淺談基于漏纜傳輸?shù)腃BTC無(wú)線通信系統(tǒng)試驗(yàn)論文
基于通信的列車(chē)控制(CBTC)系統(tǒng)依賴于數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)(DataCommunicationSubsystem，簡(jiǎn)為DCS)，而車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)是DCS的重要部分。目前，CBTC車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)大多采用IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，其工作頻段采用了2.4GHzISM公共頻段。但該頻段已有大量民用設(shè)備，且作為開(kāi)放頻段還有遭受惡意干擾的危險(xiǎn)。實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)近距離工作的2.4GHz頻段無(wú)線設(shè)備會(huì)明顯提高CBTC系統(tǒng)丟包率。2012年11月，深圳地鐵發(fā)生的多起列車(chē)緊急制動(dòng)事件，就是緣于乘客攜帶的MiFi設(shè)備(一種3G信號(hào)轉(zhuǎn)WiFi信號(hào)設(shè)備)干擾了CBTC系統(tǒng)。
徹底解決CBTC同頻干擾的辦法就是采用專(zhuān)頻、專(zhuān)網(wǎng)，即CBTC車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)使用專(zhuān)用頻段，并且是獨(dú)立的無(wú)線通信系統(tǒng)。在上海開(kāi)展了基于漏纜傳輸?shù)膶?zhuān)頻、專(zhuān)網(wǎng)CBTC信號(hào)系統(tǒng)試驗(yàn)，采用400MHz頻段，利用漏纜傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，使單基站能夠完全覆蓋相鄰兩區(qū)間，在相應(yīng)區(qū)間軌旁無(wú)其他有源設(shè)備。這大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)可靠性，且便于維護(hù)。為證明低頻漏纜傳輸?shù)目捎眯约翱煽啃�，首先，在上海大學(xué)的無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)室對(duì)CBTC車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)的吞吐率、時(shí)延丟包、故障切換及CBTC網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行測(cè)試;然后，在張江實(shí)訓(xùn)線上接入CBTC車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)，并進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。
1CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)
試驗(yàn)的車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)采用北京信威通信技術(shù)股份有限公司自主研發(fā)的'第三代無(wú)線通信技術(shù)———McWiLL(Multi-carrierWirelessInformationLocalLoop，技術(shù)多載波無(wú)線信息本地環(huán)路)，采用漏纜傳輸，其工作頻段為406.5～409.5MHz。
WLAN(無(wú)線局域網(wǎng))的車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)主要采用定向天線傳輸技術(shù)，其天線的覆蓋范圍約200m。在高頻段CBTC系統(tǒng)另一種常見(jiàn)傳輸方式是漏泄波導(dǎo)管。漏泄波導(dǎo)管傳輸有較高的信噪比，其抗干擾能力增強(qiáng)，2.4GHz頻段的有效覆蓋距離約300m，區(qū)間常要使用中繼設(shè)備。漏纜傳輸以其傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高及造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多地應(yīng)用在軌道交通中的調(diào)度、安防及乘客移動(dòng)通信等方面。
2性能測(cè)試
在上海大學(xué)無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)室對(duì)車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)的吞吐率、時(shí)延丟包、故障切換及CBTC網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行測(cè)試。每臺(tái)McWiLL基站使用2個(gè)射頻口，合路后接入信道模擬器。信道模擬器可模擬隧道及列車(chē)高速運(yùn)行的環(huán)境，而車(chē)載終端與基站通信內(nèi)容由計(jì)算機(jī)軟件生成。
2.1吞吐率測(cè)試
吞吐率是指無(wú)線系統(tǒng)每秒能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)量。車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)工作在400MHz頻段，其低頻的特點(diǎn)有利于信號(hào)的傳輸，但也將其帶寬限制在3MHz。雙網(wǎng)冗余覆蓋時(shí)，每網(wǎng)各分配1.5MHz帶寬，基站兩側(cè)區(qū)間各分配一組0.75MHz的資源。此時(shí)，單向理論吞吐率為750kbit/s�？紤]到公共信道、預(yù)留資源開(kāi)銷(xiāo)等影響因素，實(shí)際吞吐率約在720kbit/s。測(cè)試方法為開(kāi)啟單基站單側(cè)區(qū)間的一組資源對(duì)單終端發(fā)送UDP(用戶數(shù)據(jù)協(xié)議)數(shù)據(jù)流，觀測(cè)單向吞吐率。
2.2時(shí)延測(cè)試
實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，基站遠(yuǎn)端1km處的信號(hào)強(qiáng)度約-70dBm。隨著車(chē)載終端與AP的距離增加，信噪比降低，只能采用較低階的調(diào)制方式，從而增加數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。由于在地鐵的實(shí)際運(yùn)行情況中，車(chē)載終端距基站1km已屬極限情況，故應(yīng)測(cè)試此時(shí)的時(shí)延能否滿足系統(tǒng)的傳輸要求。由測(cè)試用信道模擬器模擬車(chē)載終端距基站1km時(shí)環(huán)境，并由軌旁計(jì)算機(jī)與車(chē)載終端發(fā)送不同大小的數(shù)據(jù)包。車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)的單向傳輸時(shí)延在50ms以內(nèi)，大字節(jié)的數(shù)據(jù)包時(shí)延略有增大，能夠滿足CBTC系統(tǒng)需求。
