城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)性能評估平臺的研究與實現(xiàn)

廖志斌，王 海，龍廣錢，陳啟新

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081;2.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081; 3.廣州地鐵集團有限公司，廣州 510330)

0 引言

目前基于無線通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)是城市軌道交通信號系統(tǒng)的主要制式，它利用雙向高速的車地無線通信技術傳遞信號控制信息，以此實現(xiàn)移動閉塞[1-2]。連續(xù)的通信是列車運行的基本要求，車地無線通信系統(tǒng)的性能是CBTC系統(tǒng)的重要能力之一。因此，車地無線通信系統(tǒng)的性能評估是一個具有重要意義的研究問題。

目前，地鐵民用通信和CBTC專網通信共同存在于城市軌道交通建設中[3-5]。不少研究表明[6-7]LTE與WLAN頻段相鄰，會造成WLAN的阻塞干擾。岳開棟[8]研究表明多網多載波合路后，其無源器件因信源設備不斷疊加，功率容限要求更高，系統(tǒng)內部和系統(tǒng)之間也將產生干擾。這些干擾均會對車地無線通信系統(tǒng)的性能產生重大影響。

除了干擾這些外部環(huán)境因素，無線通信系統(tǒng)中設備本身的特點和性能參數(shù)也對對車地無線通信系統(tǒng)的性能產生影響。

車地無線通信系統(tǒng)中列車接入單元通過軌旁線性覆蓋的無線信號接入到無線網絡，其中無線通信的覆蓋由按照線性部署的無線接入點產生。列車接入單元在運行過程中不斷連接運行前方的無線接入點，產生高頻次的切換，并且，無線接入點的設備類型和傳輸介質也影響著列車無線通信單元在不同無線環(huán)境下的切換算法和切換參數(shù)[9]。以上問題均對車地無線通信系統(tǒng)的性能起到重大的影響。如何能在實驗室進行真實有效，并且兼顧所有切換場景以及干擾環(huán)境的性能評估成為一個具有重要意義的研究問題。

通過分析城市軌道交通無線環(huán)境特點，利用半實物仿真，模擬無線傳輸信道，結合干擾信號源模擬不同的干擾環(huán)境，設計實現(xiàn)了一個城市軌道交通車地無線通信性能的評估平臺。該評估平臺兼顧無線接入終端的不同切換場景和干擾場景，對車地無線通信系統(tǒng)做出量化分析，較好地評估了車地無線通信在不同干擾場景和不同移動速度場景下的性能。

1 平臺搭建

平臺通過對CBTC無線通信系統(tǒng)在信號干擾和切換環(huán)境下的網絡通信性能表現(xiàn)，對其車地無線通信系統(tǒng)的性能提供評估手段。平臺搭建如圖1所示，包括中心控制臺作為交互控制平臺，控制整個平臺的運行；信號發(fā)生器、信道仿真單元、車載模擬單元、地面模擬單元均受中心控制臺控制；列車接入單元自動完成對無線通信網絡接入。

圖1 城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)性能評估平臺

其中，信號發(fā)生器按照無線通信中對干擾信號的測試需求，模擬不同的干擾。信道仿真單元將無線通信系統(tǒng)的信號經過控制整合，以時間為單位輸出不同強度信號，模擬列車行進過程中信號強度變化。列車模擬單元模擬車載設備，將測試數(shù)據(jù)經由有線網絡，通過列車接入單元，通過無線通信系統(tǒng)到地面模擬單元，模擬CBTC數(shù)據(jù)從車載到地面的傳輸過程。地到車經過反向路徑回到車載模擬單元,完成統(tǒng)計分析。

2 信道模型

城市軌道交通的信道模型是一個線性覆蓋模型，利用無線信號在空間的路徑損耗和多徑衰落的公式可對矩形隧道損耗衰落信道進行仿真[10]。當前軌道交通中無線網絡的建設以天線和漏泄同軸電纜為主。根據(jù)城市軌道交通CBTC無線通信系統(tǒng)的鋪設方式，采用既有的信號衰減模型和實際測試的信號強度數(shù)據(jù)，利用工程經驗得到當前經典傳輸模型中的參數(shù)。根據(jù)該參數(shù)形成無線通信網絡的線性模型，構建信道切換場景，模擬列車運行過程中多個無線接入點的無線信號強度變化過程。

