基于PRP技術的車地無線通道冗余技術應用研究

摘要：本文基于PRP（平行冗余協議，Parallel Redundancy Protocol）技術原理，對軌道交通信號系統車地通信無線通道冗余技術的應用展開研究，尤其對該技術在真實地鐵運營線路——八通線的通州北苑至八里橋區間進行的動車測試進行詳細闡述，旨在驗證以PRP技術為基礎，實現車地通信雙鏈路承載CBTC業務，以期為城市軌道交通信號系統既有線路車地通信的改造和優化提供重要的依據，并為同場景的地鐵信號系統項目提供參考。

關鍵詞：車地無線通道冗余技術；PRP；城市軌道交通信號系統；CBTC

一、研究背景

隨著通信技術的進步和發展，基于通信的列車運行控制（Communication-based Train Control， CBTC）成為城市軌道交通列控系統的主流。然而，由于CBTC運營場景復雜多變，無線通信鏈路極易受到電磁環境和惡劣天氣等環境條件的影響，使得無線通信服務質量產生較大的變化，甚至影響到列車控制業務。實現信號DCS子系統車地無線通道冗余，對于保障列車的可靠、高效運行具有重要意義。因此，本項目的目的在于研究信號DCS子系統車地無線通道冗余技術，在既有2.4G-Wi-Fi無線網絡不變的情況下，新增一套其他制式的無線網絡，將兩種不同制式的無線網絡共同用于車地通信，以增強車地無線系統的抗干擾能力與可用性。

二、研究內容

本項目以“北京地鐵1－八通線通州北苑站－八里橋站區間”為示范，研究信號DCS子系統車地無線通道冗余并用技術，實現典型線路軌旁2.4G-Wi-Fi無線網絡在新增EUHT無線網絡后的冗余并用，以提升北京地鐵八通線部分區段車地通信的抗干擾性能，降低信號系統故障率，提高運營效率。在依托PRP技術的基礎上，信號雙網在列車和控制中心各設置一套PRP設備，兩臺PRP設備之間同時連接兩條無線鏈路；在北苑－八里橋區間安裝EUHT基站設備。

PRP設備能夠實現雙發選收的功能。例如，當車載設備發送數據包給軌旁設備時，數據包到達車載PRP后會被復制為兩份，一份通過Wi-Fi發送，另一份通過EUHT發送；軌旁PRP設備會將最先接收到的數據包轉發給軌旁信號設備，將后收到的數據包丟棄。

軌旁信號設備給車載信號設備發送數據包時也采用相同的雙發選收機制。以單網為例，具體架構如圖1所示。軌旁發給車載方向的數據包A經過軌旁PRP設備后，PRP設備將數據包A分別通過既有Wi-Fi和EUHT鏈路傳輸到對端車載PRP設備，對端車載PRP設備將兩條無線鏈路中先收到的一份數據包A轉發給車載終端。

三、應用實例

在北京地鐵八通線（通州北苑－八里橋區間）現場環境中，驗證EUHT 5.8G及Wi-Fi 2.4G紅、藍網同時/分別進行車地通信傳輸時的性能指標是否滿足北京地鐵CBTC業務的車地通信傳輸需求。

（一）測試網絡結構

在PRP動車測試前，按照以下網絡結構圖進行機房臨時網絡拓撲搭建，測試的總體網絡架構圖如圖2所示。

（二）測試交路

本次現場測試按照交路1和交路2的順序進行動車實驗。在執行交路1之前，將實驗測試環境準備就緒。

交路1：土橋車輛段－gt;通州北苑下行站臺－gt; 管莊上行站臺－gt;果園上行站臺－gt;果園20G折返－gt;果園下行站臺－gt;通州北苑下行站臺－gt;八里橋下行站臺－gt;管莊上行站臺－gt;八里橋上行站臺－gt;通州北苑上行站臺－gt;果園上行站臺。

交路2：果園上行站臺－gt;果園20G折返－gt;果園下行站臺－gt;通州北苑下行站臺－gt;八里橋下行站臺－gt;管莊1/2#反位-gt;管莊上行站臺－gt;八里橋上行站臺－gt;通州北苑上行站臺－gt;果園上行站臺。

（三）測試內容

1.無線場強測試

測試EUHT覆蓋區域的無線場強的指標，包括覆蓋邊緣場強RSSI；執行區間為交路1和交路2。

EUHT無線車地無線通信系統滿足以下指標：

覆蓋邊緣場強RSSI不低于-75dBm;

