上海軌道交通2號線車站無線接入點信號強度分布問題研究

吳 磊 邵躍堂 楊明來*

(1.上海應用技術大學軌道交通學院，201418，上海；2.上海工程技術大學電子電氣工程學院，201620，上海//第一作者,碩士研究生)

無線通信目前已成為城市軌道交通領域車-地通信的主要方式，其通信的可靠性對城市軌道交通的安全起著至關重要的作用。近年來，我國普遍采用AP(接入點)設備作為節(jié)點組成的WLAN(無線局域網) Mesh網絡進行車地間的信息傳輸[1]，但由于AP設備存在可靠性和技術制式等方面的原因，經常會出現車地通信的異常情況，造成列車信號溝通不暢、聯動失效等問題，從而影響列車運行效率。本文以上海軌道交通2號線金科路站和張江高科站為工程背景，分析AP信號強度分布，找出其一般規(guī)律，并從場強角度分析AP設備易受干擾的原因，為分析通信故障提供參考。

1 車站AP信號強度測試方法

為保證測試條件的一致性，測試分有車和無車兩種情況。本文采用FLUKE Air Check儀器采集數據，每9 m為1個測試點，每個測試點在有車和無車兩種情況下至少測3組數據并取其平均值。

測量數據得到之后，采用Wireless Insite軟件進行建模，通過對比發(fā)現仿真數據和實測數據相吻合，從而驗證了模型的正確性。利用仿真車站模型AP場強空間的分布狀況，總結AP信號強度分布的一般性規(guī)律，分析信號強度較弱且設備通信容易受干擾的位置，為AP通信故障分析處理提供理論支持。

2 車站AP信號強度仿真分析

2.1 仿真模型

車站AP場強分布仿真如圖1所示。圖1中，AP場強分布顏色體現了信號強度的強弱，色度條數據顯示AP場強范圍為-98.9～-26.8 dBm。通過和實測數據對比，可知AP場強衰減趨勢一致，但數據存在偏差。

圖1 車站AP場強分布仿真圖

經過分析可知，仿真數據和實測數據存在偏差主要包括兩個原因：

(1) 模型誤差。在實際車站中存在的各種通信設備、復雜建筑結構以及人流都可以造成信號衰減，而仿真軟件難以還原如此復雜的通信環(huán)境。這將會導致仿真結果和實測結果無法完全吻合。

(2) 測試誤差。仿真圖顯示的是同一時刻下AP場強隨距離的分布趨勢，而在實際測試中各個點的場強并非同時測試，這也會導致數據存在誤差。針對模型誤差，本文在仿真車站模型中加入一些墻壁、鋼軌等“障礙物”，力求接近真實通信環(huán)境。針對測試誤差，在實際測量中每一個點需測試3組以上數據，并取其平均值，這樣可降低一定的誤差。通過修正模型，使仿真結果和測試結果相吻合。AP場強實測數據和仿真數據對比如圖2所示。

2.2 有車和無車兩種情況下AP信號強度分析

圖3為張江高科站上行線有車和無車兩種情況下AP信號強度的分布情況。由圖3可知，有車時站內AP信號強度比無車時會增大。經計算，無車時站內AP平均信號強度約為-76 dBm，有車時約為-71 dBm，有車時AP平均信號強度比無車時約提升5 dBm。這是由于AP和MR(移動廣播)進行報文傳輸前，會在公共信道進行一次“握手”，“握手”成功之后,為防止通信斷連，信號強度將會被加強。

2.3 車站和隧道中AP信號強度分析

車站和隧道AP場強仿真如圖4所示。由圖4可知,車站內AP信號強度衰減速度快于隧道，并且在同樣距離內，隧道AP信號強度高于車站。這是由于在客流以及車站復雜的環(huán)境下，AP場強衰落更劇烈，因此在車站中更容易發(fā)生通信故障[2]。為保證通信質量，在車站內兩AP距離應比隧道內更短。

