吳 磊 邵躍堂 楊明來*

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)軌道交通學(xué)院，201418，上海；2.上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院，201620，上海//第一作者,碩士研究生)

無線通信目前已成為城市軌道交通領(lǐng)域車-地通信的主要方式，其通信的可靠性對城市軌道交通的安全起著至關(guān)重要的作用。近年來，我國普遍采用AP(接入點(diǎn))設(shè)備作為節(jié)點(diǎn)組成的WLAN(無線局域網(wǎng)) Mesh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行車地間的信息傳輸[1]，但由于AP設(shè)備存在可靠性和技術(shù)制式等方面的原因，經(jīng)常會出現(xiàn)車地通信的異常情況，造成列車信號溝通不暢、聯(lián)動失效等問題，從而影響列車運(yùn)行效率。本文以上海軌道交通2號線金科路站和張江高科站為工程背景，分析AP信號強(qiáng)度分布，找出其一般規(guī)律，并從場強(qiáng)角度分析AP設(shè)備易受干擾的原因，為分析通信故障提供參考。

1 車站AP信號強(qiáng)度測試方法

為保證測試條件的一致性，測試分有車和無車兩種情況。本文采用FLUKE Air Check儀器采集數(shù)據(jù)，每9 m為1個(gè)測試點(diǎn)，每個(gè)測試點(diǎn)在有車和無車兩種情況下至少測3組數(shù)據(jù)并取其平均值。

測量數(shù)據(jù)得到之后，采用Wireless Insite軟件進(jìn)行建模，通過對比發(fā)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)相吻合，從而驗(yàn)證了模型的正確性。利用仿真車站模型AP場強(qiáng)空間的分布狀況，總結(jié)AP信號強(qiáng)度分布的一般性規(guī)律，分析信號強(qiáng)度較弱且設(shè)備通信容易受干擾的位置，為AP通信故障分析處理提供理論支持。

2 車站AP信號強(qiáng)度仿真分析

2.1 仿真模型

車站AP場強(qiáng)分布仿真如圖1所示。圖1中，AP場強(qiáng)分布顏色體現(xiàn)了信號強(qiáng)度的強(qiáng)弱，色度條數(shù)據(jù)顯示AP場強(qiáng)范圍為-98.9～-26.8 dBm。通過和實(shí)測數(shù)據(jù)對比，可知AP場強(qiáng)衰減趨勢一致，但數(shù)據(jù)存在偏差。

圖1 車站AP場強(qiáng)分布仿真圖

經(jīng)過分析可知，仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)存在偏差主要包括兩個(gè)原因：

(1) 模型誤差。在實(shí)際車站中存在的各種通信設(shè)備、復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)以及人流都可以造成信號衰減，而仿真軟件難以還原如此復(fù)雜的通信環(huán)境。這將會導(dǎo)致仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果無法完全吻合。

(2) 測試誤差。仿真圖顯示的是同一時(shí)刻下AP場強(qiáng)隨距離的分布趨勢，而在實(shí)際測試中各個(gè)點(diǎn)的場強(qiáng)并非同時(shí)測試，這也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在誤差。針對模型誤差，本文在仿真車站模型中加入一些墻壁、鋼軌等“障礙物”，力求接近真實(shí)通信環(huán)境。針對測試誤差，在實(shí)際測量中每一個(gè)點(diǎn)需測試3組以上數(shù)據(jù)，并取其平均值，這樣可降低一定的誤差。通過修正模型，使仿真結(jié)果和測試結(jié)果相吻合。AP場強(qiáng)實(shí)測數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)對比如圖2所示。

2.2 有車和無車兩種情況下AP信號強(qiáng)度分析

圖3為張江高科站上行線有車和無車兩種情況下AP信號強(qiáng)度的分布情況。由圖3可知，有車時(shí)站內(nèi)AP信號強(qiáng)度比無車時(shí)會增大。經(jīng)計(jì)算，無車時(shí)站內(nèi)AP平均信號強(qiáng)度約為-76 dBm，有車時(shí)約為-71 dBm，有車時(shí)AP平均信號強(qiáng)度比無車時(shí)約提升5 dBm。這是由于AP和MR(移動廣播)進(jìn)行報(bào)文傳輸前，會在公共信道進(jìn)行一次“握手”，“握手”成功之后,為防止通信斷連，信號強(qiáng)度將會被加強(qiáng)。

