淺談城市軌道交通車地通信質量的提升

陳志飛

目前，城市軌道交通信號系統(tǒng)大多采用CBTC系統(tǒng)。CBTC 系統(tǒng)是一個可提供理想追蹤間隔的移動閉塞系統(tǒng)，列車與軌旁設備通過無線通信系統(tǒng)交互移動授權限制、列車位置、軌旁設備狀態(tài)及其他ATS 相關操作命令等信息。車地無線通信質量將直接影響列車運行。本文以廣州地鐵21 號線為例，分析無線通信系統(tǒng)的故障原因，總結通信質量分析方法，提出故障處理和改善通信質量的措施。

1 無線通信系統(tǒng)結構

廣州地鐵21 號線采用泰雷茲Seltrac 無線通信系統(tǒng)，其DCS（數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)）分為有線傳輸和無線傳輸2 部分。

有線傳輸部分，包括ATP/AP/ATS 骨干網、網絡交換機、軌旁無線接入點等設備之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用IEEE 802.3 通信標準，通過Hirschmann交換機和光纖進行車站之間的數(shù)據(jù)傳輸，列車控制子系統(tǒng)（ATS、VOBC） 和區(qū)域控制器（ZC） 以IEEE 802.3 報文格式直接通信。

無線傳輸部分，采用IEEE 802.11 標準和FHSS（調頻擴頻）技術，具有2.4 GHz 頻段最強的抗干擾能力，實現(xiàn)軌旁無線接入點和車載移動無線設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。列車上的電臺適配器（SA）和地面的軌旁無線單元（AP）截取適合的報文，并通過已經建立的無線連接來傳送。車地無線通信網絡見圖1。

圖1 車地無線通信網絡

AP 安裝于軌道沿線，提供冗余和全線無線覆蓋。2 個車載無線單元配置在列車兩端，通過射頻模塊接入軌旁無線AP 構建的無線網絡，對車地通信流量提供透明橋接服務，同時進行無線側加密。

AP 發(fā)射的信號，經過軌旁饋線衰減、軌旁天線增益、車地通信的傳輸衰減后被車載天線接收，再經過車載饋線衰減，最終被OBRU（車載無線單元）接收。在車地通信中信號接收功率出現(xiàn)異常時，可通過鏈路逐段排查故障點。車地無線鏈路見圖2。

圖2 車地無線鏈路

2 分析方法

在列車運行過程中，如果通信質量不佳，可能會出現(xiàn)通信數(shù)據(jù)丟失情況；當通信數(shù)據(jù)丟失超過12 s 時，列車會觸發(fā)緊急制動。出現(xiàn)這種情況時，現(xiàn)場維護人員一般會通過NMS（網絡管理服務器）系統(tǒng)來檢測AP 的連接狀態(tài)及數(shù)據(jù)丟包率。但實際上，車地通信質量不佳的主要原因為列車接收功率較低，利用NMS 無法直接檢測出來。通過對無線通信系統(tǒng)進行維護和研究，總結出統(tǒng)計數(shù)據(jù)和現(xiàn)場測量2 種方法。

2.1 統(tǒng)計數(shù)據(jù)

1）分析每日車地通信的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。如果車地通信數(shù)據(jù)丟失超過3 s，HMI（人機工作站）上就會出現(xiàn)通信丟失報警，并顯示丟失通信的計軸區(qū)段。如果此區(qū)段多次發(fā)生通信丟失，則證明此區(qū)段的通信質量較低。

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2） 分析AP 與列車關聯(lián)次數(shù)。每日運營時刻表和上線列車數(shù)量不變的情況下，AP 與列車的關聯(lián)次數(shù)應是相等的。除部分避讓線、存車線等列車不經過區(qū)域，正線上的AP 與列車關聯(lián)次數(shù)應不小于100 次。如果某個AP 與列車關聯(lián)次數(shù)逐漸下降，或者關聯(lián)次數(shù)較少，則證明該AP 本身存在問題。