a) AP場強實測數據

b) AP場強仿真數據

圖3 張江高科站上行線有車和無車時AP信號強度分布圖

圖4 車站和隧道AP場強仿真圖

2.4 場強疊加

金科路站和張江高科站站內AP疊加場強的分布情況如圖5所示。由圖5可知,兩AP間疊加信號強度成“馬鞍形”，AP場強變化趨勢符合交叉覆蓋的規(guī)律，列車進站時會尋找最大的AP信號進行通信連接。由于車站中部AP信號強度最低，則在該位置最有可能發(fā)生AP通信故障。經過計算，兩個車站AP場強重疊區(qū)的邊緣場強在-80 dBm以上，這樣就可以保證MR在兩AP間平順切換[3]。由圖5可知，在距離90 m處AP場強波動基本均位于-80 dBm之上， 所以在外界沒有大功率設備干擾通信的條件下，MR可在兩車站AP間平順切換且不會斷連，但不排除其中一個AP設備發(fā)生故障或者車站周圍存在大功率設備干擾信號而引起通信故障。

圖5 車站AP場強疊加分布圖

3 車站無線通信系統(tǒng)故障分析

目前，城市軌道交通無線通信大多采用2.4 GHz頻段，此頻段也是無線局域網、無線接入系統(tǒng)、藍牙技術設備、點對點或點對多點擴頻通信系統(tǒng)等各類無線電臺站的共用頻段[4]。因此，對無線通信系統(tǒng)造成干擾的主要是同頻干擾。而造成通信質量下降的主要原因是信噪比下降。信噪比下降包括兩個原因,分別為噪底抬升和飽和失真，因此在城市軌道交通車站內必須采取措施來防止噪底抬升和飽和失真的產生。

3.1 噪底抬升

噪底抬升原理如圖6所示。由圖6可知,正常情況下，由于基站信號功率較低，基站信號落入城市軌道交通通信工作頻段內的干擾噪聲信號功率亦較低，該通信工作頻段內信噪比良好，故通信可正常進行；基站增大發(fā)射信號功率時，帶來并落入到城市軌道交通通信系統(tǒng)工作頻段內的干擾噪聲信號功率較大，造成噪底抬升、信噪比惡化、通信異常甚至中斷的現象。

例如，在上海軌道交通11號線嘉定段沿線有很多通信基站，且相互之間距離較近，基站信號落入到城市軌道交通通信系統(tǒng)頻段內的功率很高，AP設備目標信號被基站信號湮沒，造成信噪比較差,且低于噪聲門限，甚至無法解調，導致AP時常出現通信故障、通信延時以及設備重啟，為列車運行帶來安全隱患。

a) 正常情況

b) 增大基站發(fā)射功率

3.2 飽和失真

通常情況下,射頻接收機接收到的信號功率都很小，接收機需要將接收到的射頻信號經過頻率變換(下變頻)和信號放大處理，并轉變?yōu)锳DC(模擬-數字轉換器)采樣電路需要的合適電壓范圍,因此接收機的接收鏈路具有移動的增益。這些增益在接收機中可以分布在RF(射頻)頻率部分及模擬基帶信號部分。假設接收機最大輸入電平為-50 dBm，在未加濾波器的情況下，接收機可接收到飽和失真的信號(見圖7)。

圖7 飽和失真原理圖

由圖7可知，由于基站發(fā)射過強的信號，接收機接收到的信號信噪比為7 dB>6 dB，理論上信號可以正確地進行解調，但由于接收機接收到的未經濾波器過濾的最大信號強度為-47 dBm，該值大于接收機的最大輸入信號強度(-50 dBm)，這樣接收機在處理信號的過程中會造成接收信號的失真，從而增加誤碼率[5]，使得車站內AP通信設備不能接收到完整且正確的信號，從而對車-地通信、AP-AP間的通信造成影響，存在一定的安全隱患。

4 車站無線通信系統(tǒng)故障解決措施

為減少AP信號誤碼率，以及提升信號強度，可從以下3個方面入手來保障車站無線通信系統(tǒng)的通信質量：①降低干擾源；②切斷干擾路徑；③合理布置AP位置。

4.1 降低干擾源

采取在基站側加裝濾波器來降低干擾源?；緜燃友b濾波器的原理是降低干擾源干擾的一種方式，這種降低干擾源的方式主要是為了降低由于基站發(fā)射機非線性產生的落入到2.4 GHz頻段內的干擾信號。

