摘要：目前城市軌道交通信號系統(tǒng)一般采用WLAN技術來承載CBTC（基于通信的列車控制，Communication Based TrainControl）車地無線傳輸。WLAN技術并不是為移動環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸所設計的，用其設計數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（Data Communica-tions Subsystem，DCS）時車地無線存在干擾嚴重、切換時延過大等缺陷。既有線路許多已采用基于WLAN技術的DCS方案，并采用車載雙天線無縫切換方案、全線規(guī)劃布置交叉雙網的軌旁基站與列車通信的傳統(tǒng)方案進行優(yōu)化。然而因傳輸和線路問題，實際運營中仍然發(fā)現(xiàn)無線場強覆蓋存在弱場、干擾嚴重等問題。該文分析其形成原因，據(jù)此提出相應無線覆蓋優(yōu)化解決措施。

關鍵詞：軌道交通;無線通信;網絡優(yōu)化;解決措施

中圖分類號：TN607 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）19-0040-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

目前車地無線通信普遍采用基于IEEE 802.11的WLAN（無線局域網）技術，一般采用的2.4G頻段或5.8G頻段，窄帶寬，信號覆蓋不均勻。該技術存在頻點干擾嚴重，公共頻帶干擾嚴重、高速性能瓶頸等重要缺陷。目前存在乒乓切換、列車頻繁切換基站、無線信號不連續(xù)、信號強度下降、信號干擾等問題。這些問題會造成通信中斷，列車區(qū)間EB。針對這些問題，本文對無線傳輸過程和場強覆蓋進行理論分析，并提出網絡優(yōu)化解決措施。

1 車地無線通信原理

DCS無線網絡用于承載車載和軌旁CBTC系統(tǒng)間信號數(shù)據(jù)流的通信，它由位于軌旁基站、車載無線天線、車載無線調制解調器組成，一般采用雙網冗余通信。

DCS無線系統(tǒng)能在列車沿軌道運行過程中為車載和軌旁系統(tǒng)提供連續(xù)的通信連接。線路上每300米設置一個軌旁無線基站。在某個無線單元信號覆蓋范圍內，車載調制解調器接人該基站，在兩個基站的重疊區(qū)域，列車會進行越區(qū)切換。

軌旁無線基站主要有兩套無線調制解調器、電源轉換器、光電轉換器組成，以實現(xiàn)雙網冗余通信。兩套無線調制解調器連接到各自的功分器上，功分器連接到定向天線上用于傳輸射頻（RF）信號，具體的傳輸工程如下：

（1）信號發(fā)射過程：光信號由室內交換機端通過光纖傳至軌旁基站，通過光電轉換器轉化為電信號，再經過調制解調器的調制為適合空間傳輸?shù)纳漕l信號，通過功分器將該射頻信號分為兩路相同的信號，分別由饋線連至天線增益后發(fā)射該信號，與車載無線設備通信。

（2）信號接受過程是發(fā)射的逆過程，將通過天線接收信號，再由車載調制解調器解析信號。

（3）越區(qū)切換過程：與下一個基站建立連接的過程，目前基本采用硬切換的方式，當移動節(jié)點連接到新時，首先需斷開與當前的連接，會導致系統(tǒng)通信的中斷，不能實現(xiàn)無縫切換。

2 場強覆蓋分析

2.1 場強覆蓋規(guī)劃

理論上采用自由空間無線傳播方式，在傳輸距離達到400米時，車載無線modem仍有30dB左右的鏈路余量。如下表所示，從軌旁基站到車載modem之間的場強規(guī)劃。其中傳輸功率、功分器衰減、天線增益、接收靈敏度都是設定值，自由空間損耗、饋線系統(tǒng)衰減、天線角度是變量，這些環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題會導致弱場現(xiàn)象。

饋線系統(tǒng)衰減、天線角度造成的衰減暫時無法計算，可以優(yōu)化。路徑損耗原理如下：電磁波傳播介質主要有自由空間、波導管、漏泄電纜3種。因城市軌道交通一般在隧道中，本文可選取電磁波在自由空間中傳播的情況進行分析，則路徑損耗為

Ls=-27.56+20lgf+20lgd

d是列車與當前關聯(lián)TRE的距離;f是信號頻率2.4MHz。隨著列車運行，路徑損耗與距離成正比，信號強度與距離成反比。

2.2 場強覆蓋優(yōu)化方法分析

無線系統(tǒng)場強優(yōu)化調整方法有：（1）調整發(fā)射功率;（2）調整接收器靈敏度;（3）提高系統(tǒng)抗干擾能力;（4）調整發(fā)射/接收天線的增益。

基于WLAN的無線通信系統(tǒng)采用2.4GHZ的雙頻窄帶系統(tǒng)，采用窄帶傳輸所以系統(tǒng)抗干擾能力強，缺點是降低了通信質量。發(fā)射和接收采用高增益定向天線傳輸，增益量為14DBi，無須調整。提高接收器的接收靈敏度能夠增加接收機最低接收場強，但會影響越區(qū)切換過程，調整后容易造成乒乓切換。因此優(yōu)化通信傳輸距離和信號強度的方法主要為調節(jié)發(fā)射功率，優(yōu)化弱場強場區(qū)域的發(fā)射功率，但要注意調整后不得干擾鄰區(qū)通信。

