浅谈基于漏缆传输的CBTC无线通信系统试验论文

基于通信的列车控制(CBTC)系统依赖于数据传输子系统(DataCommunicationSubsystem,简为DCS),而车地无线通信系统是DCS的重要部分。目前,CBTC车地无线通信系统大多采用IEEE802.11标准,其工作频段采用了2.4GHzISM公共频段。但该频段已有大量民用设备,且作为开放频段还
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  基于通信的列车控制(CBTC)系统依赖于数据传输子系统(DataCommunicationSubsystem,简为DCS),而车地无线通信系统是DCS的重要部分。目前,CBTC车地无线通信系统大多采用IEEE802.11标准,其工作频段采用了2.4GHzISM公共频段。但该频段已有大量民用设备,且作为开放频段还有遭受恶意干扰的危险。实测中发现近距离工作的2.4GHz频段无线设备会明显提高CBTC系统丢包率。2012年11月,深圳地铁发生的多起列车紧急制动事件,就是缘于乘客携带的MiFi设备(一种3G信号转WiFi信号设备)干扰了CBTC系统。

  彻底解决CBTC同频干扰的办法就是采用专频、专网,即CBTC车地无线通信系统使用专用频段,并且是独立的无线通信系统。在上海开展了基于漏缆传输的专频、专网CBTC信号系统试验,采用400MHz频段,利用漏缆传输的优势,使单基站能够完全覆盖相邻两区间,在相应区间轨旁无其他有源设备。这大大简化了系统结构,提高了系统可靠性,且便于维护。为证明低频漏缆传输的可用性及可靠性,首先,在上海大学的无线通信实验室对CBTC车地无线通信系统的吞吐率、时延丢包、故障切换及CBTC网络性能进行测试;然后,在张江实训线上接入CBTC车地无线通信系统,并进行系统测试。

  1CBTC无线通信系统

  试验的车地无线通信系统采用北京信威通信技术股份有限公司自主研发的第三代无线通信技术———McWiLL(Multi-carrierWirelessInformationLocalLoop,技术多载波无线信息本地环路),采用漏缆传输,其工作频段为406.5~409.5MHz。

  WLAN(无线局域网)的车地无线通信系统主要采用定向天线传输技术,其天线的覆盖范围约200m。在高频段CBTC系统另一种常见传输方式是漏泄波导管。漏泄波导管传输有较高的信噪比,其抗干扰能力增强,2.4GHz频段的有效覆盖距离约300m,区间常要使用中继设备。漏缆传输以其传输距离远、可靠性高及造价低的优点被越来越多地应用在轨道交通中的调度、安防及乘客移动通信等方面。

  2性能测试

  在上海大学无线通信实验室对车地无线通信系统的吞吐率、时延丢包、故障切换及CBTC网络性能进行测试。每台McWiLL基站使用2个射频口,合路后接入信道模拟器。信道模拟器可模拟隧道及列车高速运行的环境,而车载终端与基站通信内容由计算机软件生成。

  2.1吞吐率测试

  吞吐率是指无线系统每秒能够传输的最大数据量。车地无线通信系统工作在400MHz频段,其低频的特点有利于信号的传输,但也将其带宽限制在3MHz。双网冗余覆盖时,每网各分配1.5MHz带宽,基站两侧区间各分配一组0.75MHz的资源。此时,单向理论吞吐率为750kbit/s。考虑到公共信道、预留资源开销等影响因素,实际吞吐率约在720kbit/s。测试方法为开启单基站单侧区间的一组资源对单终端发送UDP(用户数据协议)数据流,观测单向吞吐率。

  2.2时延测试

  实测发现,基站远端1km处的信号强度约-70dBm。随着车载终端与AP的距离增加,信噪比降低,只能采用较低阶的调制方式,从而增加数据传输时延。由于在地铁的实际运行情况中,车载终端距基站1km已属极限情况,故应测试此时的时延能否满足系统的传输要求。由测试用信道模拟器模拟车载终端距基站1km时环境,并由轨旁计算机与车载终端发送不同大小的数据包。车地无线通信系统的单向传输时延在50ms以内,大字节的数据包时延略有增大,能够满足CBTC系统需求。