圖8為加裝濾波器和未加裝濾波器兩種情況下AP接收機接收到的信號在頻域上的示意。未加裝濾波器時，接收機接收到基站發(fā)送的信號如圖10 a)中的灰色頻譜所示，此時 2 400～2 420 MHz頻段內AP接收到的城市軌道交通控制信號的信噪比為5 dB<6 dB，無法進行解調；加裝濾波器后，接收機接收到的基站發(fā)送的信號如圖10 b)中的灰色頻譜所示，此時 2 400～2 420 MHz頻段內AP接收到的城市軌道交通控制信號信噪比為10 dB,該值小于6 dB，可以進行正常解調。

a) 未加裝濾波器

b) 加裝濾波器

4.2 切斷干擾路徑

考慮到部分方案實施可能會影響移動基站信號，從而對城市軌道交通通信系統(tǒng)造成影響，因此可從切斷干擾路徑的角度出發(fā)來對方案進行優(yōu)化，比如選擇屏蔽墻設計方案。

該方案在加裝屏蔽網之后，使得運行在屏蔽網中的通信系統(tǒng)的信道環(huán)境產生變化。這是由于站臺或者高架上固定AP發(fā)出的無線信號向四周發(fā)射時，遇到屏蔽網會產生反射，進而會造成無線信號從固定AP到達列車MR,或者從列車MR到達固定AP之間的路徑會有多條，即多徑效應。通常情況下多徑效應會使得同時從發(fā)射機發(fā)出的信號通過不同路徑到達接收機的時間不同，從而產生時延。如果時延過大，則晚到的信號會疊加到下一幀信號中，從而降低下一幀信號的信噪比。但是多徑效應對目前2號線通信系統(tǒng)的影響不大，主要原因如下:

(1) 屏蔽網屏蔽的空間較小，在固定AP與列車MR之間的多徑信道傳輸路徑段時延較??；

(2) 目前應用在2號線上的通信協(xié)議速率較低，僅有1 Mbit/s，因此幀與幀之間的時間間隔較大。

綜上所述，屏蔽網的加裝不會對城市軌道交通通信系統(tǒng)造成太大影響。

4.3 合理布置AP點位置

車站內AP通信要滿足最低接收水平[6]。根據規(guī)范要求，最低信號強度要高于-80 dBm。但為了防止車站內相鄰AP出現故障而影響到車-地通信，需要確保非相鄰的兩個AP留有足夠的信號余量。通常車站內相鄰AP的距離為170 m，非相鄰AP的最短距離約為340 m。圖3 b)中,兩AP間距離大于100 m時，一部分信號強度落到-80 dBm以下;當兩AP間距離為170 m時， AP場強會有較大幾率處于-80 dBm以下，這影響到了AP-AP之間的通信;當非相鄰的兩AP間距離為340 m時，AP場強落到-80 dBm以下，使得誤碼率偏大，導致通信延時，從而增大了列車事故幾率；當相鄰AP間距離為100 m，且其中一個AP發(fā)生故障，而非相鄰AP間距離為200 m，且在200 m內兩AP平均場強處于-80 dBm以上，這樣可保證較強的抗干擾能力以及良好的通信質量。

5 結語

本文仿真分析了上海軌道交通2號線車站內AP信號強度的變化趨勢，闡述了AP場強分布規(guī)律，解釋了較大波動幅度的信號強度對車-地通信的不利影響。當列車進站時，為保證車-地通信順暢，可提升AP信號強度，防止斷連影響列車運行。但如果車-地通信時AP未及時提升信號強度，導致通信不穩(wěn)定，列車和控制中心信息不能同步，極可能會影響列車正常運行。通過分析，發(fā)現張江高科站和金科路站AP的場強分布曲線變化趨勢均一致，證明車站內AP場強分布具有相似性，符合交叉覆蓋規(guī)律，列車進站時需優(yōu)先選擇信號最強的AP進行連接。測試了上海軌道交通2號線江蘇路站和婁山關路站等車站，發(fā)現均符合以上特點。根據無線通信的共性規(guī)律，由以上4站分析得到的場強規(guī)律均適用2號線；同時，采用相同通信機制的其他城市軌道交通車站內AP也同樣具有相同的場強分布規(guī)律。針對這些場強共性，從降低干擾源、切斷干擾路徑和合理布置AP位置等方面提出增強信號強度和保障通信質量的措施，這對其他車站的車-地通信故障分析和AP位置布置也具有參考意義。