俞國(guó)榮

CBTC無(wú)線通信子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試

俞國(guó)榮

摘 要：對(duì)CBTC無(wú)線通信子系統(tǒng)在隧道中的無(wú)線菲涅爾區(qū)和無(wú)線隧道損耗模型進(jìn)行計(jì)算，提出了無(wú)線通信子系統(tǒng)AP設(shè)置的合理間距。結(jié)合杭州地鐵現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信;子系統(tǒng);設(shè)計(jì);測(cè)試

CBTC是基于通信的列車控制系統(tǒng)。CBTC無(wú)線通信子系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng))，實(shí)時(shí)傳輸控制命令和列車位置信息，是地鐵運(yùn)營(yíng)安全、高效、可靠的保證。系統(tǒng)由分布式系統(tǒng)、軌旁無(wú)線接入點(diǎn)AP、車載無(wú)線通信單元和無(wú)線傳輸媒介等四部分組成。分布式系統(tǒng)，用來(lái)連接不同基本服務(wù)區(qū)(BSA)的通信信道，一般采用大容量、高速有線傳輸網(wǎng)。軌旁無(wú)線接入點(diǎn)AP，是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的橋節(jié)點(diǎn)。車載無(wú)線通信單元，安裝在車頭和車尾的車載設(shè)備機(jī)架內(nèi)，是AP的通信客戶端。無(wú)線傳輸媒介，包括漏纜、波導(dǎo)管和空間波等。列車在隧道區(qū)間運(yùn)行時(shí)，地面AP機(jī)箱通過(guò)有線冗余網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至控制中心及各車站，實(shí)現(xiàn)車-地之間控制命令的上、下傳遞。

目前，國(guó)內(nèi)外CBTC系統(tǒng)均采用2.4 GHz頻段，列車運(yùn)行要求如下。

1．傳輸帶寬：列車高速移動(dòng)時(shí)能滿足系統(tǒng)傳輸速率需求，最不利情況下傳輸帶寬不小于1 Mb/s。

2．丟包率：無(wú)線傳輸系統(tǒng)丟包率應(yīng)不影響系統(tǒng)的有效性，要求雙網(wǎng)的丟包率為0.01%。

3．傳輸延時(shí)：越區(qū)切換中斷時(shí)間應(yīng)滿足不間斷通信要求，ATP允許的報(bào)文傳輸 (更新)延時(shí)時(shí)間最大為0.5 s。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為確保隧道空間運(yùn)行中的列車控制信息在任何地點(diǎn)、時(shí)間都能雙向傳輸，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮無(wú)線協(xié)議、調(diào)制方式、切換機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)安全外，還必須進(jìn)行合理的AP布點(diǎn)。下面以杭州地鐵1號(hào)線CBTC無(wú)線通信子系統(tǒng)AP布點(diǎn)為例進(jìn)行介紹。

1.1 隧道中的菲涅耳區(qū)

無(wú)線電波在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間傳播時(shí)，存在著一個(gè)對(duì)電波傳播起主要作用的空間區(qū)域即傳播主區(qū)，可用菲涅耳區(qū)來(lái)表示。不同路徑的電磁波通過(guò)第一菲涅耳區(qū)到達(dá)接收天線時(shí)，由于作用相同，接收點(diǎn)的信號(hào)最強(qiáng)。當(dāng)收發(fā)機(jī)天線只利用第一菲涅耳區(qū)傳播電磁波時(shí)，接收天線能得到所有傳播環(huán)境中最大的輻射場(chǎng)。第一菲涅耳區(qū)的大小可以用菲涅耳半徑r表示：

2400MHz電磁波長(zhǎng)λ=0.125m。典型地鐵隧道為圓弧形、矩形或馬蹄形截面，可近似等效為邊長(zhǎng)為6 m的矩形截面，由 (2)式計(jì)算可得

1.2 隧道無(wú)線路徑損耗模型

軌旁天線固定在隧道壁上，車載天線安裝在列車頭部，這種情況下無(wú)線通信受隧道空間和車輛高度限制，地表和隧道壁侵入第一菲涅爾區(qū)，遮擋部分信號(hào)傳播最強(qiáng)的區(qū)域，隧道路徑損耗：

其中，f為電磁波頻率 (MHz)，d為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離 (km)。對(duì)于2.4 GHz無(wú)線電波，由 (3)式可得200 m的路徑損耗是96.2 dB。