2.1 定向天線傳輸方式建模

定向天線無線信號的終端接收信號強度預算公式如下：

Pr=Pt+Gt-Lp+Gr-Lc

其中:Pr為終端設備接收功率，Pt為無線基站發(fā)射功率，Gt為無線基站天線增益；Lp為路徑損耗；Gr為終端設備天線增益；Lc為綜合損耗。

其中:c為光速，3*108m/s,f(Hz)為傳輸頻率，d(m)為傳輸距離。定向天線模式下，覆蓋區(qū)域的場景和相應覆蓋如圖2所示。定向天線覆蓋的測量值和理論值對比如圖3所示。

圖2 定向天線信號強度示意圖

圖3 定向天線信號強度實際測試圖

2.2 漏泄同軸電纜傳輸方式建模

漏泄同軸電纜無線信號的終端接收信號強度預算公式如下：

Pr=Pt-Lp+Gr-LRF-Ls

其中：Pr為終端設備接收功率；Pt為無線基站發(fā)射功率；Lp為漏泄同軸電纜路徑損耗；Gr為終端設備天線增益；LRF為射頻分路設備損耗；Ls為終端設備接收電纜損耗。

漏泄同軸電纜傳播路徑損耗公式如下：

Lp=Lc+L1

Lc為耦合損耗；L1為每百米傳輸損耗。漏泄電纜模式下，覆蓋區(qū)域的場景和相應覆蓋示意圖4所示。

實際中城市軌道交通中采用漏泄電纜覆蓋模式的測量值和理論值對比如圖5所示。

圖4 漏泄同軸電纜信號強度示意圖

圖5 漏泄同軸電纜信號強度實際測試圖

基于上述理論值與測試值，為信號強度值的波動進行建模設計軟件，利用信道仿真單元根據(jù)實際場景選擇信道衰落算法控制信號源動態(tài)衰減。模擬接入單元將根據(jù)接收到的信號源信號發(fā)生切換，模擬出列車在不同的速度下的無線切換。

2.3 干擾信號模擬

干擾一般分為同頻干擾和鄰頻干擾。同頻干擾指通信網絡內部的兩個以上信號源,同時處于同頻發(fā)射狀態(tài)時所產生的對工作在該頻率上的接收設備的干擾。鄰頻干擾是指相鄰頻段信號的邊頻分量落入接收機工作頻段的通帶內而造成的干擾。鄰頻干擾需要模擬出實際軌道交通中可能存在的不同種類的信號，包括GSM，CDMA，LTE等。

城市軌道交通的WIFI系統(tǒng)使用2.4 GHz頻段，該頻段屬于開放頻段，智能手機等設備均可工作在該頻段，因此干擾源多。比如，城市軌道交通的LTE-M系統(tǒng)使用1 785～1 805 MHz頻段，緊鄰運營商頻段。在新建軌道交通線路中，一般會與民用通信同時部署開通，不可避免地會產生干擾。

根據(jù)現(xiàn)有移動、聯(lián)通、電信等運營商的通信制式和WIFI制式，利用信號發(fā)生器作為干擾源，驗證這些干擾下車載終端傳輸質量和傳輸速率的變化，具有重要的現(xiàn)實意義。

3 軟件設計

軟件系統(tǒng)包含6個部分，中心控制臺、地面模擬單元、信道仿真單元、干擾信號模擬單元、列車接入單元和車載模擬單元。其中，中心控制臺實現(xiàn)對地面模擬單元、信道仿真單元、干擾信號模擬單元和車載模擬單元的控制；列車接入單元無需中心控制臺進行控制，可自動完成入網切換和傳輸數(shù)據(jù)；地面模擬單元為CBTC數(shù)據(jù)測試提供數(shù)據(jù)回傳功能；信道仿真單元控制信道仿真單元按照信號衰落模型輸出不同步的兩個周期信號，模擬列車在實際線路運行時收到的無線信號；干擾信號模擬單元根據(jù)測試方案，進行同頻干擾、鄰頻干擾信號的產生；車載仿真單元和地面仿真單元經過無線網絡進行數(shù)據(jù)通信，統(tǒng)計丟包、時延和切換性能。具體結構如圖6所示。

