基于無線局域網(wǎng)的CBTC車地?zé)o線通信系統(tǒng)抗干擾性能提升方案研究

趙跟黨 張 揚(yáng)

(1.西安市軌道交通集團(tuán)運(yùn)營分公司,710018,西安；2.交控科技股份有限公司,100070,北京∥第一作者,高級工程師)

0 引言

CBTC系統(tǒng)基于列車高精度主動定位和車地雙向?qū)崟r(shí)通信實(shí)現(xiàn)移動閉塞高密度安全追蹤，典型CBTC系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示[1-2]。可靠、大容量的雙向車地?zé)o線通信是CBTC系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一[3]。受通信技術(shù)和頻段制約等影響，在CBTC系統(tǒng)推廣應(yīng)用的初期，絕大多數(shù)CBTC系統(tǒng)選擇了運(yùn)行在公共開放頻段的無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)。

圖1 CBTC系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

采用免費(fèi)開放頻段的策略使CBTC系統(tǒng)更早獲得了市場認(rèn)可，但同時(shí)也帶來無線通信干擾等一系列問題。 研究人員在CBTC設(shè)計(jì)初期已意識到無線通信干擾等問題的可能性，并在傳輸形式、調(diào)制方式及冗余機(jī)制的選擇上采取了一定的措施[1]。文獻(xiàn)[2]針對列車控制系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，提出從物理層、網(wǎng)絡(luò)層和管理層防御網(wǎng)絡(luò)攻擊。網(wǎng)絡(luò)層中捕獲防御層和干擾器之間的交互，采用網(wǎng)絡(luò)層防御策略抵御干擾攻擊，為了減輕干擾對列車運(yùn)行的影響，提出在列車控制過程中根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)調(diào)整控車策略，以減小網(wǎng)絡(luò)干擾對系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[3]提出雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)疊加安全協(xié)議滿足安全苛求列控系統(tǒng)在信息傳輸可靠性和安全性方面的需求。文獻(xiàn)[4-5]通過建立抗干擾的辦法和評價(jià)機(jī)制對城市軌道交通內(nèi)部的同頻干擾、鄰線干擾進(jìn)行管理和處置。

為最大程度提升CBTC車地信息傳輸?shù)目煽啃?，目前無線信息的傳輸媒介主要采用了自由波、泄露電纜和泄露波導(dǎo)管3種方式，部分線路采用了2種或更多方式的組合。2013年，深圳地鐵2號線和5號線因無線通信干擾導(dǎo)致列車多次緊急制動后，針對無線通信系統(tǒng)抗干擾性能的提升問題更加得到了重視[6]。

針對乘客無線通信系統(tǒng)、換乘信號干擾、乘客所攜帶和使用的電子產(chǎn)品造成的干擾以及其他同頻信號干擾，可采用頻點(diǎn)隔離與補(bǔ)空方式解決PIS(乘客信息系統(tǒng))與信號系統(tǒng)的干擾。應(yīng)加強(qiáng)系統(tǒng)消除非法接入的能力，如SSID(服務(wù)集標(biāo)識)廣播、網(wǎng)關(guān)參數(shù)設(shè)置、增加交換機(jī)層數(shù)等方案[7]。

可采用雙網(wǎng)、雙信道冗余設(shè)計(jì)，天線、漏泄同軸電纜和波導(dǎo)管無線覆蓋的方式增強(qiáng)抗干擾能力。AP(訪問接入點(diǎn))通過無線信道掃描和監(jiān)測信道利用率、流量、干擾等信息以動態(tài)調(diào)整發(fā)射功率；采用信道復(fù)用技術(shù)降低信道使用競爭，以提高信道搶占成功率[8]。

需對已投入運(yùn)營的地鐵信號系統(tǒng)車地通信抗干擾的解決方案提出了改造思路，包括軌旁AP調(diào)整為窄帶工作模式、改變MAC(介質(zhì)訪問控制)層信令結(jié)構(gòu)、替換車載和地面AP使得無線設(shè)備物理層改造為直序擴(kuò)頻模式[9]。

文獻(xiàn)[10]則充分利用LTE(長期演講)技術(shù)在抗干擾能力、移動接入性和綜合承載方面的優(yōu)勢，建議成本允許的情況下，新線建設(shè)和改造應(yīng)優(yōu)先選用LTE技術(shù)。

2.報(bào)道方式上注重靈活性。經(jīng)過探索和實(shí)踐，新聞報(bào)道形成了“客觀、公正、真實(shí)、全面”的規(guī)范化要求，地市級電視臺的新聞在報(bào)道方式上注重多樣性和靈活性，就能豐富報(bào)道內(nèi)容，增強(qiáng)報(bào)道的活力，進(jìn)而適應(yīng)觀眾的需求。

