基于WLAN的車-地傳輸技術在PSD系統(tǒng)中應用的可靠性研究

顏士博

*上海鐵路通信有限公司 工程師，200071 上海

目前，已經(jīng)成功應用于軌道交通車-地雙向傳輸?shù)募夹g包括:感應電纜環(huán)線、漏纜、波導、無線擴頻等方式。而基于 WLAN(無線局域網(wǎng))的802.11g技術，不僅滿足像基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)這類安全業(yè)務的需要，也可將車-地之間不同業(yè)務信息在傳輸環(huán)節(jié)集成，實現(xiàn)傳輸資源的共享。但在軌道交通車-地雙向傳輸系統(tǒng)測試中，WLAN的可靠性存在一定的問題，現(xiàn)結合上海地鐵2號線安全PSD(站臺屏蔽門)系統(tǒng)設計方案，分析車載MR在軌旁不同AP之間切換時，如何保證應用層信息在無線傳輸環(huán)節(jié)不中斷，提高上層業(yè)務信息在無線通信鏈路傳輸環(huán)節(jié)的可靠性，探討系統(tǒng)維護過程中需要注意的問題。

1 設計條件

針對上海地鐵2號線的PSD系統(tǒng)車-地雙向通信的業(yè)務需求進行系統(tǒng)設計，設計目標是實現(xiàn)列車在進站停車過程中，車-地之間可以建立穩(wěn)定的WLAN傳輸信道，在列車停準、停穩(wěn)后，通過本系統(tǒng)能實時傳輸ATC和聯(lián)鎖之間的PSD相關的控制指令和狀態(tài)信息等，實現(xiàn)PSD與車門同步聯(lián)動、自動開門、自動關門功能。與本系統(tǒng)相連的設備:車載ATC(列車自動控制)、軌旁聯(lián)鎖、屏蔽門控制系統(tǒng)。為本系統(tǒng)所提供的接口均為RS-422，應用層業(yè)務實體之間信息流的關系:

PSD控制器←→聯(lián)鎖←→車載ATC。

2 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)采用 IEEE 802.11g標準，設備符合OFDM調制方式，工作頻段為2.4 GHz，理論上最高傳輸速率為54 Mb/s。系統(tǒng)構成可分為:軌旁數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、車-地無線傳輸子系統(tǒng)和接口適配3部分，如圖1所示。

2.1 軌旁數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

每個信號設備集中站，設計2臺互為主/備的高性能工業(yè)以太網(wǎng)交換機，交換機型號為PT-7828，支持私有的Turbo Ring。當網(wǎng)絡組件或線路發(fā)生錯誤或中斷時，系統(tǒng)恢復時間＜20 ms(20個網(wǎng)絡節(jié)點)，是目前最快速的工業(yè)以太網(wǎng)冗余環(huán)網(wǎng)。交換機已通過KEMA認證，符合NEMATS2和EN50121-4標準。

子系統(tǒng)主要傳輸ATS(列車自動監(jiān)控))信息、軌旁鄰站聯(lián)鎖信息。由于網(wǎng)絡資源足夠，軌旁PSD系統(tǒng)信息也承載在該網(wǎng)絡上，與其他子系統(tǒng)共享軌旁數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡資源，不再另外購置設備。

圖1 車-地無線傳輸子系統(tǒng)示意圖

2.2 車-地無線傳輸子系統(tǒng)

屏蔽門系統(tǒng)只在站臺設置，所以軌旁AP(接入點)設備的無線信號覆蓋整個站臺即可，軌旁AP工作模式為Fit模式。

車-地無線傳輸是實現(xiàn)PSD信息在軌旁和車載設備之間傳輸?shù)年P鍵。車輛運行時要在沿線所有車站?？?，車載MR(移動電臺)也需要隨著位置的變化，實現(xiàn)在不同站臺AP之間和同站臺不同AP之間的切換。整個漫游過程對業(yè)務信息是透明的，雖然提供連接服務的軌旁AP和車載MR發(fā)生了切換，但承載在其上的業(yè)務層的服務是不會中斷的。

當列車行駛到站臺區(qū)后，車載MR持續(xù)搜索來自軌旁AP的信令信息。在車輛進站停車過程中，MR可能同時探測到多個AP信號，只要滿足接入條件，MR就會同時與這些AP建立一主/多備的MESH鏈路，其中只有一個主鏈路處于Active狀態(tài)，通過該鏈路傳輸業(yè)務信息，其他的鏈路處于Dormant狀態(tài)。