仿真的CBTC數(shù)據(jù)流向如圖6所示，車載模擬單元通過有線接口將CBTC數(shù)據(jù)發(fā)送至列車接入單元，列車接入單元將數(shù)據(jù)通過無線信道將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面模擬單元，經過處理后，CBTC數(shù)據(jù)按照相反方向回到車載模擬單元進行統(tǒng)計和分析。

統(tǒng)計分析過程利用滑動窗用來解決實時平均時延的計算問題，該方法有利于將計算時間分散到每次增加數(shù)據(jù)過程當中，避免造成數(shù)據(jù)堆積和計算時間長的問題。實時時延計算方法如下，定義為接收到的數(shù)據(jù)個數(shù)，Dc為當前時延，Dp為滑動窗最開始的數(shù)據(jù)的時延，m為滑動窗長度。Davg為平均時延Davg_m為滑動窗長度的最近時延。

圖6 軟件架構圖

丟包統(tǒng)計方法為在車載模擬單元端，每個數(shù)據(jù)包均帶有數(shù)據(jù)包序列號，利用數(shù)據(jù)包的序列的連續(xù)性，判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)生丟失。

各個仿真單元的實現(xiàn)說明如下：

1)地面模擬單元：

(1)客戶端信息接收處理：接收帶有編碼序列的測試數(shù)據(jù)包信息，并對數(shù)據(jù)進行回傳。

(2)消息接收數(shù)據(jù)管理單元：進行數(shù)據(jù)的接收存儲和顯示管理。

(3)定時刷新顯示界面：根據(jù)數(shù)據(jù)管理單元的管理指針獲取未顯示信息并顯示到界面。

2)信道仿真單元：

(1)信道模擬：根據(jù)信道模型，計算并控制通過該信道的無線信號的發(fā)射強度，滿足實際線路中的覆蓋模型。

(2)動態(tài)模擬：為了能夠模擬列車在不同速度情況下的通信性能，結合無線接入點/小區(qū)覆蓋距離計算周期時間和信道模型之間的相位差，形成交叉覆蓋的無線覆蓋場景模型。

3)干擾信號模擬單元：

干擾信號發(fā)生：根據(jù)頻點、頻寬和發(fā)射強度控制信號發(fā)生器模擬該干擾信號。

4)列車接入單元：

(1)無線信息查詢：查詢模擬接入單元的無線信號強度、無線接入點MAC地址/小區(qū)號的信息和位置信息等，周期性發(fā)送給車載模擬單元。

(2)數(shù)據(jù)傳輸：接收車載模擬單元的數(shù)據(jù)并傳遞給地面模擬單元；接收地面模擬單元的數(shù)據(jù)傳遞給車載模擬單元。

5)車載模擬單元：

(1)定時刷新顯示界面：采用定時刷新的方法，將多個數(shù)據(jù)處理進行周期型處理。降低界面刷新頻率，降低界面線程工作強度，確保程序的可靠性。

(2)服務器回傳信息接收和處理：用于接收服務器回傳的信息，并將數(shù)據(jù)進行緩存，是測試結果的分析數(shù)據(jù)源。

(3)監(jiān)測信息接收和處理：用于接收車載模擬單元發(fā)送的自定義詳細，此自定義消息為可變消息結構，可包含設備的信號強度信息和關聯(lián)的無線接入點的MAC地址/小區(qū)號。當該系統(tǒng)應用于實際線路測試時，還將增加位置信息，進行故障點定位。

(4)編碼序號報信息發(fā)送：該模塊為測試數(shù)據(jù)的生成模塊，每個數(shù)據(jù)包包含有4個保存序號的字節(jié)，序號將按照間隔為1的升序方法編寫；同時在該數(shù)據(jù)中根據(jù)CBTC系統(tǒng)列車數(shù)據(jù)的傳輸格式，構造并模擬CBTC數(shù)據(jù)，使測試能夠應用于實際線路的測試。