即便采取了各種措施，因通信干擾問題導(dǎo)致CBTC列車緊急制動的現(xiàn)象仍無法完全避免。北京地鐵某線受通信干擾的問題是這一類的典型問題。由于建設(shè)較早，采用了基于開放頻段的車地?zé)o線通信系統(tǒng)，但又由于尚未到改造期，因此無法將全部無線通信系統(tǒng)更換為采用專用頻段的LTE系統(tǒng)。因此，對北京地鐵某線車地?zé)o線通信問題的分析和抗干擾性能提升方法的研究，對我國廣泛應(yīng)用的CBTC系統(tǒng)性能提升和安全運(yùn)行保障具有重要的意義。

1 因車地通信中斷導(dǎo)致列車緊急制動故障的問題分析

1.1 問題描述

在北京地鐵某線開通初期，不存在無線通信系統(tǒng)中斷的問題。隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，上述問題逐漸出現(xiàn)并日益嚴(yán)重。自2017年10月以來，該線發(fā)生多起因車地通信中斷導(dǎo)致列車緊急制動故障(見圖2)。列車故障后造成多列后續(xù)列車晚點(diǎn)，對運(yùn)營組織造成極大的壓力。

圖2 北京地鐵某線無線干擾故障統(tǒng)計(jì)

從歷年的無線干擾故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，有以下結(jié)論：①地點(diǎn)相對固定，萬源街站、榮京東街站、同濟(jì)南路站；②冬天較為高發(fā)，故障數(shù)從10月份開始逐月增加，且故障總數(shù)呈逐年增加趨勢；③最多時(shí)月故障達(dá)100件，造成運(yùn)營壓力大。

1.2 問題分析

針對冬季無線通信故障高發(fā)的問題，在室內(nèi)搭建調(diào)試環(huán)境，通過高低溫試驗(yàn)箱測試設(shè)備性能，從室內(nèi)驗(yàn)證結(jié)果找出了設(shè)備故障和性能下降的可能性。

針對地點(diǎn)相對固定，提出對相關(guān)區(qū)域開展無線頻段掃描檢測。以榮京東街站為例，使用軟件(inSSIDer4)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)1信道無線接入點(diǎn)多達(dá)200多個(gè)，且某信號無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋占用信道比率過高(見圖3)，導(dǎo)致CBTC信號發(fā)生重傳概率增大，總體時(shí)延增大，進(jìn)而使列車緊急制動概率增大。

圖3 北京地鐵某線無線頻段抓包個(gè)數(shù)對比

北京地鐵某線車地?zé)o線通信地面高架區(qū)域敷設(shè)波導(dǎo)管、隧道區(qū)域敷設(shè)自由波天線，列車單端在車頂和車底各配置2個(gè)天線以實(shí)現(xiàn)與地面設(shè)備的通信(見圖4)。車載自由波天線在高架區(qū)段接收到其他系統(tǒng)的無線信號增加，導(dǎo)致無線傳輸中斷。推斷車載自由波天線在高架區(qū)段變成了干擾接收器甚至是干擾放大器。

圖4 北京地鐵某線車地?zé)o線通信架構(gòu)圖

2 抗干擾性能提升方案

2.1 通信信號一體化電子切換方案

針對北京地鐵某線在高架線路區(qū)段上自由波天線引入外界干擾導(dǎo)致無線通信系統(tǒng)故障的問題，提出在相應(yīng)區(qū)段屏蔽自由波天線的解決思路。但由于在地下或隧道區(qū)段還需要基于自由波天線進(jìn)行正常車地通信，因此，解決方案必須能夠根據(jù)列車所處位置區(qū)段智能化地進(jìn)行自由波天線的切除和使用。該解決方案的需求為：①當(dāng)列車處于高架線路區(qū)段時(shí)，無線通信系統(tǒng)中自動切除自由波天線以排除干擾，使用波導(dǎo)管天線進(jìn)行信息傳輸；②當(dāng)列車處于地下或隧道區(qū)段時(shí)，將自由波天線接入無線通信系統(tǒng)中，使用自由波通道進(jìn)行車地信息傳輸，同時(shí)將波導(dǎo)管通道作為備用通道。

本方案設(shè)計(jì)了1個(gè)電子開關(guān)。它能夠根據(jù)列車所處的位置自動控制電子開關(guān)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對無線通信干擾信號的屏蔽。但由于傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)中無線通信系統(tǒng)與信號系統(tǒng)相互獨(dú)立，無線通信系統(tǒng)無法獲知列車位置，從而難以實(shí)現(xiàn)該功能。本研究提出通信信號一體化的無線通信系統(tǒng)抗干擾性能提升方案，即信號系統(tǒng)根據(jù)列車位置控制電子開關(guān)的通斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變。所提出的車地?zé)o線通信架構(gòu)圖如圖4所示。

