基于WLAN的車地?zé)o線覆蓋優(yōu)化分析

摘要：目前城市軌道交通信號系統(tǒng)一般采用WLAN技術(shù)來承載CBTC（基于通信的列車控制，Communication Based TrainControl）車地?zé)o線傳輸。WLAN技術(shù)并不是為移動環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸所設(shè)計(jì)的，用其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（Data Communica-tions Subsystem，DCS）時(shí)車地?zé)o線存在干擾嚴(yán)重、切換時(shí)延過大等缺陷。既有線路許多已采用基于WLAN技術(shù)的DCS方案，并采用車載雙天線無縫切換方案、全線規(guī)劃布置交叉雙網(wǎng)的軌旁基站與列車通信的傳統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)化。然而因傳輸和線路問題，實(shí)際運(yùn)營中仍然發(fā)現(xiàn)無線場強(qiáng)覆蓋存在弱場、干擾嚴(yán)重等問題。該文分析其形成原因，據(jù)此提出相應(yīng)無線覆蓋優(yōu)化解決措施。

關(guān)鍵詞：軌道交通;無線通信;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化;解決措施

中圖分類號：TN607 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）19-0040-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

目前車地?zé)o線通信普遍采用基于IEEE 802.11的WLAN（無線局域網(wǎng)）技術(shù)，一般采用的2.4G頻段或5.8G頻段，窄帶寬，信號覆蓋不均勻。該技術(shù)存在頻點(diǎn)干擾嚴(yán)重，公共頻帶干擾嚴(yán)重、高速性能瓶頸等重要缺陷。目前存在乒乓切換、列車頻繁切換基站、無線信號不連續(xù)、信號強(qiáng)度下降、信號干擾等問題。這些問題會造成通信中斷，列車區(qū)間EB。針對這些問題，本文對無線傳輸過程和場強(qiáng)覆蓋進(jìn)行理論分析，并提出網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化解決措施。

1 車地?zé)o線通信原理

DCS無線網(wǎng)絡(luò)用于承載車載和軌旁CBTC系統(tǒng)間信號數(shù)據(jù)流的通信，它由位于軌旁基站、車載無線天線、車載無線調(diào)制解調(diào)器組成，一般采用雙網(wǎng)冗余通信。

DCS無線系統(tǒng)能在列車沿軌道運(yùn)行過程中為車載和軌旁系統(tǒng)提供連續(xù)的通信連接。線路上每300米設(shè)置一個(gè)軌旁無線基站。在某個(gè)無線單元信號覆蓋范圍內(nèi)，車載調(diào)制解調(diào)器接人該基站，在兩個(gè)基站的重疊區(qū)域，列車會進(jìn)行越區(qū)切換。

軌旁無線基站主要有兩套無線調(diào)制解調(diào)器、電源轉(zhuǎn)換器、光電轉(zhuǎn)換器組成，以實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)冗余通信。兩套無線調(diào)制解調(diào)器連接到各自的功分器上，功分器連接到定向天線上用于傳輸射頻（RF）信號，具體的傳輸工程如下：

（1）信號發(fā)射過程：光信號由室內(nèi)交換機(jī)端通過光纖傳至軌旁基站，通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制為適合空間傳輸?shù)纳漕l信號，通過功分器將該射頻信號分為兩路相同的信號，分別由饋線連至天線增益后發(fā)射該信號，與車載無線設(shè)備通信。

（2）信號接受過程是發(fā)射的逆過程，將通過天線接收信號，再由車載調(diào)制解調(diào)器解析信號。

（3）越區(qū)切換過程：與下一個(gè)基站建立連接的過程，目前基本采用硬切換的方式，當(dāng)移動節(jié)點(diǎn)連接到新時(shí)，首先需斷開與當(dāng)前的連接，會導(dǎo)致系統(tǒng)通信的中斷，不能實(shí)現(xiàn)無縫切換。

2 場強(qiáng)覆蓋分析

2.1 場強(qiáng)覆蓋規(guī)劃

理論上采用自由空間無線傳播方式，在傳輸距離達(dá)到400米時(shí)，車載無線modem仍有30dB左右的鏈路余量。如下表所示，從軌旁基站到車載modem之間的場強(qiáng)規(guī)劃。其中傳輸功率、功分器衰減、天線增益、接收靈敏度都是設(shè)定值，自由空間損耗、饋線系統(tǒng)衰減、天線角度是變量，這些環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題會導(dǎo)致弱場現(xiàn)象。

