CBTC無線通信子系統的設計與測試

俞國榮

CBTC無線通信子系統的設計與測試

俞國榮

摘 要：對CBTC無線通信子系統在隧道中的無線菲涅爾區和無線隧道損耗模型進行計算，提出了無線通信子系統AP設置的合理間距。結合杭州地鐵現場環境，對模擬系統進行測試，結果滿足設計要求。

關鍵詞：無線通信;子系統;設計;測試

CBTC是基于通信的列車控制系統。CBTC無線通信子系統(以下簡稱系統)，實時傳輸控制命令和列車位置信息，是地鐵運營安全、高效、可靠的保證。系統由分布式系統、軌旁無線接入點AP、車載無線通信單元和無線傳輸媒介等四部分組成。分布式系統，用來連接不同基本服務區(BSA)的通信信道，一般采用大容量、高速有線傳輸網。軌旁無線接入點AP，是無線網絡和有線網絡的橋節點。車載無線通信單元，安裝在車頭和車尾的車載設備機架內，是AP的通信客戶端。無線傳輸媒介，包括漏纜、波導管和空間波等。列車在隧道區間運行時，地面AP機箱通過有線冗余網絡將數據傳至控制中心及各車站，實現車-地之間控制命令的上、下傳遞。

目前，國內外CBTC系統均采用2.4 GHz頻段，列車運行要求如下。

1．傳輸帶寬：列車高速移動時能滿足系統傳輸速率需求，最不利情況下傳輸帶寬不小于1 Mb/s。

2．丟包率：無線傳輸系統丟包率應不影響系統的有效性，要求雙網的丟包率為0.01%。

3．傳輸延時：越區切換中斷時間應滿足不間斷通信要求，ATP允許的報文傳輸 (更新)延時時間最大為0.5 s。

1 系統設計

為確保隧道空間運行中的列車控制信息在任何地點、時間都能雙向傳輸，系統設計時除了考慮無線協議、調制方式、切換機制和網絡安全外，還必須進行合理的AP布點。下面以杭州地鐵1號線CBTC無線通信子系統AP布點為例進行介紹。

1.1 隧道中的菲涅耳區

無線電波在發射機和接收機之間傳播時，存在著一個對電波傳播起主要作用的空間區域即傳播主區，可用菲涅耳區來表示。不同路徑的電磁波通過第一菲涅耳區到達接收天線時，由于作用相同，接收點的信號最強。當收發機天線只利用第一菲涅耳區傳播電磁波時，接收天線能得到所有傳播環境中最大的輻射場。第一菲涅耳區的大小可以用菲涅耳半徑r表示：

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

1.2 隧道無線路徑損耗模型

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，遮擋部分信號傳播最強的區域，隧道路徑損耗：

其中，f為電磁波頻率 (MHz)，d為發射機與接收機之間的距離 (km)。對于2.4 GHz無線電波，由 (3)式可得200 m的路徑損耗是96.2 dB。

通常估算無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為最大發射功率 (dB)，Gt為發射天線增益 (dB)，Gr為接收天線增益 (dB)，Pl為無線鏈路的路徑損耗(dB)，a為線纜、接頭、玻璃等的損耗 (dB)。

假定發射端發射功率Pt為20 dBm，發射天線增益為15 dBm，接收機天線增益為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對接收機最小接收功率規定：一個長度為1024B的數據單元，在傳輸速率為6 Mb/s下，達到10%誤幀率時接收機最小接收功率為－82 dBm。因此，最小接收電平－59.2 dB滿足接收機最大傳輸速率的功率要求。

AP布點設計時，除了考慮隧道無線信號的空間傳播距離、無線覆蓋密度外，還應考慮遮擋物體、干擾源等環境限制。要根據現場實際調整相鄰小區的覆蓋范圍，保證相鄰區間沒有未覆蓋區域。在此基礎上使相鄰小區有一定重疊，確保越區切換成功，保證通信的持續性和可靠性。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 系統測試

軌旁無線AP通過星形的方式連接各站的接入交換機，形成各站點、設備相連的數據交換網。地面AP箱的間距200 m，可根據線路適當調整。每個軌旁AP箱配置2個AP模塊、2組定向天線(八木天線)分別接入2個網絡。在車頭、車尾分別安裝一套信號車載無線單元及車載天線，用于發送/接收無線信號。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 靜態測試