列車運(yùn)營時(shí)，默認(rèn)采用波導(dǎo)管天線和自由波天線雙路接收地面無線信號。當(dāng)列車從隧道區(qū)域駛?cè)敫呒軈^(qū)域時(shí)，車載子系統(tǒng)根據(jù)列車高精度定位，判斷頭端車載波導(dǎo)管天線進(jìn)入切換點(diǎn)后，將車頭電子開關(guān)切換至自由波隔離狀態(tài)；判斷尾端車載波導(dǎo)管天線進(jìn)入切換點(diǎn)后，將車尾電子開關(guān)切換至自由波隔離狀態(tài)。當(dāng)列車從高架區(qū)駛?cè)胨淼绤^(qū)時(shí)，則反之。

車載子系統(tǒng)判斷列車丟失定位后，默認(rèn)控制信號恢復(fù)電子開關(guān)為正常運(yùn)營狀態(tài)。

圖5 解決方案的硬件原理圖

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1 干擾源驗(yàn)證

為了進(jìn)一步判斷干擾源形成的原因，證明電子切換方案的合理性，在試驗(yàn)室搭建了試驗(yàn)平臺(見圖6)，進(jìn)行干擾模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)方案如下：①模擬1套車地傳輸?shù)耐ㄐ沛溌?，并接入車載業(yè)務(wù)終端和地面業(yè)務(wù)終端；②引用3個(gè)獨(dú)立的干擾源，與車地通信鏈路共用；③分別疊加1路、 2路、3路的干擾源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，觀察業(yè)務(wù)通信質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果參見表1。

圖6 實(shí)驗(yàn)室干擾測試平臺方案

表1 實(shí)驗(yàn)室干擾模擬通信測試結(jié)果

通過數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，當(dāng)存在WiFi(無線網(wǎng)絡(luò))同頻干擾時(shí)，干擾信號的強(qiáng)度不是對通信系統(tǒng)造成影響的決定因素。起決定作用的是同頻WiFi信號是否有數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)傳輸流量。當(dāng)同頻的多個(gè)WiFi信號同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，會導(dǎo)致信道競爭加劇，所有的WiFi傳輸均受到信道競爭機(jī)制的影響，造成空口傳輸長時(shí)延、吞吐量下降的情況。

2.2.2 解決方案驗(yàn)證

為驗(yàn)證解決方案的可行性，針對提出的解決思路搭建試驗(yàn)平臺，如圖6所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)室電子切換測試方案原理圖

模擬列車在高架段運(yùn)行過程，通過電子開關(guān)的閉合過程及通信質(zhì)量變化，得出測試結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)室電子切換下通信測試結(jié)果

通過室內(nèi)試驗(yàn)可知，基于通信信號一體化的電子開關(guān)解決方案，可以依據(jù)業(yè)務(wù)通信的特點(diǎn)、基于列車位置信息實(shí)時(shí)進(jìn)行傳輸鏈路的調(diào)整，有助于降低無線干擾的影響。

2.3 現(xiàn)場驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證干擾原理后，組織開展現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，在驗(yàn)證了可行性后通過對部分列車改造而逐步投入運(yùn)營。

已改造的列車投入運(yùn)營半年后，與其他未改造的列車進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)已改造的列車在運(yùn)營中發(fā)生的無線干擾導(dǎo)致列車緊急制動次數(shù)，相比未改造列車有明顯下降。從平局?jǐn)?shù)量來看，已改造的列車緊急制動故障數(shù)平均為2.5，未改造的列車緊急制動故障數(shù)平均為8.4，已改造的列車相比未改造的列車緊急制動故障率下降了70%(見圖8)。

圖8 改造列車與未改造列車緊急制動故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

3 結(jié)語

隨著WLAN應(yīng)用的普及，CBTC系統(tǒng)所受到的干擾必將不斷增加。本文提出的解決方案具有改動小、成本低和見效快的優(yōu)勢，特別是對高架段采用波導(dǎo)管、隧道區(qū)域采用自由波天線的線路極有可行性。但本方案并未根本性解決無線通信的干擾問題，建議后續(xù)建設(shè)的CBTC系統(tǒng)盡可能采用獨(dú)立頻段的無線通信系統(tǒng)采用(如采用LTE技術(shù))，為城市軌道交通安全可靠運(yùn)行提供保障。