饋線系統(tǒng)衰減、天線角度造成的衰減暫時(shí)無法計(jì)算，可以優(yōu)化。路徑損耗原理如下：電磁波傳播介質(zhì)主要有自由空間、波導(dǎo)管、漏泄電纜3種。因城市軌道交通一般在隧道中，本文可選取電磁波在自由空間中傳播的情況進(jìn)行分析，則路徑損耗為

Ls=-27.56+20lgf+20lgd

d是列車與當(dāng)前關(guān)聯(lián)TRE的距離;f是信號頻率2.4MHz。隨著列車運(yùn)行，路徑損耗與距離成正比，信號強(qiáng)度與距離成反比。

2.2 場強(qiáng)覆蓋優(yōu)化方法分析

無線系統(tǒng)場強(qiáng)優(yōu)化調(diào)整方法有：（1）調(diào)整發(fā)射功率;（2）調(diào)整接收器靈敏度;（3）提高系統(tǒng)抗干擾能力;（4）調(diào)整發(fā)射/接收天線的增益。

基于WLAN的無線通信系統(tǒng)采用2.4GHZ的雙頻窄帶系統(tǒng)，采用窄帶傳輸所以系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是降低了通信質(zhì)量。發(fā)射和接收采用高增益定向天線傳輸，增益量為14DBi，無須調(diào)整。提高接收器的接收靈敏度能夠增加接收機(jī)最低接收場強(qiáng)，但會影響越區(qū)切換過程，調(diào)整后容易造成乒乓切換。因此優(yōu)化通信傳輸距離和信號強(qiáng)度的方法主要為調(diào)節(jié)發(fā)射功率，優(yōu)化弱場強(qiáng)場區(qū)域的發(fā)射功率，但要注意調(diào)整后不得干擾鄰區(qū)通信。

優(yōu)化還需考慮移動無線環(huán)境（射頻信號在隧道內(nèi)的衰減非常迅速）、天線高度以及傳播情況（例如反射、繞射、散射）。因此網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化還需勘探現(xiàn)場環(huán)境，調(diào)整天線角度和高度。

3 目前車地?zé)o線通信存在的問題及應(yīng)對之策

3.1 無線信號覆蓋存在的問題

實(shí)際運(yùn)營中發(fā)現(xiàn)這種越區(qū)切換方式會造成以下問題：

（1）基站切換前（后）出現(xiàn)中斷或者頻繁信號中斷現(xiàn)象

在觸發(fā)越區(qū)切換后，車頭開始向目標(biāo)基站進(jìn)行切換操作。在車載modem與原基站斷開連接，到與目標(biāo)基站建立連接的過程中，會出現(xiàn)車輛與地面的通信時(shí)延現(xiàn)象。如果多次切換都無法成功接人目標(biāo)基站，若車地通信出現(xiàn)時(shí)間間隔大于5s的通信超時(shí)會觸發(fā)列車緊急制動。

自切換單次中斷時(shí)間不大于SS就不會引起列車EB，但是多次出現(xiàn)切換中斷則會造成通信異常。當(dāng)掃描到目標(biāo)后，移動節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)之間需通過認(rèn)證及重關(guān)聯(lián)過程后才開始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。從開始切換到與目標(biāo)完成重關(guān)聯(lián)操作之間有一段延遲。這時(shí)如果信道突然惡化，就會造成當(dāng)前與之間的信號質(zhì)量急劇降低，從而導(dǎo)致與目標(biāo)完成重關(guān)聯(lián)之前已不能通過當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，這樣通信就會中斷。

（2）某基站與該區(qū)段天線相連的RF電纜出現(xiàn)問題（損壞、進(jìn)水）

信號切換時(shí)出現(xiàn)場強(qiáng)覆蓋電平低于70dB，且有電平陡降現(xiàn)象，原因一般為區(qū)間基站天饋線連接頭松動或饋線電纜損壞導(dǎo)致輸出降低，場強(qiáng)覆蓋區(qū)弱場。

