淺談基于漏纜傳輸的CBTC無線通信系統試驗論文
基于通信的列車控制(CBTC)系統依賴于數據傳輸子系統(DataCommunicationSubsystem，簡為DCS)，而車地無線通信系統是DCS的重要部分。目前，CBTC車地無線通信系統大多采用IEEE802.11標準，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備，且作為開放頻段還有遭受惡意干擾的危險。實測中發現近距離工作的2.4GHz頻段無線設備會明顯提高CBTC系統丟包率。2012年11月，深圳地鐵發生的多起列車緊急制動事件，就是緣于乘客攜帶的MiFi設備(一種3G信號轉WiFi信號設備)干擾了CBTC系統。
徹底解決CBTC同頻干擾的辦法就是采用專頻、專網，即CBTC車地無線通信系統使用專用頻段，并且是獨立的無線通信系統。在上海開展了基于漏纜傳輸的專頻、專網CBTC信號系統試驗，采用400MHz頻段，利用漏纜傳輸的優勢，使單基站能夠完全覆蓋相鄰兩區間，在相應區間軌旁無其他有源設備。這大大簡化了系統結構，提高了系統可靠性，且便于維護。為證明低頻漏纜傳輸的可用性及可靠性，首先，在上海大學的無線通信實驗室對CBTC車地無線通信系統的吞吐率、時延丟包、故障切換及CBTC網絡性能進行測試;然后，在張江實訓線上接入CBTC車地無線通信系統，并進行系統測試。
1CBTC無線通信系統
試驗的車地無線通信系統采用北京信威通信技術股份有限公司自主研發的第三代無線通信技術———McWiLL(Multi-carrierWirelessInformationLocalLoop，技術多載波無線信息本地環路)，采用漏纜傳輸，其工作頻段為406.5～409.5MHz。
WLAN(無線局域網)的車地無線通信系統主要采用定向天線傳輸技術，其天線的覆蓋范圍約200m。在高頻段CBTC系統另一種常見傳輸方式是漏泄波導管。漏泄波導管傳輸有較高的信噪比，其抗干擾能力增強，2.4GHz頻段的有效覆蓋距離約300m，區間常要使用中繼設備。漏纜傳輸以其傳輸距離遠、可靠性高及造價低的優點被越來越多地應用在軌道交通中的調度、安防及乘客移動通信等方面。
2性能測試
在上海大學無線通信實驗室對車地無線通信系統的吞吐率、時延丟包、故障切換及CBTC網絡性能進行測試。每臺McWiLL基站使用2個射頻口，合路后接入信道模擬器。信道模擬器可模擬隧道及列車高速運行的環境，而車載終端與基站通信內容由計算機軟件生成。
2.1吞吐率測試
吞吐率是指無線系統每秒能夠傳輸的最大數據量。車地無線通信系統工作在400MHz頻段，其低頻的特點有利于信號的傳輸，但也將其帶寬限制在3MHz。雙網冗余覆蓋時，每網各分配1.5MHz帶寬，基站兩側區間各分配一組0.75MHz的資源。此時，單向理論吞吐率為750kbit/s。考慮到公共信道、預留資源開銷等影響因素，實際吞吐率約在720kbit/s。測試方法為開啟單基站單側區間的一組資源對單終端發送UDP(用戶數據協議)數據流，觀測單向吞吐率。
2.2時延測試
實測發現，基站遠端1km處的信號強度約-70dBm。隨著車載終端與AP的距離增加，信噪比降低，只能采用較低階的調制方式，從而增加數據傳輸時延。由于在地鐵的實際運行情況中，車載終端距基站1km已屬極限情況，故應測試此時的時延能否滿足系統的傳輸要求。由測試用信道模擬器模擬車載終端距基站1km時環境，并由軌旁計算機與車載終端發送不同大小的數據包。車地無線通信系統的單向傳輸時延在50ms以內，大字節的數據包時延略有增大，能夠滿足CBTC系統需求。