本系統(tǒng)設計中，車載MR與軌旁AP均選用定向天線。

2.3 接口適配

按照目前的業(yè)務需求，系統(tǒng)涉及車載ATC接口、軌旁與聯(lián)鎖接口、聯(lián)鎖與屏蔽門接口?？紤]到未來的需求，預留車載、軌旁和控制中心10/100 Mb/s端口各1個。車載MR與車載ATC的接口如圖2所示。軌旁聯(lián)鎖與軌旁交換機的接口圖3所示。

3 可靠性設計

從運行安全的角度講，PSD系統(tǒng)是ATP(自動列車防護)功能的一部分，屬于列車運行控制系統(tǒng)最為核心的安全子系統(tǒng)，系統(tǒng)設計時必須把系統(tǒng)的安全性、可靠性放在首位。本系統(tǒng)的安全設計主要體現(xiàn)在傳輸層和業(yè)務層。

3.1 傳輸層可靠性

1.軌旁不同AP之間實現(xiàn)主/備冗余。如圖1所示，站臺上、下行軌道每端都設有1臺AP，站臺同一端的2臺AP互為主/備。正常狀態(tài)下，MR會與相鄰端的上下行2個AP同時建立主/備MESH鏈路，一旦主鏈路有問題，MR自動將備用鏈路升為主鏈路，保持車-地之間通信信道的連貫性，保證業(yè)務信息在傳輸過程中不會中斷。因此保證MR在主/備AP之間的切換，是系統(tǒng)可靠性設計的關鍵環(huán)節(jié)。

2.不同AC之間實現(xiàn)主/備冗余?？刂浦行牡?臺AC完全獨立，任何一個AC故障均不影響另一個AC和其注冊的軌旁AP的工作。需要明確的是，AP與MR之間用于PSD的業(yè)務信息是無法到達AC的，該信息僅限于本聯(lián)鎖區(qū)段內(nèi)。

3.軌旁數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡之間實現(xiàn)主/備冗余。軌旁2個主/備數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡完全獨立，AP是通過軌旁數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡連接到AC。正常的工作狀況下，一個數(shù)據(jù)傳輸設備發(fā)生故障不影響另一個數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡上的AC、AP和其上承載的業(yè)務。

4.不同業(yè)務之間的信息隔離處理。由于軌旁數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡承載不同的業(yè)務信息，有必要把不同的業(yè)務通過VLAN進行隔離，為業(yè)務層提供一個干凈的傳輸信道，避免不同業(yè)務信息相互影響，保證信息傳輸?shù)陌踩?、可靠性。VLAN劃分:VLAN1用于傳輸ATS和鄰站聯(lián)鎖信息;VLAN2用于軌旁AP和AC之間的管理信息傳輸;VLAN3用于在車載ATC、軌旁聯(lián)鎖之間傳輸本地PSD業(yè)務信息，本信息僅存在于本聯(lián)鎖區(qū)段;預留的接口可根據(jù)業(yè)務種類劃分到不同的業(yè)務VLAN。

3.2 業(yè)務層可靠性

不同的業(yè)務對可靠性和實時性需求是不同的，對于PSD控制業(yè)務，一旦車輛進站停車，軌旁AP與車載MR建立通信之后，軌旁聯(lián)鎖就會嘗試與車載ATC進行連接，通過一系列的握手、認證之后，便可建立承載在WLAN傳輸信道之上的安全邏輯信道，專門用于本業(yè)務不同邏輯實體之間的信息傳輸。

3.3 切換過程分析

MR如何在不同AP之間切換，如何提高MR的切換質量，確保上層業(yè)務信息在無線傳輸環(huán)節(jié)的連續(xù)性、完整性，是系統(tǒng)設計中需要解決的核心問題。問題1，信號過弱，雖然MR可能與AP之間建立通信鏈路，但鏈路通常很難保證通信質量和有效帶寬。問題2，列車進站停車過程MR需在不同AP之間進行切換，切換過程原則上越少越好，但實際與理想有較大差距，尤其是隧道環(huán)境。問題3，車載MR在軌旁主/備AP之間的切換過程需要一定的時間，只要切換速度足夠快，上層的業(yè)務數(shù)據(jù)不會覺察到無線鏈路在主/備之間的切換，也不會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