2.3 車站和隧道中AP信號強(qiáng)度分析

車站和隧道AP場強(qiáng)仿真如圖4所示。由圖4可知,車站內(nèi)AP信號強(qiáng)度衰減速度快于隧道，并且在同樣距離內(nèi)，隧道AP信號強(qiáng)度高于車站。這是由于在客流以及車站復(fù)雜的環(huán)境下，AP場強(qiáng)衰落更劇烈，因此在車站中更容易發(fā)生通信故障[2]。為保證通信質(zhì)量，在車站內(nèi)兩AP距離應(yīng)比隧道內(nèi)更短。

a) AP場強(qiáng)實(shí)測數(shù)據(jù)

b) AP場強(qiáng)仿真數(shù)據(jù)

圖3 張江高科站上行線有車和無車時(shí)AP信號強(qiáng)度分布圖

圖4 車站和隧道AP場強(qiáng)仿真圖

2.4 場強(qiáng)疊加

金科路站和張江高科站站內(nèi)AP疊加場強(qiáng)的分布情況如圖5所示。由圖5可知,兩AP間疊加信號強(qiáng)度成“馬鞍形”，AP場強(qiáng)變化趨勢符合交叉覆蓋的規(guī)律，列車進(jìn)站時(shí)會尋找最大的AP信號進(jìn)行通信連接。由于車站中部AP信號強(qiáng)度最低，則在該位置最有可能發(fā)生AP通信故障。經(jīng)過計(jì)算，兩個(gè)車站AP場強(qiáng)重疊區(qū)的邊緣場強(qiáng)在-80 dBm以上，這樣就可以保證MR在兩AP間平順切換[3]。由圖5可知，在距離90 m處AP場強(qiáng)波動基本均位于-80 dBm之上， 所以在外界沒有大功率設(shè)備干擾通信的條件下，MR可在兩車站AP間平順切換且不會斷連，但不排除其中一個(gè)AP設(shè)備發(fā)生故障或者車站周圍存在大功率設(shè)備干擾信號而引起通信故障。

圖5 車站AP場強(qiáng)疊加分布圖

3 車站無線通信系統(tǒng)故障分析

目前，城市軌道交通無線通信大多采用2.4 GHz頻段，此頻段也是無線局域網(wǎng)、無線接入系統(tǒng)、藍(lán)牙技術(shù)設(shè)備、點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)等各類無線電臺站的共用頻段[4]。因此，對無線通信系統(tǒng)造成干擾的主要是同頻干擾。而造成通信質(zhì)量下降的主要原因是信噪比下降。信噪比下降包括兩個(gè)原因,分別為噪底抬升和飽和失真，因此在城市軌道交通車站內(nèi)必須采取措施來防止噪底抬升和飽和失真的產(chǎn)生。

3.1 噪底抬升

噪底抬升原理如圖6所示。由圖6可知,正常情況下，由于基站信號功率較低，基站信號落入城市軌道交通通信工作頻段內(nèi)的干擾噪聲信號功率亦較低，該通信工作頻段內(nèi)信噪比良好，故通信可正常進(jìn)行；基站增大發(fā)射信號功率時(shí)，帶來并落入到城市軌道交通通信系統(tǒng)工作頻段內(nèi)的干擾噪聲信號功率較大，造成噪底抬升、信噪比惡化、通信異常甚至中斷的現(xiàn)象。

