城市軌道交通信號系統車地多重無線冗余方案應用研究

丁 青

（卡斯柯信號有限公司，上海）

1 PRP 協議介紹

IEC62439-3 工業通信網絡 高可靠性自動化網絡第3 部分定義了PRP 這種高可靠性網絡協議。PRP(Parallel Redundancy Protocol)協議最初是為了滿足智能電網毫秒級的網絡切換需求，可以實現兩條通信通道之間的無縫切換。圖1 為PRP 協議原理。

圖1 PRP 協議原理

PRP 冗余機制的實現，主要依托于兩個邏輯或物理分離的子網（LAN A,LAN B，即所謂的A 網、B 網），PRP 發送方將原始信息幀復制一份，并在兩份幀中添加特定的RCT 字段，形成PRP 信息幀，分別從自身的兩個端口發送出去（分別對應A 網、B 網），分別途經兩個獨立的子網到達同一個PRP 接收方；PRP 接收方從兩個端口分別接收到這2 份PRP 信息幀后，會經過一系列的幀處理算法進行處理，簡而言之，就是依據“先來后到”的原則，將后到達的PRP 信息幀丟棄，僅保留一份先到達的PRP 信息幀，將特定字段消除后，還原成原來的原始信息，傳遞給上層。

2 傳統無線系統冗余方案

無線系統為軌旁信號設備與車載信號設備建立通信的橋梁。目前城軌信號系統車地無線系統大多采用WLAN 或者LTE。

2.1 WLAN 無線系統冗余方案

城市信號系統無線系統按照雙網冗余方案設計，圖2 是WLAN 無線系統[3]方案。

圖2 WLAN 無線系統方案

車地無線網絡部署兩張獨立冗余的兩張紅、藍WLAN 無線網絡，網絡設備由軌旁AP、車載modem、骨干網交換機、信號主交換機、天線等構成。

每列車的車頭、車尾分別設置一臺無線modem。車頭紅網無線modem 關聯軌旁紅網WLAN 無線網絡，傳輸車地紅網信號業務；車尾藍網無線modem 關聯軌旁藍網WLAN 無線網絡連接，傳輸車地藍網信號業務。車地之間通信為雙向通信，車地間存在2 條無線通信鏈路。

2.2 LTE 無線系統冗余方案

城軌信號系統車地無線系統按照雙網冗余方案設計，圖3 是LTE 無線系統[4]方案。

式中：Hjilsmq為0-1變量，若工序Ojils在機床Mm上完工后選擇搬運設備Hq進行搬運，則Hjilsmq=1，否則Hjilsmq=0。

圖3 LTE 無線系統方案

車地通信無線網絡部署兩張獨立冗余的兩張紅、藍LTE 無線網絡，網絡設備由軌旁基站、核心網設備、車載TAU、骨干網交換機、信號主交換機、軌旁漏纜或定向天線、車載天線等構成[1]。

每列車的車頭、車尾分別設置一臺無線TAU。車頭紅網TAU 關聯軌旁紅網LTE 無線網絡，傳輸車地紅網信號業務；車尾藍網TAU 關聯軌旁藍網LTE 無線網絡，傳輸車地藍網信號業務。車地之間通信為雙向通信，車地間存在2 條無線通信鏈路。

2.3 傳統無線系統冗余方案存在問題

目前城軌信號系統車地無線通信系統主要采用WLAN 或者LTE 兩種。由于車地間采用單一制式的無線鏈路（WLAN 或LTE），存在如下問題：

（1） 因雙網無線制式相同，同時受到干擾的可能性較大，同時受擾時則會造成車地通信不可用。

（2） 車地之間紅、藍網各采用一條無線鏈路，當一條無線鏈路故障時將導致車地間僅單網可用，降低系統可用性。

3 改進的無線系統冗余方案

鑒于上述傳統無線系統冗余方案存在的問題，改進的冗余方案優化提升無線鏈路的冗余性，通過PRP方案[5]實現LTE 與WLAN 兩種制式的無線網絡同時承載信號CBTC 應用。從而實現單列車4 條車地無線鏈路，提升了車地無線鏈路冗余性；另外由于采用雙制式無線網絡，降低了無線網絡受干擾的可能性。改進的單網PRP 方案架構如圖4 所示。

圖4 單網PRP 方案架構

傳統無線系統方案中，車載無線modem 或者車載TAU 連接車載信號應用，軌旁信號主交換機與EPC的路由器或者AP 交換機連接。改造架構方案中：車載PRP 連接車載信號應用，同時車載PRP 連接車載TAU 和車載modem；軌旁信號主交換機連接軌旁PRP設備，軌旁PRP 設備連接VXLAN 路由器，通過VXLAN 路由器連接EPC 的路由器和AP 交換機。