通常估算無(wú)線路徑損耗和覆蓋范圍的公式為：

其中，Pr為最小接收電平 (dB)，Pt為最大發(fā)射功率 (dB)，Gt為發(fā)射天線增益 (dB)，Gr為接收天線增益 (dB)，Pl為無(wú)線鏈路的路徑損耗(dB)，a為線纜、接頭、玻璃等的損耗 (dB)。

假定發(fā)射端發(fā)射功率Pt為20 dBm，發(fā)射天線增益為15 dBm，接收機(jī)天線增益為10 dBm，路徑損耗96.2 dB，線纜、接頭損耗8 dB。由 (5)式得Pr=20+10+15－96.2－8=－59.2(dB)

IEEE802.11g對(duì)接收機(jī)最小接收功率規(guī)定：一個(gè)長(zhǎng)度為1024B的數(shù)據(jù)單元，在傳輸速率為6 Mb/s下，達(dá)到10%誤幀率時(shí)接收機(jī)最小接收功率為－82 dBm。因此，最小接收電平－59.2 dB滿足接收機(jī)最大傳輸速率的功率要求。

AP布點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮隧道無(wú)線信號(hào)的空間傳播距離、無(wú)線覆蓋密度外，還應(yīng)考慮遮擋物體、干擾源等環(huán)境限制。要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)整相鄰小區(qū)的覆蓋范圍，保證相鄰區(qū)間沒(méi)有未覆蓋區(qū)域。在此基礎(chǔ)上使相鄰小區(qū)有一定重疊，確保越區(qū)切換成功，保證通信的持續(xù)性和可靠性。因此，綜合各方面的因素，AP間距200 m能滿足城市軌道交通車-地信息傳輸。

圖1 軌旁AP布置示意圖

2 系統(tǒng)測(cè)試

軌旁無(wú)線AP通過(guò)星形的方式連接各站的接入交換機(jī)，形成各站點(diǎn)、設(shè)備相連的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)。地面AP箱的間距200 m，可根據(jù)線路適當(dāng)調(diào)整。每個(gè)軌旁AP箱配置2個(gè)AP模塊、2組定向天線(八木天線)分別接入2個(gè)網(wǎng)絡(luò)。在車頭、車尾分別安裝一套信號(hào)車載無(wú)線單元及車載天線，用于發(fā)送/接收無(wú)線信號(hào)。八木天線一般安裝在隧道頂壁或者天線桿上，2組天線安裝在同一橫截面上。AP布置如圖1所示。

2.1 靜態(tài)測(cè)試

選取直線、岔區(qū)、彎道和站臺(tái)等多個(gè)特殊線路區(qū)段，分別進(jìn)行無(wú)線信號(hào)傳輸測(cè)試。在發(fā)送、接收端將PC機(jī)與AP相連，模擬車-地間數(shù)據(jù)傳輸，隧道內(nèi)靜態(tài)模擬測(cè)試如圖2所示。使用流量發(fā)生器打入背景流數(shù)據(jù)，在PC1使用fastping工具，發(fā)送64，256，1518B報(bào)文，以1 s為間隔連續(xù)ping PC2機(jī)，記錄程序上報(bào)時(shí)延、帶寬和丟包率等信息。

圖2 隧道內(nèi)靜態(tài)模擬測(cè)試圖

2.1.1 隧道內(nèi)直道測(cè)試

如圖2所示，AP1、AP2間距250 m，AP1功率50 mW，AP2功率12.5 mW，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 隧道內(nèi)直道無(wú)線通信測(cè)量數(shù)據(jù)表

2.1.2 隧道內(nèi)岔道測(cè)試

AP1距離 AP2250 m，車載AP1功率50 mW，軌旁AP2功率25 mW，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 隧道內(nèi)岔道無(wú)線通信測(cè)量數(shù)據(jù)表

2.1.3 隧道內(nèi)站臺(tái)區(qū)測(cè)試

AP1距離 AP2160 m，車載AP1功率50 mW，軌旁AP2功率25 mW，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 隧道內(nèi)站臺(tái)區(qū)無(wú)線通信測(cè)量數(shù)據(jù)表

