基于PRP提升CBTC車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信可靠性方案研究

楊 震，鄺榮華，蔡景俏，熊 文

（1.深圳地鐵運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518000；2.卡斯柯信號(hào)有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000）

并行冗余協(xié)議（Parallel Redundancy Protocol，PRP）是IEC62439-3 中定義的冗余網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，主要應(yīng)用在對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中。該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)支持發(fā)送端設(shè)備將數(shù)據(jù)包復(fù)制后通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)同時(shí)發(fā)送，并在接收端設(shè)備根據(jù)該協(xié)議算法進(jìn)行選收，從而提高傳輸鏈路的可靠性。當(dāng)其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，數(shù)據(jù)包將無(wú)縫改由另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸。本文首先討論P(yáng)RP 協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)，并針對(duì)PRP 方案在提高地鐵CBTC 信號(hào)系統(tǒng)WLAN 車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信可靠性的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行闡述，然后介紹基于PRP 方案的CBTC 車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信實(shí)際測(cè)試情況，最后對(duì)該方案在軌道交通中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析和展望。

1 PRP協(xié)議概述

PRP 支持通過(guò)兩個(gè)相互獨(dú)立的局域網(wǎng)通道同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。支持PRP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備稱(chēng)為雙連接節(jié)點(diǎn)（Doubly Attached Nodes Obeying to PRP，DANP）設(shè)備，DANP 設(shè)備的兩個(gè)以太網(wǎng)口分別連接到兩個(gè)不同的局域網(wǎng)。要實(shí)現(xiàn)冗余通道傳輸功能，DANP 設(shè)備一般成對(duì)使用，兩臺(tái)DANP設(shè)備之間通過(guò)兩個(gè)不同局域網(wǎng)同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)包。源DANP 設(shè)備將收到的數(shù)據(jù)包同時(shí)經(jīng)由兩個(gè)局域網(wǎng)傳輸?shù)侥康腄ANP 設(shè)備，目的DANP 設(shè)備選擇先到達(dá)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去。源和目的DANP 設(shè)備之間通信的原理如圖1 所示。其中Link Redundancy Entity 工作在數(shù)據(jù)鏈路層，因此PRP 協(xié)議設(shè)備只能直接處理二層數(shù)據(jù)包。

圖1 DANP數(shù)據(jù)收發(fā)原理Fig.1 DANP data receiving and transmitting principle

2 既有信號(hào)系統(tǒng)WLAN網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)早期已開(kāi)通的地鐵線(xiàn)路CBTC 信號(hào)系統(tǒng)多采用基于IEEE802.11g 標(biāo)準(zhǔn)的WLAN 車(chē)地?zé)o線(xiàn)方案，車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信工作在2.4 GHz 開(kāi)放頻段。線(xiàn)路一般有隧道和高架兩種線(xiàn)路類(lèi)型，其中隧道段車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信穩(wěn)定，但高架段由于外部無(wú)線(xiàn)環(huán)境復(fù)雜，運(yùn)營(yíng)時(shí)段存在的同頻干擾源較多，車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信受擾后短時(shí)通信中斷的情況時(shí)有發(fā)生，對(duì)地鐵線(xiàn)路正常運(yùn)營(yíng)造成了一定的影響。為解決高架段車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信問(wèn)題，地鐵線(xiàn)路既有WLAN 方案進(jìn)行了各種無(wú)線(xiàn)優(yōu)化工作，包括調(diào)整占用的無(wú)線(xiàn)頻段、優(yōu)化無(wú)線(xiàn)信道及無(wú)線(xiàn)發(fā)射頻率等，也排除了高架沿線(xiàn)的部分干擾源，但仍不能完全解決高架段車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信問(wèn)題。

3 基于PRP的車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信冗余方案

鑒于WLAN 系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?yōu)化已無(wú)法有效解決干擾問(wèn)題，為解決地鐵線(xiàn)路信號(hào)系統(tǒng)WLAN 車(chē)地通信的問(wèn)題，考慮在車(chē)地通信既有WLAN 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，再引入一套不同制式不同頻段的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)作為冗余通道，從而提高車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信的可靠性。

對(duì)于兩條不同無(wú)線(xiàn)鏈路的冗余，一般有負(fù)載分擔(dān)、主備鏈路、PRP 鏈路冗余等幾種技術(shù)方式。幾種方式的特點(diǎn)對(duì)比如表1 所示。