選取直線、岔區、彎道和站臺等多個特殊線路區段，分別進行無線信號傳輸測試。在發送、接收端將PC機與AP相連，模擬車-地間數據傳輸，隧道內靜態模擬測試如圖2所示。使用流量發生器打入背景流數據，在PC1使用fastping工具，發送64，256，1518B報文，以1 s為間隔連續ping PC2機，記錄程序上報時延、帶寬和丟包率等信息。

圖2 隧道內靜態模擬測試圖

2.1.1 隧道內直道測試

如圖2所示，AP1、AP2間距250 m，AP1功率50 mW，AP2功率12.5 mW，測試結果見表1。

表1 隧道內直道無線通信測量數據表

2.1.2 隧道內岔道測試

AP1距離 AP2250 m，車載AP1功率50 mW，軌旁AP2功率25 mW，測試結果見表2。

表2 隧道內岔道無線通信測量數據表

2.1.3 隧道內站臺區測試

AP1距離 AP2160 m，車載AP1功率50 mW，軌旁AP2功率25 mW，測試結果見表3。

表3 隧道內站臺區無線通信測量數據表

2.1.4 隧道內彎道區測試

AP1距離 AP2200 m，車載AP1功率50 mW，軌旁AP2功率25 mW，測試結果見表4。

表4 隧道內彎道區無線通信測量數據表

測試結果表明，無線通信子系統傳輸帶寬、延時均優于系統設計要求。由于無線通信采用雙網同時傳輸信息，文獻 ［3］指出冗余結構系統的可用性是非冗余結構的100倍，所以丟包率也滿足合同要求。

2.2 動態測試

列車在隧道內高速移動時，接收機在很短時間內可能經歷若干次衰落，接收信號會衰落失真，丟包率和傳輸時延會變化，所以對系統還應進行動態模擬測試。

2.2.1 列車運行時帶寬和丟包率測試

列車分別以60，75 km/h的速度在隧道中移動，AP功率設置為50 mW，載荷為60B的承載帶寬，發送和接收雙向傳輸，測試結果如表5所示。

表5 載荷60B測試結果表

列車位置信息和控制命令的報文長度一般不會超過64B，通過測算，可以判斷每列車的傳輸帶寬不會超過200 kb/s。按單個AP最多關聯2輛車考慮，單個AP傳輸帶寬達到1 Mb/s就能滿足合同需求，實際測試結果遠好于需求。

2.2.2 無線網絡承載CBTC數據的時延

列車運行速度60 km/h，在CBTC流量基礎上，利用fastping工具分別測試64B和1518B報文的延遲，測試結果如表6所示。

表6 無線網絡承載數據時延

2.2.3 無線網絡承載CBTC數據的切換時間

采用一種簡化的方法測試車載AP與軌旁AP間數據的切換時間，就是把新關聯軌旁AP發給車載AP的第一個數據包的時戳與前一個軌旁AP發給車載AP的最后一個數據包的時戳相減，得到的時間作為AP切換時間。經對某段線路AP切換時間測試，得到結果：最小切換時延5.6 ms;最大切換時延24.2 ms;平均切換時延15 ms。

文獻 ［4］計算證明列車運行速度為50，70，90 km/h時允許的最大切換中斷時間分別為224，160，124 ms。實際測試結果遠好于文獻 ［4］結論，也優于合同要求。

3 總結

基于通信的列車控制系統 (CBTC)是城市軌道交通最重要和最關鍵的系統之一，鑒于無線通信子系統的重要性，通過多種方法對系統進行模擬測試，掌握了無線通信子系統靜態及列車動態運行下的帶寬、傳輸延時、切換時間和丟包率等技術指標，取得了一些實際成果，為杭州地鐵信號系統的順利實施提供了理論保障。

［1］吳瓊，彭章友．地鐵隧道中信道的統計建模［J］．微計算機信息，2009，25(9 －1)：191 －193．

［2］張靜．利用OPNET仿真分析CBTC系統中通信參數對列控的影響［D］．北京：北京交通大學交通信息工程及控制，2010．

［3］XUTian － hua，LlShu，TangTao．Dependability Analysis of Data Comunication Subsystem in Train Control System［J］．JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY．200，31(5)：1 －6.

［4］陳黎潔，唐濤，呂繼東．CBTC越區切換中斷時間分析［J］．中國鐵道科學．2010(9)：125 －129.

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

俞國榮：杭州地鐵集團機電設備部 工程師 310017 杭州

2012-06-14

(責任編輯：諸 紅)