2.端到端車地通信質量測試

（1）當測試列車按照交路1行駛至果園下行站臺時，斷開車載PRP設備至EUHT的物理鏈路，通過端到端工具測試Wi-Fi2.4G單鏈路時的車地通信性能指標。

測試預期：列車行駛過程中無EB；吞吐量（100kbps）、最大時延（≤150ms）、最大丟包率（lt;1%）。

（2）當列車按照交路1折返后回到通州北苑下行站臺后，恢復車載PRP設備至EUHT車地通信物理鏈路，同時斷開車載PRP至車載modem的物理鏈路，通過IxChariot測試EUHT單鏈路時的車地通信性能指標。

測試預期：列車行駛過程中無EB；吞吐量（100kbps）、最大時延（≤150ms）、最大丟包率（lt;1%）。

（3）當測試列車按照交路2由通州北苑上行站臺繼續行駛一圈至通州北苑上行站臺后，恢復車載PRP至車載modem的物理連線，通過IxChariot測試EUHT和Wi-Fi2.4G雙鏈路時的車地通信性能指標。

測試預期：列車行駛過程中無EB；吞吐量（100kbps）、最大時延（≤150ms）、最大丟包率（lt;1%）。

（4）雙鏈路倒切測試，即不同頻次的重復4.4.2.1和4.4.2.2的操作，驗證在EUHT和Wi-Fi2.4G雙鏈路交替倒切的過程中，驗證列車通信質量的穩定性和可靠性指標。當列車從僅Wi-Fi2.4G信號覆蓋區域行駛過渡至EUHT信號覆蓋區域時（先確定車載ESU是否入網），即從果園下行站臺行駛至通州北苑下行站臺期間，車載將PRP至MRE的M12連接線斷開，通過IxChariot測試鏈路倒切時的車地通信性能指標。當列車駛出EUHT覆蓋區域前（ESU脫網前），需恢復已拆除的連線，通過IxChariot測試鏈路倒切時的車地通信性能指標。

測試預期：列車行駛過程中無EB；吞吐量（100kbps）、最大時延（≤150ms）、最大丟包率（lt;1%）。

（5）連續斷掉區間的3個EUHT軌旁基站設備，驗證列車從EUHT覆蓋區域行駛至連續EUHT基站的斷開區域，列車EUHT網絡丟失通信；當列車駛出EUHT軌旁基站中斷區域后，列車恢復EUHT車地通信網絡。

測試預期：Wi-Fi2.4G網絡車地通信無中斷，列車在行駛過程中不EB。

（四）測試結果

1.無線覆蓋測結果符合要求，強度都大于-75dBm。

2.車地通信質量測試數據，如表1所示。

從上表可以看出，在PRP方案的傳輸模式下，利用EUHT 5.8G及Wi-Fi 2.4G紅、藍網同時或分別進行車地通信傳輸時的性能指標均符合預期，滿足北京地鐵CBTC業務的車地通信傳輸需求。

四、結束語

通過PRP方案疊加Wi-Fi和EUHT兩種無線通道，為每條車地通信鏈路同時提供兩種不同制式的無線通道，在一種制式的無線鏈路故障情況下，仍可以用另一個無線鏈路傳輸，實現信號應用的“無縫”切換，從而大幅提升車地通信的可用性。軌旁新增EUHT無線網絡可僅在Wi-Fi系統不穩定的區域設置；PRP方案可在兩條不同制式的無線鏈路間無縫切換，支持線路部分區域單制式網絡覆蓋、部分區域雙制式網絡覆蓋的方式。本次八通線通州北苑至八里橋區間的動車試驗測試成果為提升北京地鐵車地通信系統的服務質量提供了重要技術支撐，將為既有線路車地通信的改造和優化提供重要的依據，具有很高的實用價值和推廣應用前景，將在一段時期內為既有無線系統建設優化和補強的改造起到規范及指導作用。

作者單位：陶賓賓 北京市地鐵運營有限公司通信信號分公司

王輝 卡斯柯信號有限公司

王繼承 京投新岸線技術有限公司

陳吉 北京地鐵運營技術咨詢股份有限公司

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陶賓賓（1986-），男，北京，本科，信號工程師、中級網絡工程師；

王輝（1987-），男，北京，本科，工程師；

王繼承（1988-），男，北京，本科，信息系統項目管理師（高級）、PMP，研究方向：軌道交通車地無線通信技術、EUHT無線通信技術；

陳吉（1981-），男，北京，本科，高級經濟師，注冊咨詢工程師。