（3）出現(xiàn)頻繁切換基站的情況

由于城市軌道交通運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，導(dǎo)致信道變化較大，當(dāng)目標(biāo)小區(qū)的信號強(qiáng)度高于當(dāng)前小區(qū)時(shí)，就觸發(fā)越區(qū)切換。然而由于受到外界環(huán)境的干擾，某一時(shí)刻目標(biāo)小區(qū)的信號強(qiáng)度突然下降，就會切換回原小區(qū)。這樣就在目標(biāo)小區(qū)與原小區(qū)之間來回切換，導(dǎo)致“乒乓切換”。

（4）信號在區(qū)間某個(gè)位置收到外界干擾的情況

無線通信采用2.4G頻段中干擾較少的CHI和CHII兩個(gè)頻段，工作信道在2400-2483.5 MHz之間，以5 MHz間隔，調(diào)制解調(diào)器會接收到的其他2.4G無線干擾信號。2.4GHZ為公用頻率，無線信號藍(lán)牙等會對車地?zé)o線通信產(chǎn)生同頻干擾。

3.2 無線信號優(yōu)化方法

（1）調(diào)節(jié)天線的角度

車地通信采用定向天線，軌旁定向天線角度有問題會造成區(qū)間弱場，車載定向天線角度問題會導(dǎo)致該車多處TRE切換前后信號中斷等異常問題。若場強(qiáng)覆蓋分析發(fā)現(xiàn)多處TRE切換前后信號中斷或者異常情況時(shí)（其他列車均未出現(xiàn)該現(xiàn)象），優(yōu)先考慮是列車車載天線角度問題;若發(fā)現(xiàn)某處弱場，則考慮區(qū)間天線角度問題。

（2）調(diào)節(jié)軌旁基站的發(fā)射功率

調(diào)節(jié)軌旁基站的發(fā)射功率，增強(qiáng)弱場區(qū)域無線信號場強(qiáng)，降低強(qiáng)場區(qū)域功率值，這樣可以優(yōu)化場強(qiáng)覆蓋，降低信號干擾，有效避免列車在軌旁基站之間頻繁切換、自切換、乒乓切換現(xiàn)象。

（3）排查無線鏈路

在無線鏈路環(huán)節(jié)，若某區(qū)域出現(xiàn)弱場，也應(yīng)對天饋系統(tǒng)的電纜接頭連接處、傳輸設(shè)備駐波比等情況排查。也會出現(xiàn)收光正常但是接收信號有問題的故障，需更換光電轉(zhuǎn)換器。因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換器出現(xiàn)問題，會造成接收和發(fā)送的信號弱或者無法傳輸和接收信號。

此外，信號從室內(nèi)交換機(jī)傳至室外基站，存在一定的光衰值，調(diào)整室內(nèi)交換機(jī)端的發(fā)光到合適的值，可以避免信號從交換機(jī)端到基站的衰減過大、信號弱的問題。

4 總結(jié)

本文分析了基于WLAN的車地?zé)o線通信系統(tǒng)的信號傳輸方式和原理，車地通信質(zhì)量的關(guān)鍵在于軌旁基站場強(qiáng)覆蓋是否分布均勻。為了減少實(shí)際運(yùn)營存在的弱場干擾現(xiàn)象，根據(jù)無線傳輸?shù)睦碚撎岢隽苏{(diào)整問題區(qū)域的基站功率的方法。實(shí)際網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程發(fā)現(xiàn)上述方法有效解決了軌旁基站自切換、兵乓切換等問題，對降低列車區(qū)間EB的故障率、提高運(yùn)營安全性有積極作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]衣冠男.改進(jìn)無線通信弱場的技術(shù)方法[J]，中國新通信，2017，19（4）：43.

[2]劉其勇.試論無線場強(qiáng)覆蓋對CBTC列車運(yùn)行影響[J].住宅與房地產(chǎn)，2015（S1）：152.

[3]辛靜，基于lEEE802.lln的城市軌道交通車地通信研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2014.

[4]鐘飛.802.lln無線局域網(wǎng)技術(shù)在城市軌道交通高速車一地通信環(huán)境下的應(yīng)用研究[Dl.廣州：華南理工大學(xué)，2012.

【通聯(lián)編輯：代影】

收稿日期：2020-04-10

作者簡介：杜雅茹，女，單位：鄭州地鐵集團(tuán)運(yùn)營分公司，初級職稱，研究生學(xué)歷。