例如，在上海軌道交通11號線嘉定段沿線有很多通信基站，且相互之間距離較近，基站信號落入到城市軌道交通通信系統(tǒng)頻段內(nèi)的功率很高，AP設(shè)備目標(biāo)信號被基站信號湮沒，造成信噪比較差,且低于噪聲門限，甚至無法解調(diào)，導(dǎo)致AP時(shí)常出現(xiàn)通信故障、通信延時(shí)以及設(shè)備重啟，為列車運(yùn)行帶來安全隱患。

a) 正常情況

b) 增大基站發(fā)射功率

3.2 飽和失真

通常情況下,射頻接收機(jī)接收到的信號功率都很小，接收機(jī)需要將接收到的射頻信號經(jīng)過頻率變換(下變頻)和信號放大處理，并轉(zhuǎn)變?yōu)锳DC(模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)采樣電路需要的合適電壓范圍,因此接收機(jī)的接收鏈路具有移動的增益。這些增益在接收機(jī)中可以分布在RF(射頻)頻率部分及模擬基帶信號部分。假設(shè)接收機(jī)最大輸入電平為-50 dBm，在未加濾波器的情況下，接收機(jī)可接收到飽和失真的信號(見圖7)。

圖7 飽和失真原理圖

由圖7可知，由于基站發(fā)射過強(qiáng)的信號，接收機(jī)接收到的信號信噪比為7 dB>6 dB，理論上信號可以正確地進(jìn)行解調(diào)，但由于接收機(jī)接收到的未經(jīng)濾波器過濾的最大信號強(qiáng)度為-47 dBm，該值大于接收機(jī)的最大輸入信號強(qiáng)度(-50 dBm)，這樣接收機(jī)在處理信號的過程中會造成接收信號的失真，從而增加誤碼率[5]，使得車站內(nèi)AP通信設(shè)備不能接收到完整且正確的信號，從而對車-地通信、AP-AP間的通信造成影響，存在一定的安全隱患。

4 車站無線通信系統(tǒng)故障解決措施

為減少AP信號誤碼率，以及提升信號強(qiáng)度，可從以下3個(gè)方面入手來保障車站無線通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量：①降低干擾源；②切斷干擾路徑；③合理布置AP位置。

4.1 降低干擾源

采取在基站側(cè)加裝濾波器來降低干擾源?；緜?cè)加裝濾波器的原理是降低干擾源干擾的一種方式，這種降低干擾源的方式主要是為了降低由于基站發(fā)射機(jī)非線性產(chǎn)生的落入到2.4 GHz頻段內(nèi)的干擾信號。

圖8為加裝濾波器和未加裝濾波器兩種情況下AP接收機(jī)接收到的信號在頻域上的示意。未加裝濾波器時(shí)，接收機(jī)接收到基站發(fā)送的信號如圖10 a)中的灰色頻譜所示，此時(shí) 2 400～2 420 MHz頻段內(nèi)AP接收到的城市軌道交通控制信號的信噪比為5 dB<6 dB，無法進(jìn)行解調(diào)；加裝濾波器后，接收機(jī)接收到的基站發(fā)送的信號如圖10 b)中的灰色頻譜所示，此時(shí) 2 400～2 420 MHz頻段內(nèi)AP接收到的城市軌道交通控制信號信噪比為10 dB,該值小于6 dB，可以進(jìn)行正常解調(diào)。

a) 未加裝濾波器

b) 加裝濾波器

4.2 切斷干擾路徑

考慮到部分方案實(shí)施可能會影響移動基站信號，從而對城市軌道交通通信系統(tǒng)造成影響，因此可從切斷干擾路徑的角度出發(fā)來對方案進(jìn)行優(yōu)化，比如選擇屏蔽墻設(shè)計(jì)方案。

該方案在加裝屏蔽網(wǎng)之后，使得運(yùn)行在屏蔽網(wǎng)中的通信系統(tǒng)的信道環(huán)境產(chǎn)生變化。這是由于站臺或者高架上固定AP發(fā)出的無線信號向四周發(fā)射時(shí)，遇到屏蔽網(wǎng)會產(chǎn)生反射，進(jìn)而會造成無線信號從固定AP到達(dá)列車MR,或者從列車MR到達(dá)固定AP之間的路徑會有多條，即多徑效應(yīng)。通常情況下多徑效應(yīng)會使得同時(shí)從發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號通過不同路徑到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間不同，從而產(chǎn)生時(shí)延。如果時(shí)延過大，則晚到的信號會疊加到下一幀信號中，從而降低下一幀信號的信噪比。但是多徑效應(yīng)對目前2號線通信系統(tǒng)的影響不大，主要原因如下:

(1) 屏蔽網(wǎng)屏蔽的空間較小，在固定AP與列車MR之間的多徑信道傳輸路徑段時(shí)延較?。?/p>

(2) 目前應(yīng)用在2號線上的通信協(xié)議速率較低，僅有1 Mbit/s，因此幀與幀之間的時(shí)間間隔較大。

綜上所述，屏蔽網(wǎng)的加裝不會對城市軌道交通通信系統(tǒng)造成太大影響。

4.3 合理布置AP點(diǎn)位置

車站內(nèi)AP通信要滿足最低接收水平[6]。根據(jù)規(guī)范要求，最低信號強(qiáng)度要高于-80 dBm。但為了防止車站內(nèi)相鄰AP出現(xiàn)故障而影響到車-地通信，需要確保非相鄰的兩個(gè)AP留有足夠的信號余量。通常車站內(nèi)相鄰AP的距離為170 m，非相鄰AP的最短距離約為340 m。圖3 b)中,兩AP間距離大于100 m時(shí)，一部分信號強(qiáng)度落到-80 dBm以下;當(dāng)兩AP間距離為170 m時(shí)， AP場強(qiáng)會有較大幾率處于-80 dBm以下，這影響到了AP-AP之間的通信;當(dāng)非相鄰的兩AP間距離為340 m時(shí)，AP場強(qiáng)落到-80 dBm以下，使得誤碼率偏大，導(dǎo)致通信延時(shí)，從而增大了列車事故幾率；當(dāng)相鄰AP間距離為100 m，且其中一個(gè)AP發(fā)生故障，而非相鄰AP間距離為200 m，且在200 m內(nèi)兩AP平均場強(qiáng)處于-80 dBm以上，這樣可保證較強(qiáng)的抗干擾能力以及良好的通信質(zhì)量。

5 結(jié)語

本文仿真分析了上海軌道交通2號線車站內(nèi)AP信號強(qiáng)度的變化趨勢，闡述了AP場強(qiáng)分布規(guī)律，解釋了較大波動幅度的信號強(qiáng)度對車-地通信的不利影響。當(dāng)列車進(jìn)站時(shí)，為保證車-地通信順暢，可提升AP信號強(qiáng)度，防止斷連影響列車運(yùn)行。但如果車-地通信時(shí)AP未及時(shí)提升信號強(qiáng)度，導(dǎo)致通信不穩(wěn)定，列車和控制中心信息不能同步，極可能會影響列車正常運(yùn)行。通過分析，發(fā)現(xiàn)張江高科站和金科路站AP的場強(qiáng)分布曲線變化趨勢均一致，證明車站內(nèi)AP場強(qiáng)分布具有相似性，符合交叉覆蓋規(guī)律，列車進(jìn)站時(shí)需優(yōu)先選擇信號最強(qiáng)的AP進(jìn)行連接。測試了上海軌道交通2號線江蘇路站和婁山關(guān)路站等車站，發(fā)現(xiàn)均符合以上特點(diǎn)。根據(jù)無線通信的共性規(guī)律，由以上4站分析得到的場強(qiáng)規(guī)律均適用2號線；同時(shí)，采用相同通信機(jī)制的其他城市軌道交通車站內(nèi)AP也同樣具有相同的場強(qiáng)分布規(guī)律。針對這些場強(qiáng)共性，從降低干擾源、切斷干擾路徑和合理布置AP位置等方面提出增強(qiáng)信號強(qiáng)度和保障通信質(zhì)量的措施，這對其他車站的車-地通信故障分析和AP位置布置也具有參考意義。