優(yōu)化還需考慮移動無線環(huán)境（射頻信號在隧道內的衰減非常迅速）、天線高度以及傳播情況（例如反射、繞射、散射）。因此網絡優(yōu)化還需勘探現(xiàn)場環(huán)境，調整天線角度和高度。

3 目前車地無線通信存在的問題及應對之策

3.1 無線信號覆蓋存在的問題

實際運營中發(fā)現(xiàn)這種越區(qū)切換方式會造成以下問題：

（1）基站切換前（后）出現(xiàn)中斷或者頻繁信號中斷現(xiàn)象

在觸發(fā)越區(qū)切換后，車頭開始向目標基站進行切換操作。在車載modem與原基站斷開連接，到與目標基站建立連接的過程中，會出現(xiàn)車輛與地面的通信時延現(xiàn)象。如果多次切換都無法成功接人目標基站，若車地通信出現(xiàn)時間間隔大于5s的通信超時會觸發(fā)列車緊急制動。

自切換單次中斷時間不大于SS就不會引起列車EB，但是多次出現(xiàn)切換中斷則會造成通信異常。當掃描到目標后，移動節(jié)點與目標之間需通過認證及重關聯(lián)過程后才開始轉發(fā)數(shù)據(jù)。從開始切換到與目標完成重關聯(lián)操作之間有一段延遲。這時如果信道突然惡化，就會造成當前與之間的信號質量急劇降低，從而導致與目標完成重關聯(lián)之前已不能通過當前轉發(fā)數(shù)據(jù)，這樣通信就會中斷。

（2）某基站與該區(qū)段天線相連的RF電纜出現(xiàn)問題（損壞、進水）

信號切換時出現(xiàn)場強覆蓋電平低于70dB，且有電平陡降現(xiàn)象，原因一般為區(qū)間基站天饋線連接頭松動或饋線電纜損壞導致輸出降低，場強覆蓋區(qū)弱場。

（3）出現(xiàn)頻繁切換基站的情況

由于城市軌道交通運行環(huán)境復雜多變，導致信道變化較大，當目標小區(qū)的信號強度高于當前小區(qū)時，就觸發(fā)越區(qū)切換。然而由于受到外界環(huán)境的干擾，某一時刻目標小區(qū)的信號強度突然下降，就會切換回原小區(qū)。這樣就在目標小區(qū)與原小區(qū)之間來回切換，導致“乒乓切換”。

（4）信號在區(qū)間某個位置收到外界干擾的情況

無線通信采用2.4G頻段中干擾較少的CHI和CHII兩個頻段，工作信道在2400-2483.5 MHz之間，以5 MHz間隔，調制解調器會接收到的其他2.4G無線干擾信號。2.4GHZ為公用頻率，無線信號藍牙等會對車地無線通信產生同頻干擾。

3.2 無線信號優(yōu)化方法

（1）調節(jié)天線的角度

車地通信采用定向天線，軌旁定向天線角度有問題會造成區(qū)間弱場，車載定向天線角度問題會導致該車多處TRE切換前后信號中斷等異常問題。若場強覆蓋分析發(fā)現(xiàn)多處TRE切換前后信號中斷或者異常情況時（其他列車均未出現(xiàn)該現(xiàn)象），優(yōu)先考慮是列車車載天線角度問題;若發(fā)現(xiàn)某處弱場，則考慮區(qū)間天線角度問題。

（2）調節(jié)軌旁基站的發(fā)射功率

調節(jié)軌旁基站的發(fā)射功率，增強弱場區(qū)域無線信號場強，降低強場區(qū)域功率值，這樣可以優(yōu)化場強覆蓋，降低信號干擾，有效避免列車在軌旁基站之間頻繁切換、自切換、乒乓切換現(xiàn)象。

（3）排查無線鏈路

在無線鏈路環(huán)節(jié)，若某區(qū)域出現(xiàn)弱場，也應對天饋系統(tǒng)的電纜接頭連接處、傳輸設備駐波比等情況排查。也會出現(xiàn)收光正常但是接收信號有問題的故障，需更換光電轉換器。因為光電轉換器出現(xiàn)問題，會造成接收和發(fā)送的信號弱或者無法傳輸和接收信號。

此外，信號從室內交換機傳至室外基站，存在一定的光衰值，調整室內交換機端的發(fā)光到合適的值，可以避免信號從交換機端到基站的衰減過大、信號弱的問題。

4 總結

本文分析了基于WLAN的車地無線通信系統(tǒng)的信號傳輸方式和原理，車地通信質量的關鍵在于軌旁基站場強覆蓋是否分布均勻。為了減少實際運營存在的弱場干擾現(xiàn)象，根據(jù)無線傳輸?shù)睦碚撎岢隽苏{整問題區(qū)域的基站功率的方法。實際網絡優(yōu)化過程發(fā)現(xiàn)上述方法有效解決了軌旁基站自切換、兵乓切換等問題，對降低列車區(qū)間EB的故障率、提高運營安全性有積極作用。

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【通聯(lián)編輯：代影】

收稿日期：2020-04-10

作者簡介：杜雅茹，女，單位：鄭州地鐵集團運營分公司，初級職稱，研究生學歷。