2.3切換丟包試驗(yàn)
基于McWiLL的越區(qū)切換機(jī)制中，當(dāng)車(chē)載終端連續(xù)多次檢測(cè)到的兩基站電平差值均滿足切換閾值時(shí)，即發(fā)生切換。實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)切換時(shí)會(huì)出現(xiàn)極個(gè)別丟包，丟包率約0.01。測(cè)試采用軟件fping每隔100ms發(fā)送一個(gè)150B的數(shù)據(jù)包，同時(shí)抓包并分析切換過(guò)程。如在信噪比較低時(shí)切換，則傳輸更易出現(xiàn)丟包。測(cè)試通過(guò)調(diào)整信道模擬器，來(lái)模擬車(chē)載終端距離基站的不同位置。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，終端距基站0.5km及1km處切換最大雙向時(shí)延約在100ms，切換時(shí)刻基本達(dá)到不丟包。
2.4故障弱化測(cè)試
當(dāng)基站設(shè)備故障時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)盡量縮減通信中斷時(shí)間;當(dāng)基站控制設(shè)備核心網(wǎng)(SAC)發(fā)生故障時(shí)，基站射頻端口應(yīng)能夠正常輸出，車(chē)載終端能夠注冊(cè)成功;當(dāng)基站射頻設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，車(chē)載終端應(yīng)快速切換;系統(tǒng)時(shí)間同步系統(tǒng)故障時(shí)，短時(shí)間內(nèi)應(yīng)不影響通信。
2.5CBTC信號(hào)仿真軟件
實(shí)驗(yàn)室測(cè)試常用fping或者Chariot等軟件來(lái)模擬CBTC數(shù)據(jù)流，其數(shù)據(jù)包單一、周期性強(qiáng)。而真實(shí)列車(chē)控制數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)包種類(lèi)多、周期復(fù)雜，且流量不均勻。故此次編寫(xiě)了一套軟件來(lái)模擬CBTC數(shù)據(jù)流，并將其作為通信內(nèi)容在測(cè)試中使用，從而提高了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的真實(shí)度。軟件按軌旁設(shè)備端和5臺(tái)車(chē)載終端共有6套程序。CBTC仿真數(shù)據(jù)流按照真實(shí)通信規(guī)則，利用Socket函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，并計(jì)算出單向時(shí)延。
3張江實(shí)訓(xùn)線試驗(yàn)
CBTC車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)整體試驗(yàn)在上海的張江實(shí)訓(xùn)線上進(jìn)行。實(shí)訓(xùn)線線路長(zhǎng)1.6km，甲、丙兩站之間距離1km，漏纜沿軌道敷設(shè)。兩車(chē)站軌旁端各安裝2臺(tái)基站光纖拉遠(yuǎn)端RRU，組建紅藍(lán)雙網(wǎng)，其余基站設(shè)備安裝于車(chē)站機(jī)房?jī)?nèi)。同實(shí)驗(yàn)室一樣，對(duì)單網(wǎng)運(yùn)行時(shí)列車(chē)的傳輸時(shí)延、基站切換、故障弱化等項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試。
試驗(yàn)首先需驗(yàn)證單基站能否覆蓋一站兩區(qū)間的范圍。13/8″漏纜在400MHz頻段傳輸衰減為13dB/km，鏈路預(yù)算后得出的車(chē)載終端接收電平約在-50～-70dBm。測(cè)試方法是用路測(cè)軟件沿線采集接收功率。試驗(yàn)結(jié)果顯示，區(qū)間內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度大多高于-70dBm，所有采集點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度均高于-75dBm，這證實(shí)了使用漏纜傳輸技術(shù)的無(wú)線通信系統(tǒng)能夠獨(dú)立地覆蓋到車(chē)站及其相鄰的兩區(qū)間范圍。
一個(gè)重要的實(shí)測(cè)項(xiàng)目是將車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)接入CBTC信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)測(cè)試，將信號(hào)系統(tǒng)接入紅網(wǎng)，并用藍(lán)網(wǎng)測(cè)試傳輸性能�；诼├|傳輸技術(shù)的車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)接入CBTC信號(hào)系統(tǒng)后，列車(chē)可正常行駛。列車(chē)在甲、丙兩站中間位置發(fā)生切換。在切換時(shí)刻傳輸時(shí)延增大，但基本沒(méi)有丟包出現(xiàn)，也未對(duì)列車(chē)正常行駛造成影響。在此過(guò)程中藍(lán)網(wǎng)車(chē)載終端使用ping命令測(cè)試與基站間通信的雙向時(shí)延，平均時(shí)延穩(wěn)定在50ms左右。
系統(tǒng)故障弱化性能項(xiàng)目測(cè)試中，如當(dāng)前所連基站發(fā)生故障，則車(chē)載終端能夠快速切換至另一基站，其通信中斷時(shí)間在1s內(nèi)。在基站控制器SAC發(fā)生故障時(shí)，終端能夠再注冊(cè)，不影響正常傳輸和切換。如時(shí)間同步系統(tǒng)發(fā)生故障，則短時(shí)間內(nèi)可正常通信，20min后基站停止工作。
在張江實(shí)訓(xùn)線試驗(yàn)中，評(píng)估基于漏纜傳輸技術(shù)的CBTC系統(tǒng)性能，重要的是觀測(cè)試驗(yàn)時(shí)的列車(chē)運(yùn)行情況。車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)接入CBTC試驗(yàn)后，列車(chē)往返甲、丙站共計(jì)50次，沒(méi)有出現(xiàn)因數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)故障而致的停車(chē)現(xiàn)象。這說(shuō)明該系統(tǒng)基本滿足運(yùn)行要求。
4結(jié)語(yǔ)
試驗(yàn)表明，基于漏纜傳輸?shù)腃BTC無(wú)線通信系統(tǒng)具有實(shí)用性和高可靠性，與傳統(tǒng)的WLAN系統(tǒng)相比，解決了民用設(shè)備干擾問(wèn)題，且組網(wǎng)模式更簡(jiǎn)化。在城市軌道交通車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)中，這種專(zhuān)頻、專(zhuān)網(wǎng)的CBTC系統(tǒng)將是一種發(fā)展趨勢(shì)。
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