3）分析無線漫游數(shù)據(jù)。車地通信質量直接反映在列車接收端上，通過分析運營列車采集的無線漫游數(shù)據(jù)，可以得到各個AP 的數(shù)據(jù)：①收集到的AP 場強最大值是否大于-40 dBm；②列車與AP 的關聯(lián)順序是否與AP 的實際布置順序一致。

2.2 現(xiàn)場測量

2.2.1 測量AP 天線放大增益

若AP 的發(fā)射功率較低，則車載OBRU 接收到的功率也較低。由于AP 受環(huán)境因素影響較大，出現(xiàn)問題的概率較大，可通過檢測AP 天線的放大增益來判斷其狀態(tài)。在軌旁利用頻譜儀連接測試天線，對AP 放大增益進行測量，以判斷其健康狀態(tài)。

2.2.2 測量軌旁場強數(shù)據(jù)

由于軌旁無線AP 場強覆蓋采用冗余結構，因此單個無線AP 的單個天線至少需要覆蓋2 個AP的場強范圍。無線冗余覆蓋原理見圖3。

圖3 無線冗余覆蓋原理

實際的區(qū)間情況較為復雜，隧道、高架、彎道、聲屏障等地理因素，以及天線本身具有不同角度，均有可能導致區(qū)間AP 的無線覆蓋場強不同?，F(xiàn)場可以通過測量區(qū)間內場強的覆蓋情況進行數(shù)據(jù)分析。將頻譜儀與無線天線相連以接收場強。由于一個AP 的單天線至少需要覆蓋2 個AP，以測量AP（N）為例，需要將AP（N+1）進行斷電，使其不發(fā)送信號；在AP（N+2）的位置，將測量天線保持在與列車車頂相同的高度，在軌道中間，對著AP（N）方向的位置進行場強測量，利用頻譜儀搜索場強峰值。測量要求場強平均峰值應大于-65 dBm。如果接收的場強過低，需要對天線進行角度調整。在彎道較大的地方場強覆蓋情況較差，則需要考慮在場強較低的地方增加復示AP 天線，或者增加相應的AP 放大功率，保證場強覆蓋達到要求。

3 處理措施

對廣州地鐵21 號線開通以來無線通信數(shù)據(jù)進行分析，其故障主要表現(xiàn)為：①區(qū)段內多次出現(xiàn)通信丟失報警，區(qū)段內AP 與列車關聯(lián)次數(shù)較低；②列車與AP關聯(lián)時長較低；③列車與AP關聯(lián)順序異常。

3.1 區(qū)段內多次出現(xiàn)通信丟失報警

1） AP 自身的發(fā)射功率較低，導致列車接收到的功率較低，因此通信質量不佳。這種情況需要逐段進行排查測量。AP 硬件連接如圖4 所示，其中SDR 為軌旁無線AP 單元。

圖4 軌旁無線AP 硬件連接圖

設天線放大增益為PA，

式中：PSDR為固定值，可測量，一般大于16 dBm；A為整條鏈路的功率衰耗；L為饋線長度（m）；A濾波器為3 dBm，A衰減器為3 dBm （廣 州 地 鐵21 號線），A防雷器為1.2 dBm，A功分器為3 dBm/個；N為功分器的個數(shù)；A接頭為0.2 dBm/個；M為接頭個數(shù)。

利用公式（1）（2），可計算正常軌旁AP 的天線放大增益PA。以饋線長度為10 m、功分器數(shù)量為1 個、接頭數(shù)量為5 個，PSDR為17 dBm 為例，通過公式（2） 計算出A=12.64 dBm，代入公式（1）計算出PA=4.36 dBm。

經過大量的數(shù)據(jù)驗證，AP 的天線放大增益標準值為（5.5±2）dBm。若測量發(fā)現(xiàn)AP 天線放大增益低于此范圍數(shù)值，需要逐段排查，找出問題部件并進行更換；若測量發(fā)現(xiàn)AP 天線放大增益高于此范圍數(shù)值，則需要考慮在鏈路中增加衰減器，以符合天線放大增益標準。