(5)信息池：用于緩沖由無線網口接收到的數(shù)據(jù)，利用兩個緩沖區(qū)接收同一個端口的數(shù)據(jù)，將接收和處理進行分離，提高效率。

(6)信息存儲表：用于實時顯示模擬接入單元的信號強度、無線接入點MAC地址/小區(qū)號的信息和位置信息等，用于分析信號強度和切換；在實際線路測試時將提供位置信息。

(7)回傳數(shù)據(jù)接收管理單元：利用回傳的數(shù)據(jù)包，對實時丟包率、總丟包率、實時平均時延、總平均時延及最大中斷時間等指標進行計算。

4 實驗結果與分析

測試示例通信系統(tǒng)使用IEEE802.11標準的WLAN技術，工作頻段為2.4 GHz，兩個AP均工作于1信道，采用漏泄同軸電纜模式，模擬場景參考圖4。

測試時，無線AP的信號首先接入無線信道仿真單元，然后通過合路器接入到同一根饋線中，饋線終端放置天線。列車接入模擬單元的天線與饋線終端的天線相隔約2米，可忽略該空間損耗。參數(shù)如表1所示。

表1 無線信道的參數(shù)

無線AP的信號強度通過信道仿真單元周期性設置衰減量模擬漏泄同軸電纜的百米損耗L1，兩個AP設備的信號通道的信號強度相差半個周期。

選擇AP的仿真間隔為400 m，列車行進速度為70 km/h，那么信道仿真單元對信道衰減的控制周期為21 s。

測試統(tǒng)一采用100 ms為周期每次500 byte的速率進行測試，測試方向為雙向測試。其中兩個屬于同一SSID下的AP經過信道仿真單元發(fā)射無線信號。兩個AP被列車接入單元接收到的信號強度均約為-53 dB。

為了探究信號干擾對該通信場景的影響，分別進行了無干擾、同頻干擾和鄰頻干擾測試。

同頻率干擾的頻點為2 412 MHz，干擾頻寬為22 MHz，干擾源的發(fā)射強度為20 dBm，此時列車接入單元接收到該干擾的強度為-90 dB。

鄰頻干擾的頻點為2 350 MHz，干擾頻寬為20 MHz，干擾源的發(fā)射強度為20 dBm，模擬移動公司的TDD-LTE(E)2325～2370 M頻段信號。

其中，干擾源均采用全向天線發(fā)射信號，WLAN的有效信號由平板天線發(fā)射，列車接入單元利用單向天線進行信號接收。

表2 干擾測試結果

測試統(tǒng)計結果如表2所示。其中時延是指雙程傳輸時延。最大中斷時間為列車接入單元連續(xù)接收到的兩個數(shù)據(jù)包時間差的最大值。通過測試結果可以看到，干擾對平均時延的影響比較小，但是對最大時延具有很大的影響。同頻干擾的情況下最大時延為497 ms，而無干擾情況下僅為39 ms。對于最大連續(xù)丟包，僅同頻干擾會造成長時間通信中斷。從丟包率看，同頻干擾情況下達到了24.56%，且相應的最大中斷時間為17.7 s，已經無法正常通信；鄰頻率干擾情況下丟包率提高了3.62%，最大中斷時間為400 ms，對通信性能有較大的影響。從結果中可以看到，在運營公司不采取相應措施的情況下，城市軌道交通中鋪設民用WLAN和LTE網絡可能影響CBTC的數(shù)據(jù)傳輸，因此在開通前有必要進行干擾測試。

5 結束語

該城市軌道交通車地無線通信系統(tǒng)性能評估平臺首先利用半實物仿真，構建無線通信系統(tǒng)和干擾環(huán)境；然后模擬真實的CBTC下的數(shù)據(jù)仿真，對車地無線通信數(shù)據(jù)在不同干擾場景和不同切換頻率的場景下進行了傳輸時延、丟包率等指標的測量，定量分析了無線通信系統(tǒng)的性能。在測試示例中顯示，該平臺對車地無線通信系統(tǒng)在干擾場景下的性能劣于非干擾場景；從結果看，該平臺能夠評估城市軌道交通的車地無線通信系統(tǒng)在不同場景下的性能，對城市軌道交通的車地無線通信系統(tǒng)的建設和運營具有重要的意義。