表1 幾種不同冗余方式對(duì)比Tab.1 Comparison of several different redundancy modes

信號(hào)系統(tǒng)車(chē)地通信數(shù)據(jù)量明顯低于PIS 和CCTV 等業(yè)務(wù)，且信號(hào)系統(tǒng)更關(guān)注的是車(chē)地通信通道的穩(wěn)定性和可靠性。由于既有的WLAN 鏈路存在受擾造成車(chē)地通信丟包的風(fēng)險(xiǎn)，因此無(wú)論采用負(fù)載分擔(dān)還是主/備鏈路方式，都無(wú)法解決既有WLAN 鏈路切換時(shí)的丟包風(fēng)險(xiǎn)。而采用PRP 方案則可通過(guò)同時(shí)使用兩條無(wú)線(xiàn)鏈路傳輸，且選擇相對(duì)更優(yōu)的無(wú)線(xiàn)鏈路發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，能夠有效實(shí)現(xiàn)兩條無(wú)線(xiàn)鏈路之間的互補(bǔ)，理論上能夠有效解決既有WLAN 車(chē)地通信的問(wèn)題。

選擇表1 中第三種方案，增加一套其他制式的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)，使信號(hào)系統(tǒng)車(chē)地通信單網(wǎng)數(shù)據(jù)包（共兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)）可經(jīng)由兩條不同制式的無(wú)線(xiàn)通道同時(shí)傳輸。在其中一條無(wú)線(xiàn)通道，如WLAN 通道全線(xiàn)或部分區(qū)段故障不可用時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)可以無(wú)延時(shí)的改用另一條無(wú)線(xiàn)通道進(jìn)行車(chē)地通信。理論上能夠有效提升信號(hào)系統(tǒng)車(chē)地通信的可靠性，降低車(chē)地?zé)o線(xiàn)故障對(duì)運(yùn)營(yíng)造成的影響?；赑RP 方案的信號(hào)系統(tǒng)車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)方案示意如圖2 所示（以信號(hào)系統(tǒng)車(chē)地通信單網(wǎng)為例）。

圖2 信號(hào)系統(tǒng)PRP方案車(chē)地通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 Train-ground communication network architecture of signal system PRP scheme

方案中，由于既有WLAN 系統(tǒng)及其他無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)一般為三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而PRP 協(xié)議工作在數(shù)據(jù)鏈路層，因此通過(guò)PRP 接入兩條不同的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在車(chē)地?zé)o線(xiàn)系統(tǒng)兩端需增加路由設(shè)備實(shí)現(xiàn)車(chē)地之間的二層隧道傳輸。將既有車(chē)地WLAN 系統(tǒng)改造為PRP 冗余通道方案，軌旁除了需要增加PRP 設(shè)備外，還需要增加用于建立二層隧道的路由器設(shè)備，列車(chē)上僅需增加集成了二層隧道功能的PRP 設(shè)備。

當(dāng)軌旁信號(hào)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包A 給車(chē)載信號(hào)設(shè)備時(shí)，數(shù)據(jù)包A 到達(dá)軌旁PRP 設(shè)備后，PRP 設(shè)備會(huì)將數(shù)據(jù)包A 復(fù)制后轉(zhuǎn)發(fā)到兩條不同無(wú)線(xiàn)鏈路上，且分別為兩個(gè)數(shù)據(jù)包打上識(shí)別標(biāo)簽；兩個(gè)相同內(nèi)容的數(shù)據(jù)包經(jīng)由兩條不同無(wú)線(xiàn)鏈路分別到達(dá)車(chē)載PRP 設(shè)備；車(chē)載PRP 設(shè)備通過(guò)識(shí)別數(shù)據(jù)包的標(biāo)簽，將先到達(dá)車(chē)載PRP 設(shè)備的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給車(chē)載信號(hào)設(shè)備，將后到達(dá)的數(shù)據(jù)包丟棄。當(dāng)車(chē)載信號(hào)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包給軌旁信號(hào)設(shè)備時(shí)，也采用同樣的處理機(jī)制由軌旁PRP 設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行選收并轉(zhuǎn)發(fā)。