由于PRP 工作在二層數據鏈路層，而LTE 和WLAN 均工作在三層，所以在PRP 設備中間需新增L2 VPN 設備（上圖VXLAN 路由器），通過建立VXLAN 隧道[6]實現信息的傳輸。

軌旁信號應用發送給車載信號應用的數據包A經過軌旁PRP 設備后，軌旁PRP 設備將數據包A 分別通過WLAN 和LTE 無線鏈路傳輸到車載PRP 設備，車載PRP 設備將先收到的一份數據包A 轉發給車載信號應用。

車載信號應用發送給軌旁信號應用的數據包A經過車載PRP 設備后，車載PRP 設備將數據包A 分別通過WLAN 和LTE 無線鏈路傳輸到軌旁PRP 設備，軌旁PRP 設備將先收到的一份數據包A 轉發給軌旁信號應用。

如圖4 所示，車頭、車尾各有兩條車地無線通信鏈路，提升了單端無線通信鏈路冗余性。

通過PRP 方案疊加WLAN 與LTE 兩種無線通道，為每條車地通信鏈路提供LTE 和WLAN 兩種無線通道，在一種制式的無線鏈路故障的情況下仍可以用另一種無線鏈路傳輸，對信號應用來說相當于“無縫”切換，提高了車地無線鏈路冗余性。

4 可靠性分析

從工程實際應用的角度考慮，影響車地無線系統可靠性的因素主要包括無線頻率的使用和設備冗余結構兩個方面。

WLAN 方案采用的是2.4GHz 公用頻段，實際測試證明，WLAN 方案不但會受到2.4GHz 頻段的同頻干擾和鄰頻干擾，還會受到運營商4G、5G 無線信號的干擾，造成車地通信不可用的情況。

LTE 方案與WLAN 方案相比，抗干擾能力更強。但由于工作頻段（1 785～1 805MHz）與移動DCS 頻段（1 805～1 820MHz）很接近，同時LTE-M 工作頻段不是軌道交通專用頻段，石油、電力、民航等多行業均可用此頻段，實際應用中可能受到同頻干擾或者鄰頻干擾，造成車地通信不可用的情況。

改進的無線系統冗余架構通過PRP 方案疊加LTE 和WLAN 兩種制式的無線網絡，列車單端車地無線通信具有LTE 和WLAN 兩條鏈路，單條無線通信鏈路受干擾或故障時，不影響另一條無線鏈路的通信，提升了單端無線通信鏈路的冗余性及無線通信系統的抗干擾能力。

通過對車載無線設備和軌旁無線設備的單點、多點故障場景進行分析，比較了傳統無線冗余架構和改進型無線冗余架構的無線通信鏈路冗余情況，傳統WLAN 無線冗余方案與改進的無線冗余方案比較結果如表1 所述，傳統LTE 無線冗余方案與改進的無線冗余方案比較結果如表2 所述。

表1 故障場景冗余性對比-WLAN 無線系統

通過表1 和表2 的對比結果可以看出，改進的無線系統冗余方案通過PRP 方案疊加LTE 和WLAN 兩種制式的無線網絡，在相同場景下，單制式故障情況下，由于還有另外一套制式的無線鏈路，仍維持列車雙網通信，不影響列車雙網通信[1]。即使車地之間某一制式無線通信異常無法使用，另一制式的無線通信列車單網通信故障時，也仍可維持列車單網通信，不影響列車的正常運行。改進的無線冗余方案與傳統較單制式的無線冗余方案進行對比，無線鏈路冗余性明顯提升，進而無線系統的可靠性得到提升。

5 結論與展望

通過PRP 疊加LTE 和WLAN 兩種制式無線網絡的冗余方案，相較于傳統單制式（LTE 或WLAN）冗余方案，大大增強了車地無線鏈路的冗余性。對比并分析了車地無線系統在不同故障下的情況，表明了無線系統冗余性和可用性得以改善，從而降低了無線設備故障對列車正常運行的影響，進而提高了信號系統的可用性和可靠性。

改進的無線冗余方案適用于新建/改造地鐵線路或采用LTE+WLAN 雙套無線通信系統的情形；也適用于既有地鐵線路采用一種制式的無線通信系統，而延伸線采用另外一種制式的無線通信系統，從而實現列車在LTE 無線網絡和WLAN 無線網絡下混跑運行。