2）區(qū)間無線場強覆蓋較差，導致列車在運行過程中間斷性丟失通信。在區(qū)間AP 布置中，原則上是每300 m 布置1 個，在高架區(qū)間則更密集。場強覆蓋與天線本身的角度、隧道環(huán)境息息相關，若AP 發(fā)射功率正常，場強覆蓋情況較差，應進行以下排查：①天線的布置應與鋼軌平行，若軌道處于彎道，則天線應安裝在彎道的外側墻壁處，并且與遠處的鋼軌處于平行，以保證場強的正常覆蓋。若現(xiàn)場無線AP 天線角度異常，應及時做出調整。②天線方向是否能覆蓋到2 個AP 的距離。排查區(qū)間內是否有較大的彎道，是否有墻壁、防淹門等遮擋AP 信號的傳輸，若存在，則需要考慮消除遮擋因素、調整AP 天線位置，以及在相應的位置增加復示天線，以擴大場強覆蓋范圍。

3.2 列車與AP 關聯(lián)時長較短

廣州地鐵21 號線2 個AP 之間最小的接入點距離Smin=230 m。設列車與單個軌旁AP 關聯(lián)的最小時長為Tmin，列車運行的最大速度為Vmax=120 km/h?？梢杂嬎愠觯?/p>

即列車與AP 關聯(lián)時長要大于6.9 s。通過收集列車接收場強數(shù)據(jù)可以計算出列車與每個AP 關聯(lián)的時長，若關聯(lián)時長小于6.9 s，則屬于異常關聯(lián)，需檢查軌旁AP 及車載設備的硬件情況。

3.3 列車與軌旁無線AP 關聯(lián)順序異常

按列車運行情況分析，列車關聯(lián)AP 的順序應與軌旁AP 的布置順序一致。通過收集列車漫游數(shù)據(jù)，可以獲取列車與AP 關聯(lián)的順序。在正常情況下，列車關聯(lián)AP 的順序應該為AP （N）、AP（N+1）、AP （N+2）、AP （N+3） ……，如果關聯(lián)順序出現(xiàn)異常，則可能出現(xiàn)以下2 種情況：①被跳過關聯(lián)的軌旁無線AP 的發(fā)射功率較低，導致列車無法與其關聯(lián)，此時可對AP 分段排查，以及檢查區(qū)段內場強覆蓋情況，找出故障點；②被間隔接入的軌旁無線AP 發(fā)射功率偏高，通過增加衰減器來降低天線增益，保證場強均勻覆蓋。

4 總結

車地通信質量下降有多種原因，通過以下幾種方式可提升CBTC 車地通信質量。

1） 軌旁無線AP 天線放大增益的技術指標為（5.5±2） dBm，如果通過測試發(fā)現(xiàn)該參數(shù)異常，則需要對該AP 進行分段排查，找出故障點進行整治。

2）高架段軌旁無線AP 天線、接口、功分器等密封性不佳，會導致天線放大增益偏低，需要預先對高架段軌旁無線AP 相關部件進行防水整治。

3）列車與每個AP 的關聯(lián)時長需要大于6.9 s，若關聯(lián)時長偏低，則需要對相應的AP 和車載OB?RU 進行檢查處理。

4） 列車關聯(lián)AP 順序應與AP 的物理位置一致，否則可能存在AP 天線增益過高或者過低的情況，需要進一步檢查處理。

5）區(qū)間內無線信號場強覆蓋應平均，若覆蓋情況較差，應及時調整天線角度或增加復示天線。

總之，應把數(shù)據(jù)分析作為一個常態(tài)化工作，通過周期性收集通信丟失、列車漫游、列車與AP 關聯(lián)次數(shù)等數(shù)據(jù)，以便對通信質量進行跟蹤。這些分析方法可應用到AP 預防性維護、檢修及故障處理中，從而有效提升車地通信質量，保障列車穩(wěn)定運行。