跳頻擴頻制式的車地無線通信系統性能測試方法

金 捷

(上海申通地鐵集團有限公司技術中心，201103，上海//工程師)

在城市軌道交通領域，信號系統是集行車指揮和列車運行控制為一體的重要機電系統，直接關系到城市軌道交通系統的運營安全、效率以及服務質量。隨著核心技術的不斷進步，CBTC(基于通信的列車控制)系統的應用已經越來越廣泛。CBTC的車地無線通信通過建立車地間連續、雙向通信，使兩者之間可進行實時可靠的信息交換，從而更精確地對列車定位，并縮小列車的安全行車間隔。

1 FHSS(跳頻擴頻)制式介紹及其特點

1.1 FHSS技術指標

FHSS是802.11初期采用的技術，是以一種預訂的偽隨機模式快速變換傳輸頻率。FHSS使用的是2.4 GHz的ISM(工業、科學、醫學)頻段，具體為2.400 0～2.483 5 GHz，占用帶寬83.5 MHz，并將此劃分為79個信道，每個信道帶寬為1 MHz。

FHSS制式信道分布圖如圖1所示，其中1個信道用于防護，剩余78個信道分成26個子信道，每3個信道作為1個子信道同時進行發送。系統工作時在發送和接收端必須使用相同的PN碼(Pseudo-Noise Code)來確定發送和接收子信道的順序。

圖1 FHSS信道分布圖

1.2 采用FHSS 制式的CBTC車地無線通信特點

采用FHSS技術作為CBTC 車地無線通信的主要優點是可以提高抗干擾能力。由于2.4 GHz為ISM開發頻段，任何用戶都可使用該頻段，因此會造成該頻段的電磁環境非常復雜。而FHSS可以有效地避免固定頻段的干擾，即使受到干擾也只會造成瞬間的影響。

2 測試流程及內容

由于CBTC是基于無線通信的列車自動控制系統，CBTC車地無線通信的性能將直接影響列車的安全、高效運行。近年來國內已發生過因車地無線通信受到干擾而導致的運營故障事件。但目前對于采用FHSS 制式的CBTC車地無線通信僅通過對設備的工作狀態進行檢查，而沒有完善的測試流程及測試方法對其性能進行有效評估，因此非常有必要對其測試的流程和方法進行研究。

2.1 測試流程

為了有效評估FHSS制式CBTC車地無線通信的性能，其測試流程如圖2所示。流程主要包括測試準備、數據采集、問題分析、優化調整等4個部分。其中數據采集、問題分析、優化調整需要根據現場實際現狀反復進行，直至滿足標準要求為止。

圖2 測試流程圖

數據采集工作是整個測試流程中的核心內容，通過數據采集工作可以獲取各項參數指標，由此為后續的問題分析、優化調整等打下堅實的基礎。數據采集主要工作內容包括：① 網管數據采集；② 在線監聽測試，通過捕獲并分析車地交互的數據包，分析通信中斷或錯誤的原因；③ 無線物理層測試，包括場強覆蓋測試、漫游切換測試；④ 干擾測試；⑤ 端到端無線網絡性能測試，包括丟包率測試、時延測試等。數據采集的測試框圖如圖3所示。

注:AP為無線接入點;SA為車載交換機圖3 數據采集測試框圖

通過分析采集的數據，發現網絡中存在的問題，并提出相應的整改措施。調整完畢后再次進行數據采集，如果測試結果不能滿足目標要求，則進行新一輪的分析和調整，直至滿足目標要求為止。

2.2 網管數據采集

網管數據采集的工作主要包括對各種告警信息(如通信中斷等)進行采集，判斷告警主要產生的時間、閉塞區間；同時對設備配置參數進行采集，檢查數據配置是否正確。

2.3 在線監聽測試

在線監聽測試是對CBTC車地無線通信進行在線監聽，捕獲車地無線通信交互的數據包，結合其他測試的結果和問題進行綜合分析的測試。

2.4 無線物理層測試

無線物理層測試是對無線網絡場強覆蓋、漫游切換以及車地交互數據包的重傳率、差錯率等進行測試。通過測試了解各AP實際的覆蓋情況，并檢查是否存在弱場區覆蓋或越區覆蓋。

2.5 干擾測試

干擾測試主要測試CBTC使用頻段是否存在其他無線信號干擾,記錄干擾信號的最大電平、干擾頻點等。干擾測試主要在開放區段進行測試。

2.6 端到端無線網絡性能測試

端到端無線網絡性能測試主要考察系統網絡端到端(用戶—AP—上層網)的數據傳輸時延(響應時間)、丟包率等，測試時可模擬CBTC實際業務的數據形式，如包長、協議類型等。