4 PRP方案測(cè)試驗(yàn)證

由于上述PRP 方案在軌道交通信號(hào)系統(tǒng)沒(méi)有應(yīng)用先例，為驗(yàn)證方案的實(shí)際傳輸性能，在實(shí)驗(yàn)室及實(shí)際地鐵線(xiàn)路分別進(jìn)行了PRP 方案的驗(yàn)證測(cè)試。測(cè)試使用的通信方案如圖3 所示。

圖3 PRP車(chē)地通信方案測(cè)試網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.3 PRP train-ground communication scheme test network architecture

首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了PRP 同時(shí)經(jīng)由WLAN 及LTE 無(wú)線(xiàn)鏈路傳輸?shù)撵o態(tài)功能測(cè)試驗(yàn)證?；趫D3的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，測(cè)試內(nèi)容為通過(guò)車(chē)載和軌旁?xún)膳_(tái)測(cè)試電腦之間運(yùn)行端到端性能測(cè)試軟件對(duì)丟包率和時(shí)延進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果：1）在同時(shí)存在兩條無(wú)線(xiàn)鏈路時(shí)，PC1 和PC2 能夠正常穩(wěn)定通信；2）任意斷掉LTE 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)或WLAN 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，PC1 和PC2 之間的通信不受影響。測(cè)試證明PRP 方案功能上能滿(mǎn)足同時(shí)利用兩條無(wú)線(xiàn)鏈路傳輸?shù)囊蟆?/p>

選擇實(shí)際地鐵線(xiàn)路對(duì)PRP 方案進(jìn)行動(dòng)車(chē)驗(yàn)證測(cè)試，方案中使用的冗余鏈路是通信專(zhuān)業(yè)既有的1.8GHz LTE 系統(tǒng)。動(dòng)車(chē)測(cè)試主要內(nèi)容包括：PRP冗余通道車(chē)地通信傳輸性能測(cè)試；模擬單個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)部分故障測(cè)試；模擬單個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)全部故障測(cè)試。

選擇該線(xiàn)路的一段高架區(qū)間進(jìn)行測(cè)試，將新增PRP 測(cè)試設(shè)備接入既有信號(hào)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)后，確認(rèn)靜態(tài)情況下兩個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)均能正常通信后，開(kāi)始動(dòng)車(chē)測(cè)試。為更直觀(guān)地顯示測(cè)試效果，測(cè)試時(shí)手動(dòng)關(guān)掉既有WLAN 系統(tǒng)連續(xù)5 個(gè)軌旁AP 電源模擬故障場(chǎng)景，對(duì)比僅通過(guò)WLAN 傳輸和同時(shí)通過(guò)WLAN、LTE 鏈路傳輸?shù)膫鬏斝阅苤笜?biāo)。測(cè)試采用Iperf 性能測(cè)試工具，車(chē)地雙向收發(fā)數(shù)據(jù)，測(cè)試吞吐量為25 kbit/s，發(fā)包大小200 Byte。對(duì)比3 次測(cè)試的丟包情況，如表2 所示。

表2 不同場(chǎng)景測(cè)試丟包情況對(duì)比Tab.2 Comparison of packet loss in different scenarios

由于WLAN 系統(tǒng)一般傳輸時(shí)延在10 ms 以?xún)?nèi)，而LTE 系統(tǒng)傳輸時(shí)延在20 ms 左右，3 次測(cè)試（除連續(xù)5 個(gè)AP 掉電區(qū)域外）平均時(shí)延均接近10 ms。也就是說(shuō)在LTE 和WLAN 兩種制式網(wǎng)絡(luò)同時(shí)工作的場(chǎng)景下，PRP 大部分時(shí)間均選擇傳輸時(shí)延更短的WLAN 鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著各運(yùn)營(yíng)商4G、5G 的普及以及家用WLAN、企業(yè)專(zhuān)用WLAN 的廣泛應(yīng)用，車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信外部環(huán)境日益復(fù)雜，信號(hào)系統(tǒng)車(chē)地通信采用PRP 方案同時(shí)使用WLAN 和其他制式無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)通信，能夠顯著提升信號(hào)系統(tǒng)車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信的可靠性（經(jīng)計(jì)算和單一無(wú)線(xiàn)鏈路相比，MTBF 提升150%以上），和單一制式無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)相比，明顯提高了車(chē)地通信的抗干擾能力，能有效解決既有線(xiàn)路WLAN 系統(tǒng)受擾影響正常運(yùn)營(yíng)的問(wèn)題。