2.3切換丟包試驗
基于McWiLL的越區切換機制中，當車載終端連續多次檢測到的兩基站電平差值均滿足切換閾值時，即發生切換。實測發現切換時會出現極個別丟包，丟包率約0.01。測試采用軟件fping每隔100ms發送一個150B的數據包，同時抓包并分析切換過程。如在信噪比較低時切換，則傳輸更易出現丟包。測試通過調整信道模擬器，來模擬車載終端距離基站的不同位置。統計結果顯示，終端距基站0.5km及1km處切換最大雙向時延約在100ms，切換時刻基本達到不丟包。
2.4故障弱化測試
當基站設備故障時，系統應盡量縮減通信中斷時間;當基站控制設備核心網(SAC)發生故障時，基站射頻端口應能夠正常輸出，車載終端能夠注冊成功;當基站射頻設備發生故障時，車載終端應快速切換;系統時間同步系統故障時，短時間內應不影響通信。
2.5CBTC信號仿真軟件
實驗室測試常用fping或者Chariot等軟件來模擬CBTC數據流，其數據包單一、周期性強。而真實列車控制數據流的數據包種類多、周期復雜，且流量不均勻。故此次編寫了一套軟件來模擬CBTC數據流，并將其作為通信內容在測試中使用，從而提高了實驗室測試的真實度。軟件按軌旁設備端和5臺車載終端共有6套程序。CBTC仿真數據流按照真實通信規則，利用Socket函數進行數據發送與接收，并計算出單向時延。
3張江實訓線試驗
CBTC車地無線通信系統整體試驗在上海的張江實訓線上進行。實訓線線路長1.6km，甲、丙兩站之間距離1km，漏纜沿軌道敷設。兩車站軌旁端各安裝2臺基站光纖拉遠端RRU，組建紅藍雙網，其余基站設備安裝于車站機房內。同實驗室一樣，對單網運行時列車的傳輸時延、基站切換、故障弱化等項目進行測試。
試驗首先需驗證單基站能否覆蓋一站兩區間的范圍。13/8″漏纜在400MHz頻段傳輸衰減為13dB/km，鏈路預算后得出的車載終端接收電平約在-50～-70dBm。測試方法是用路測軟件沿線采集接收功率。試驗結果顯示，區間內的信號強度大多高于-70dBm，所有采集點信號強度均高于-75dBm，這證實了使用漏纜傳輸技術的無線通信系統能夠獨立地覆蓋到車站及其相鄰的兩區間范圍。
一個重要的實測項目是將車地無線通信系統接入CBTC信號系統進行聯調測試，將信號系統接入紅網，并用藍網測試傳輸性能。基于漏纜傳輸技術的車地無線通信系統接入CBTC信號系統后，列車可正常行駛。列車在甲、丙兩站中間位置發生切換。在切換時刻傳輸時延增大，但基本沒有丟包出現，也未對列車正常行駛造成影響。在此過程中藍網車載終端使用ping命令測試與基站間通信的雙向時延，平均時延穩定在50ms左右。
系統故障弱化性能項目測試中，如當前所連基站發生故障，則車載終端能夠快速切換至另一基站，其通信中斷時間在1s內。在基站控制器SAC發生故障時，終端能夠再注冊，不影響正常傳輸和切換。如時間同步系統發生故障，則短時間內可正常通信，20min后基站停止工作。
在張江實訓線試驗中，評估基于漏纜傳輸技術的CBTC系統性能，重要的是觀測試驗時的列車運行情況。車地無線通信系統接入CBTC試驗后，列車往返甲、丙站共計50次，沒有出現因數據傳輸系統故障而致的停車現象。這說明該系統基本滿足運行要求。
4結語
試驗表明，基于漏纜傳輸的CBTC無線通信系統具有實用性和高可靠性，與傳統的WLAN系統相比，解決了民用設備干擾問題，且組網模式更簡化。在城市軌道交通車地無線通信系統中，這種專頻、專網的CBTC系統將是一種發展趨勢。
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