較多，車地無線通信受擾后短時通信中斷的情況時有發生，對地鐵線路正常運營造成了一定的影響。為解決高架段車地無線通信問題，地鐵線路既有WLAN 方案進行了各種無線優化工作，包括調整占用的無線頻段、優化無線信道及無線發射頻率等，也排除了高架沿線的部分干擾源，但仍不能完全解決高架段車地無線通信問題。

3 基于PRP的車地無線通信冗余方案

鑒于WLAN 系統內部優化已無法有效解決干擾問題，為解決地鐵線路信號系統WLAN 車地通信的問題，考慮在車地通信既有WLAN 網絡基礎上，再引入一套不同制式不同頻段的無線系統作為冗余通道，從而提高車地無線通信的可靠性。

對于兩條不同無線鏈路的冗余，一般有負載分擔、主備鏈路、PRP 鏈路冗余等幾種技術方式。幾種方式的特點對比如表1 所示。

表1 幾種不同冗余方式對比Tab.1 Comparison of several different redundancy modes

信號系統車地通信數據量明顯低于PIS 和CCTV 等業務，且信號系統更關注的是車地通信通道的穩定性和可靠性。由于既有的WLAN 鏈路存在受擾造成車地通信丟包的風險，因此無論采用負載分擔還是主/備鏈路方式，都無法解決既有WLAN 鏈路切換時的丟包風險。而采用PRP 方案則可通過同時使用兩條無線鏈路傳輸，且選擇相對更優的無線鏈路發來的數據進行轉發，能夠有效實現兩條無線鏈路之間的互補，理論上能夠有效解決既有WLAN 車地通信的問題。

選擇表1 中第三種方案，增加一套其他制式的無線系統，使信號系統車地通信單網數據包（共兩個網絡）可經由兩條不同制式的無線通道同時傳輸。在其中一條無線通道，如WLAN 通道全線或部分區段故障不可用時，信號系統可以無延時的改用另一條無線通道進行車地通信。理論上能夠有效提升信號系統車地通信的可靠性，降低車地無線故障對運營造成的影響。基于PRP 方案的信號系統車地無線通信網絡方案示意如圖2 所示（以信號系統車地通信單網為例）。

圖2 信號系統PRP方案車地通信網絡架構Fig.2 Train-ground communication network architecture of signal system PRP scheme

方案中，由于既有WLAN 系統及其他無線系統一般為三層網絡架構，而PRP 協議工作在數據鏈路層，因此通過PRP 接入兩條不同的無線網絡時，在車地無線系統兩端需增加路由設備實現車地之間的二層隧道傳輸。將既有車地WLAN 系統改造為PRP 冗余通道方案，軌旁除了需要增加PRP 設備外，還需要增加用于建立二層隧道的路由器設備，列車上僅需增加集成了二層隧道功能的PRP 設備。

當軌旁信號設備發送數據包A 給車載信號設備時，數據包A 到達軌旁PRP 設備后，PRP 設備會將數據包A 復制后轉發到兩條不同無線鏈路上，且分別為兩個數據包打上識別標簽；兩個相同內容的數據包經由兩條不同無線鏈路分別到達車載PRP 設備；車載PRP 設備通過識別數據包的標簽，將先到達車載PRP 設備的數據包轉發給車載信號設備，將后到達的數據包丟棄。當車載信號設備發送數據包給軌旁信號設備時，也采用同樣的處理機制由軌旁PRP 設備對數據包進行選收并轉發。

4 PRP方案測試驗證

由于上述PRP 方案在軌道交通信號系統沒有應用先例，為驗證方案的實際傳輸性能，在實驗室及實際地鐵線路分別進行了PRP 方案的驗證測試。測試使用的通信方案如圖3 所示。

圖3 PRP車地通信方案測試網絡架構Fig.3 PRP train-ground communication scheme test network architecture

首先在實驗室進行了PRP 同時經由WLAN 及LTE 無線鏈路傳輸的靜態功能測試驗證。基于圖3的測試網絡架構，測試內容為通過車載和軌旁兩臺測試電腦之間運行端到端性能測試軟件對丟包率和時延進行測試。測試結果：1）在同時存在兩條無線鏈路時，PC1 和PC2 能夠正常穩定通信；2）任意斷掉LTE 無線網絡或WLAN 無線網絡，PC1 和PC2 之間的通信不受影響。測試證明PRP 方案功能上能滿足同時利用兩條無線鏈路傳輸的要求。

選擇實際地鐵線路對PRP 方案進行動車驗證測試，方案中使用的冗余鏈路是通信專業既有的1.8GHz LTE 系統。動車測試主要內容包括：PRP冗余通道車地通信傳輸性能測試；模擬單個無線網部分故障測試；模擬單個無線網全部故障測試。

選擇該線路的一段高架區間進行測試，將新增PRP 測試設備接入既有信號系統網絡后，確認靜態情況下兩個無線網絡均能正常通信后，開始動車測試。為更直觀地顯示測試效果，測試時手動關掉既有WLAN 系統連續5 個軌旁AP 電源模擬故障場景，對比僅通過WLAN 傳輸和同時通過WLAN、LTE 鏈路傳輸的傳輸性能指標。測試采用Iperf 性能測試工具，車地雙向收發數據，測試吞吐量為25 kbit/s，發包大小200 Byte。對比3 次測試的丟包情況，如表2 所示。

表2 不同場景測試丟包情況對比Tab.2 Comparison of packet loss in different scenarios

由于WLAN 系統一般傳輸時延在10 ms 以內，而LTE 系統傳輸時延在20 ms 左右，3 次測試（除連續5 個AP 掉電區域外）平均時延均接近10 ms。也就是說在LTE 和WLAN 兩種制式網絡同時工作的場景下，PRP 大部分時間均選擇傳輸時延更短的WLAN 鏈路進行數據轉發。

5 結語

隨著各運營商4G、5G 的普及以及家用WLAN、企業專用WLAN 的廣泛應用，車地無線通信外部環境日益復雜，信號系統車地通信采用PRP 方案同時使用WLAN 和其他制式無線系統通信，能夠顯著提升信號系統車地無線通信的可靠性（經計算和單一無線鏈路相比，MTBF 提升150%以上），和單一制式無線系統相比，明顯提高了車地通信的抗干擾能力，能有效解決既有線路WLAN 系統受擾影響正常運營的問題。