武漢有軌電車WLAN系統(tǒng)的調(diào)試問題分析及其整改方法

梅子然

(中鐵電氣化局集團有限公司設(shè)計研究院，北京 100166)

1 概述

有軌電車作為運行于城市路面的新型軌道交通，憑借著低造價、高運輸量、節(jié)能環(huán)保，且美化城市的優(yōu)勢，成為了許多城市青睞的對象，近些年在珠海、蘇州、廣州、武漢等地都陸續(xù)建成并運行。通信系統(tǒng)作為有軌電車的神經(jīng)系統(tǒng)，保障有軌電車的安全運營和良好的乘客體驗。無線通信系統(tǒng)（WLAN）是通信系統(tǒng)中一個重要子系統(tǒng)，承載著車地通信業(yè)務(wù)的傳遞功能。

武漢有軌電車的WLAN，采用基于IEEE 802.11n/ac 標準的無線通信技術(shù)，實現(xiàn)全線車－地間數(shù)據(jù)實時、無縫的傳輸要求，為實時車輛監(jiān)控視頻、信號系統(tǒng)ATS 數(shù)據(jù)、AFC 系統(tǒng)載客量數(shù)據(jù)提供傳輸通道，并預(yù)留PIS 直播通道，提供車內(nèi)乘客Wi-Fi 上網(wǎng)需求的能力，并確保不干擾信號系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

本文將針對武漢有軌電車WLAN 系統(tǒng)的調(diào)試問題進行分析，并提出其整改方法。

2 WLAN系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

武漢有軌電車T1、T2 車地?zé)o線通信系統(tǒng)采用5.8 GHz 頻率的WLAN 系統(tǒng)，由地面子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 WLAN系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 WLAN system composition

地面子系統(tǒng)由時鐘同步單元（ISU）、網(wǎng)管服務(wù)器、中心交換機、車站交換機、光纖收發(fā)器、軌旁無線基站設(shè)備、POE 模塊、基站天線、配電箱等設(shè)備組成。沿線各變電所安裝車站級交換機與中心交換機構(gòu)成WLAN 的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)。

車載子系統(tǒng)設(shè)置有車載無線單元設(shè)備、車載鯊魚鰭天線，車載二層交換機及車載三層交換機等設(shè)備。車載交換機通過以太網(wǎng)線進行串行連接組成車載局域網(wǎng)，車載無線單元通過車載局域網(wǎng)與車載應(yīng)用服務(wù)器進行通信。

2.2 傳輸業(yè)務(wù)及寬帶需求

武漢有軌電車WLAN 系統(tǒng)總帶寬為100 MHz，其綜合承載信號ATS、AFC、CCTV、車輛信息、超級電容信息、PIS、WiFi 等業(yè)務(wù)。其中信號ATS作為行車控制系統(tǒng)，安全級別高,對網(wǎng)絡(luò)的實時性和丟包率都有嚴格要求；CCTV、WiFi 業(yè)務(wù)有巨大的數(shù)據(jù)流量，故要求WLAN 系統(tǒng)不僅極其穩(wěn)定可靠，而且有強大的數(shù)據(jù)運載能力。其各業(yè)務(wù)帶寬需求如表1 所示。

3 調(diào)試中的問題及其分析

WLAN 系統(tǒng)進行單機、單系統(tǒng)調(diào)試時，因上線列車少、開啟的業(yè)務(wù)量少、運行速度慢，系統(tǒng)表現(xiàn)正常，沒有進行深入的問題研究和分析。期間進行施工整改，系統(tǒng)進行更新和升級等工作。在進行多系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時，大面積的列車上線高速運行在軌道上，同時開啟大量數(shù)據(jù)流，在大數(shù)據(jù)的沖擊和高頻率的數(shù)據(jù)切換過程中，遇到本文中要探討的幾個問題。

3.1 基站切換原理

車地?zé)o線通信系統(tǒng)使用獨特的切換機制，保證基站切換時間小于50 ms，并保證沿線服務(wù)的高可靠性。切換原理如下。

表1 業(yè)務(wù)帶寬需求表Tab.1 Service bandwidth requirement table

1）地面無線基站切換

車載無線單元從現(xiàn)有連接基站處獲取相鄰基站的信道列表。車載無線單元連續(xù)對相鄰信道進行掃描以檢測出下一個可用基站，在此期間鏈路保持與原基站連接。當車載無線單元監(jiān)測到附近某個基站RSS 信號值在不斷變強且當前基站信號值在減弱，意味著車輛正遠離現(xiàn)有通信基站駛向另一個基站，并在這個基站RSS 信號強度達到門限值時，車載無線單元將切換至此基站。車載無線單元此后會重新獲取信息，刷新網(wǎng)絡(luò)拓撲并更新路徑的相關(guān)信息。

2）車載無線單元切換

雙車載無線單元由于使用車輛內(nèi)部切換機制使車載子系統(tǒng)具有更高的彈性及可用性，車載無線單元切換基于雙車載無線單元設(shè)置，每個車載無線單元連接一個軌旁無線基站，一個車載無線單元處于激活模式，另一個車載無線單元處于空閑模式。車載無線單元切換如圖2 所示。每個車載無線單元容量會被不斷計算，如果空閑車載無線單元容量更大，系統(tǒng)將進行內(nèi)部切換，把空閑車載無線單元切換為激活車載無線單元，原來激活車載無線單元切換為空閑車載無線單元。這個機制使系統(tǒng)不只基于RSS信號值，同時基于吞吐量來確保最佳表現(xiàn)。