針對問題1和2，可以通過MR在不同AP之間的切換過程分析解決，如圖4所示。

圖4 MR在不同AP之間的切換過程

車載MR在進站停車過程中，首先與AP3(或AP4)建立MESH鏈路，隨著車輛駛入站臺停車位，AP3相對MR而言信號強度將逐漸減小，特別是在隧道環(huán)境下，由于車體巨大的屏蔽作用，進入站臺后MR、AP3信號衰落過程將變得非常明顯，一旦AP3的值或MR的值衰減到低于V1接入閾值(見圖4)，AP3與MR之間先前建立的MESH鏈路將終止，而在中斷之前，前面2個AP1和AP2的信號將越來越強。

在V2=0狀態(tài)時，理想的情況下MR在AP3/AP2，AP2/AP1之間會切換2次，理想中的切換位置見圖4中的C0和C1，但實際情況下，由于運行現(xiàn)場的環(huán)境比較復雜，通常不止2次，嚴重的情況下甚至出現(xiàn)來回切換的情況。這種頻繁切換將嚴重影響系統(tǒng)的通信質量，容易造成業(yè)務數(shù)據(jù)丟失或中斷。

只要V2設置合理，基本上可以確保列車在進站停車過程中，鏈路僅切換一次。以本工程為例，由于站臺兩端的AP1/AP2(AP3/AP4)之間的信號強度懸殊不是很大，將V2設置為15 dBm，基本就可以保證MR不會在AP1/AP2之間隨意切換。

對于接入閾值參數(shù)，由于本工程中車-地之間的PSD控制信息需求的帶寬很小，而且站臺兩端的AP間距不是很大，大約250～300 m;對列車實際運行現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，除了個別業(yè)務的信號比較強，大都是比較小的雜亂信息，包括乘客隨身攜帶的2.4 GHz頻段的設備，這些信號一般小于－85 dBm，因此將接入閾值設置為－80 dBm。實際應用中，這個值的設定還依賴于業(yè)務對帶寬的需求和現(xiàn)場設備無線覆蓋情況，不同設備廠商提供的參數(shù)也不盡相同，比如，本工程中所采用的設備提供參考數(shù)值分別為:－72 dBm/54 Mb/s， －91 dBm/6 Mb/s。

對于問題3，主/備鏈路之間切換的時間決定系統(tǒng)的丟包率、誤碼率，嚴重時甚至導致通信中斷。由于該指標主要與設備自身的實現(xiàn)方式有關，通常無法直接從工程的角度解決，因此工程設計之初，需要根據(jù)實際業(yè)務需求對該指標進行控制。設備廠家提供的相關指標只能作為參考，最終決定系統(tǒng)可靠性的是業(yè)務實體之間端到端之間的時延，因此，需要結合工程實際進行現(xiàn)場測試和評估。

4 運維需要注意的問題

2.4 GHz作為開放頻段，802.11 g共13個信道，無重疊的信道只有3個 (1，6，11)，其他信道使用的頻率相互重疊，存在相互干擾問題。從列車運行現(xiàn)場監(jiān)測到的實際情況看，軌旁雖然已存在不同信道的應用，但都沒有發(fā)現(xiàn)因為相鄰信道干擾而引起車-地傳輸中斷現(xiàn)象。雖然如此，但為安全起見，地鐵運營管理部門應該規(guī)范地鐵運行現(xiàn)場2.4 GHz頻段的應用情況。對于有車-地通信需求的相關業(yè)務，可以考慮在不影響既有業(yè)務正常運營的情況下使用預留的通信接口或使用富余的帶寬信道，以達到資源共享的目的。

由于WLAN在車-地通信系統(tǒng)中屬于比較新的應用，需要系統(tǒng)設計人員和運維人員，在運維工作過程中及時溝通、總結，并對運維過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行跟蹤研究，不斷提高系統(tǒng)的可用性。

本系統(tǒng)采用WLAN無線局域網(wǎng)技術，解決了列車在進站停車過程中PSD系統(tǒng)對車-地雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。投入使用半年多來，運營狀態(tài)良好，滿足了用戶的實際需求，也為公司后續(xù)CBTC開發(fā)和建設積累了豐富的設計、開通和維護經(jīng)驗。

[1]劉靖.PIS移動寬帶傳輸網(wǎng)建設與思考[J］.鐵道通信信號，2010，6.

[2]劉曉娟.城市軌道交通智能控制系統(tǒng)[M］.北京:中國鐵道出版社，2008.81.

[3]Matthew S.Gast.802.11 Wireless Networks:The Definitive Guide，Second Edition[M］.O＇Reilly.