  2.3切换丢包试验

  基于McWiLL的越区切换机制中,当车载终端连续多次检测到的两基站电平差值均满足切换阈值时,即发生切换。实测发现切换时会出现极个别丢包,丢包率约0.01。测试采用软件fping每隔100ms发送一个150B的数据包,同时抓包并分析切换过程。如在信噪比较低时切换,则传输更易出现丢包。测试通过调整信道模拟器,来模拟车载终端距离基站的不同位置。统计结果显示,终端距基站0.5km及1km处切换最大双向时延约在100ms,切换时刻基本达到不丢包。

  2.4故障弱化测试

  当基站设备故障时,系统应尽量缩减通信中断时间;当基站控制设备核心网(SAC)发生故障时,基站射频端口应能够正常输出,车载终端能够注册成功;当基站射频设备发生故障时,车载终端应快速切换;系统时间同步系统故障时,短时间内应不影响通信。

  2.5CBTC信号仿真软件

  实验室测试常用fping或者Chariot等软件来模拟CBTC数据流,其数据包单一、周期性强。而真实列车控制数据流的数据包种类多、周期复杂,且流量不均匀。故此次编写了一套软件来模拟CBTC数据流,并将其作为通信内容在测试中使用,从而提高了实验室测试的真实度。软件按轨旁设备端和5台车载终端共有6套程序。CBTC仿真数据流按照真实通信规则,利用Socket函数进行数据发送与接收,并计算出单向时延。

  3张江实训线试验

  CBTC车地无线通信系统整体试验在上海的张江实训线上进行。实训线线路长1.6km,甲、丙两站之间距离1km,漏缆沿轨道敷设。两车站轨旁端各安装2台基站光纤拉远端RRU,组建红蓝双网,其余基站设备安装于车站机房内。同实验室一样,对单网运行时列车的传输时延、基站切换、故障弱化等项目进行测试。

  试验首先需验证单基站能否覆盖一站两区间的范围。13/8″漏缆在400MHz频段传输衰减为13dB/km,链路预算后得出的车载终端接收电平约在-50~-70dBm。测试方法是用路测软件沿线采集接收功率。试验结果显示,区间内的信号强度大多高于-70dBm,所有采集点信号强度均高于-75dBm,这证实了使用漏缆传输技术的无线通信系统能够独立地覆盖到车站及其相邻的两区间范围。

  一个重要的实测项目是将车地无线通信系统接入CBTC信号系统进行联调测试,将信号系统接入红网,并用蓝网测试传输性能。基于漏缆传输技术的车地无线通信系统接入CBTC信号系统后,列车可正常行驶。列车在甲、丙两站中间位置发生切换。在切换时刻传输时延增大,但基本没有丢包出现,也未对列车正常行驶造成影响。在此过程中蓝网车载终端使用ping命令测试与基站间通信的双向时延,平均时延稳定在50ms左右。

  系统故障弱化性能项目测试中,如当前所连基站发生故障,则车载终端能够快速切换至另一基站,其通信中断时间在1s内。在基站控制器SAC发生故障时,终端能够再注册,不影响正常传输和切换。如时间同步系统发生故障,则短时间内可正常通信,20min后基站停止工作。

  在张江实训线试验中,评估基于漏缆传输技术的CBTC系统性能,重要的是观测试验时的列车运行情况。车地无线通信系统接入CBTC试验后,列车往返甲、丙站共计50次,没有出现因数据传输系统故障而致的停车现象。这说明该系统基本满足运行要求。

  4结语

  试验表明,基于漏缆传输的CBTC无线通信系统具有实用性和高可靠性,与传统的WLAN系统相比,解决了民用设备干扰问题,且组网模式更简化。在城市轨道交通车地无线通信系统中,这种专频、专网的CBTC系统将是一种发展趋势。

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