3 案例分析

以某地鐵線為例，由于在實際運營過程中經常出現車地無線故障，因此對該線的CBTC車地無線通信性能進行了測試，并從無線物理層、干擾、端到端無線網絡性能等方面進行測試分析，查找原因。

3.1 無線物理層分析

3.1.1 場強覆蓋分析

對全線場強進行了測試，結果見表1。結果顯示，全線場強基本滿足要求，但部分位置存在弱區。

表1 全線場強覆蓋統計

通過統計，各采樣點中場強不小于-60 dBm的覆蓋率達到了97.7%。進一步對各個AP覆蓋情況統計分析，發現其場強覆蓋較弱的AP如表2所示，該問題區段的場強覆蓋圖如圖4所示。

從圖4中可以看出場強覆蓋較弱區段，尤其在A、B、C三處可能存在問題。經過現場勘查測試發現，A、B兩處為軌旁AP天饋線故障所引起，而C處則為彎道，AP天線方位出現問題，無法有效覆蓋，經過處理后，原場強覆蓋較弱的AP均恢復正常。處理后原覆蓋弱的AP場強統計表如表3所示。

表2 AP弱場覆蓋統計表

圖4 問題區段場強覆蓋圖表3 AP弱場覆蓋處理后統計表

AP名稱最小信號強度/dBm平均信號強度/dBm最大信號強度/dBmAP 1301-60-52-49AP 1305-62-53-50AP 1307-63-56-51

3.1.2 漫游切換分析

對于軌道交通而言，快速移動及動態通信是其重要特點，如果車載SA在多個軌旁AP之間連續切換出現錯誤或者漫游時延過長，就會嚴重影響應用層的使用。在本例中對全線的漫游切換進行了測試，測試發現AP漫游切換時間基本都小于100 ms，但是存在一處出現切換異常的區域。該區域正常漫游切換關系應為AP1322→AP1324→AP1326，但實際出現了乒乓切換。通過現場勘察，發現AP1324天線駐波較差，導致覆蓋區域較小;而AP1326天線俯仰角過大，導致覆蓋區域較遠。通過現場調整后，此問題得以改善，如表4所示。

3.2 干擾分析

由于CBTC 車地無線通信使用2.4 GHz共用頻段，因此在高架等開放空間存在系統外干擾的可能性很高。在本例中經過掃描發現，在開放空間的高架區段存在明顯干擾，而地下隧道則沒有干擾。2.4 GHz頻段的干擾信號統計如表5所示。

在本例中由于整個干擾持續時間不長，而FHSS制式的車地無線通信可以有效防止單信道干擾，故本例未對干擾進行處理。對于出現的持續強干擾目前一般通過協商的辦法，建議停用2.4 GHz頻段，使其僅工作在5.8 GHz，以此來避免干擾。

表4 漫游切換對比表

表5 2.4 GHz頻段干擾信號統計表

3.3 端到端無線網絡性能分析

在車地之間模擬CBTC數據包的收發，選擇類似的包長、協議等設置，進行連續的、動態的數據包收發測試，通過車載測試端與地面測試端之間的數據交互情況統計，來分析無線網絡實際提供的包時延和丟包率情況，可以更真實地模擬實際使用中遇到的情況，并尋找問題。在本例中發現在場強存在問題的區域，其丟包率也大幅增加(如圖5)，并且包時延也大幅增長(如圖6)。

圖5 問題區域丟包率圖

在覆蓋問題處理完畢后，端到端無線網絡性能也有大幅度的改善，具體如表6所示。由此可以看出，本例中端到端無線網絡性能的下降是由于場強覆蓋所導致的。

表6 端到端無線網絡性能對比表

圖6 問題區域時延圖

4 結語

CBTC車地無線通信的性能將直接影響列車的安全及高效運行。在無線通信過程中，存在著信道傳播、外部環境等各種不確定性因素，往往給車地無線通信的良好運行帶來潛在的危險。因此,不僅在工程驗收階段，而且在日常維護過程中也非常有必要對其性能進行測試。

在FHSS制式的CBTC車地無線通信性能測試工作中，通過對網管數據采集、在線監聽測試、無線物理層測試、干擾測試和端到端無線網絡性能測試等測試手段，從各個方面對車地無線通信的性能進行測試評估，從而找出影響網絡質量的原因，并通過參數的修改、網絡結構調整、設備配置調整等各種技術方法進行系統性能的優化，最終使車地無線通信的性能滿足實際運營的需要，確保CBTC系統的可用性和可靠性。