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3.2 正常狀態(tài)現(xiàn)象

如圖2 所示，當車輛從D 往A 方向行駛，且正處于從C 到B 的切換過程中，此時列車正常狀態(tài)應(yīng)該是HMU2 作為主用車載控制單元與C 基站處于通信狀態(tài)，與B、D 基站處于監(jiān)視狀態(tài)，同時備用車載單元HMU1 與B 處于激活狀態(tài)，與A、C 處于監(jiān)視狀態(tài)；當列車繼續(xù)行駛到達切換的臨界值時，此時列車會根據(jù)空閑車載無線單元容量來選擇HMU1 作為主用車載單元，HMU2 自動變?yōu)閭溆脿顟B(tài)，且根據(jù)場強大小，此時HMU1 將會與B基站處于通信狀態(tài)，與A、C 基站處于監(jiān)視狀態(tài)；HMU2 將會與C 基站處于激活狀態(tài)，與B、D 基站處于監(jiān)視狀態(tài)，并根據(jù)列車的行進位置進行不斷的切換。

3.3 問題現(xiàn)象

現(xiàn)象一：當多輛車同時進入一個比較集中的區(qū)域時，期間會出現(xiàn)隨機車輛掉線，且掉線數(shù)量不定。在進行短暫恢復(fù)后，會有部分車輛處于連接狀態(tài)，隨即又會隨機掉線，如此反復(fù)。

圖2 無線切換示意圖Fig.2 Wireless switching diagram

現(xiàn)象二：當車輛從C 往B 方向行駛過程中，車輛并非平滑從C 切換到B 基站，而是HMU 檢測到A 基站信號，直接從C 基站切換到A 基站，與B基站僅處于監(jiān)視狀態(tài)，在經(jīng)過列車短暫行駛和信道檢測后，列車又自動和B 處于通信狀態(tài)，與C 建立激活狀態(tài)，此現(xiàn)象隨機出現(xiàn)，但地點卻相近。

現(xiàn)象三：多列車上線時會出現(xiàn)大面積隨機掉線情況，且車輛和位置都不確定，很難捕捉到其規(guī)律。

3.4 原因分析

對以上3 個問題進行分析和確定。

現(xiàn)象一：是否在這些集中區(qū)域的車輛，都連接在同一個基站下，隨機的掉線和連接是否是基站設(shè)置有問題。

現(xiàn)象二：車載控制器在選擇地面基站進行連接時，沒有按序切換，而是跨基站連接，且隨著列車行駛，會恢復(fù)正常。是否是現(xiàn)場個別基站覆蓋有問題，場強過高，或者列車對于場強選擇連接不夠清晰，導(dǎo)致車載控制器錯誤的判定連接基站。

現(xiàn)象三：此問題不太具有規(guī)律，采取分析網(wǎng)管數(shù)據(jù)和抓取大量數(shù)據(jù)包的方法，為后續(xù)判定提供依據(jù)。通過分析大量的數(shù)據(jù)和網(wǎng)管現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)兩臺車載控制器存在乒乓切換和雙主、雙備的現(xiàn)象。是否是車載控制器HMU1 和HMU2 的主備判定機制有問題。

3.5 制定方案

針對現(xiàn)象二，根據(jù)問題現(xiàn)象，總結(jié)找出高頻率位置，重新進行場強測試。

針對現(xiàn)象三，要求設(shè)備廠家更新車載控制單元的配置文件并驗證。

3.6 整改及其效果

通過模擬試驗，發(fā)現(xiàn)在一個基站下還剩4 列車時，各車連接穩(wěn)定，數(shù)據(jù)正常。找到基站配置文件，發(fā)現(xiàn)其允許接入閥值設(shè)置為4，將閥值改為8，再進行模擬試驗，基站下所有車輛接入正常（基站覆蓋范圍內(nèi)最多能開進6 列車）。

通過場強測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)A 基站場強增益過大，且天線仰角過高，導(dǎo)致其場強信號飄到了B、C 基站之間，以至于車載控制器錯誤判定連接的基站。通過不斷調(diào)整其覆蓋范圍和天線角度，同時更新車載控制器的判定選擇配置，成功解決此問題。

通過一次又一次的更新和驗證車載控制器的主備判定配置文件，成功解決車載控制器乒乓切換和雙主、雙備的問題。

3.7 問題延伸

在解決完上述問題后，為驗證無線的抗壓能力，將一個基站下停放最多的車輛，進行折返行駛，然后將車載攝像頭盡可能的多調(diào)取，車載檢票機不停刷卡，同時車載WiFi 啟用，并進行上網(wǎng)，通過在后臺觀察視頻的流暢性，PIS 等功能是否正常來判斷在極端情況下，此系統(tǒng)能否承受大數(shù)據(jù)流的沖擊，并能正常工作。

3.8 問題思考

相比于國內(nèi)軌道交通常用的LTE，WLAN 雖然有更大的帶寬，能承載更大的數(shù)據(jù)量，但其切換延時高，抗干擾能力弱的問題也日益突出。

采用開放式的5.8 GHz 工作頻率，存在許多不可避免的干擾因素。作為建設(shè)在城市地面的軌道交通，周圍環(huán)境復(fù)雜，學(xué)校、醫(yī)院、工廠等會存在許多干擾的設(shè)備，也無法申請開展清頻工作，給無線系統(tǒng)的安全帶來極大的隱患。

4 結(jié)論

本文闡述的有軌電車WLAN 車地?zé)o線通信系統(tǒng)的調(diào)試問題分析及其整改方法，是作為解決無線系統(tǒng)調(diào)試問題的一種分析手段和解決辦法，通過對問題現(xiàn)象的觀察和分析，制定相應(yīng)的驗證措施，確定問題的核心，并進行整改。