2.1.4 隧道內(nèi)彎道區(qū)測(cè)試

AP1距離 AP2200 m，車載AP1功率50 mW，軌旁AP2功率25 mW，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 隧道內(nèi)彎道區(qū)無(wú)線通信測(cè)量數(shù)據(jù)表

測(cè)試結(jié)果表明，無(wú)線通信子系統(tǒng)傳輸帶寬、延時(shí)均優(yōu)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。由于無(wú)線通信采用雙網(wǎng)同時(shí)傳輸信息，文獻(xiàn) ［3］指出冗余結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可用性是非冗余結(jié)構(gòu)的100倍，所以丟包率也滿足合同要求。

2.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試

列車在隧道內(nèi)高速移動(dòng)時(shí)，接收機(jī)在很短時(shí)間內(nèi)可能經(jīng)歷若干次衰落，接收信號(hào)會(huì)衰落失真，丟包率和傳輸時(shí)延會(huì)變化，所以對(duì)系統(tǒng)還應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試。

2.2.1 列車運(yùn)行時(shí)帶寬和丟包率測(cè)試

列車分別以60，75 km/h的速度在隧道中移動(dòng)，AP功率設(shè)置為50 mW，載荷為60B的承載帶寬，發(fā)送和接收雙向傳輸，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 載荷60B測(cè)試結(jié)果表

列車位置信息和控制命令的報(bào)文長(zhǎng)度一般不會(huì)超過(guò)64B，通過(guò)測(cè)算，可以判斷每列車的傳輸帶寬不會(huì)超過(guò)200 kb/s。按單個(gè)AP最多關(guān)聯(lián)2輛車考慮，單個(gè)AP傳輸帶寬達(dá)到1 Mb/s就能滿足合同需求，實(shí)際測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)好于需求。

2.2.2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)承載CBTC數(shù)據(jù)的時(shí)延

列車運(yùn)行速度60 km/h，在CBTC流量基礎(chǔ)上，利用fastping工具分別測(cè)試64B和1518B報(bào)文的延遲，測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)承載數(shù)據(jù)時(shí)延

2.2.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)承載CBTC數(shù)據(jù)的切換時(shí)間

采用一種簡(jiǎn)化的方法測(cè)試車載AP與軌旁AP間數(shù)據(jù)的切換時(shí)間，就是把新關(guān)聯(lián)軌旁AP發(fā)給車載AP的第一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)戳與前一個(gè)軌旁AP發(fā)給車載AP的最后一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)戳相減，得到的時(shí)間作為AP切換時(shí)間。經(jīng)對(duì)某段線路AP切換時(shí)間測(cè)試，得到結(jié)果：最小切換時(shí)延5.6 ms;最大切換時(shí)延24.2 ms;平均切換時(shí)延15 ms。

文獻(xiàn) ［4］計(jì)算證明列車運(yùn)行速度為50，70，90 km/h時(shí)允許的最大切換中斷時(shí)間分別為224，160，124 ms。實(shí)際測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)好于文獻(xiàn) ［4］結(jié)論，也優(yōu)于合同要求。

3 總結(jié)

基于通信的列車控制系統(tǒng) (CBTC)是城市軌道交通最重要和最關(guān)鍵的系統(tǒng)之一，鑒于無(wú)線通信子系統(tǒng)的重要性，通過(guò)多種方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬測(cè)試，掌握了無(wú)線通信子系統(tǒng)靜態(tài)及列車動(dòng)態(tài)運(yùn)行下的帶寬、傳輸延時(shí)、切換時(shí)間和丟包率等技術(shù)指標(biāo)，取得了一些實(shí)際成果，為杭州地鐵信號(hào)系統(tǒng)的順利實(shí)施提供了理論保障。

［1］吳瓊，彭章友．地鐵隧道中信道的統(tǒng)計(jì)建模［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2009，25(9 －1)：191 －193．

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Abstract:This paper describes the structure and implementation of CBTC wireless communication subsystem，presents the calculation of wireless Fresnel zone in the tunnel and wireless loss model for the tunnel，and proposes how to set reasonable distance among those APs in a wireless communication subsystem．According to the configuration of wireless APs in Hangzhou Metro，a simulation system was tested and the results met the design requirements．

Key words:Wireless communication;Subsystem;Design;Test

俞國(guó)榮：杭州地鐵集團(tuán)機(jī)電設(shè)備部 工程師 310017 杭州

2012-06-14

(責(zé)任編輯：諸 紅)