城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)車地多重?zé)o線冗余方案應(yīng)用研究

丁 青

（卡斯柯信號(hào)有限公司，上海）

1 PRP 協(xié)議介紹

IEC62439-3 工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò) 高可靠性自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)第3 部分定義了PRP 這種高可靠性網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。PRP(Parallel Redundancy Protocol)協(xié)議最初是為了滿足智能電網(wǎng)毫秒級(jí)的網(wǎng)絡(luò)切換需求，可以實(shí)現(xiàn)兩條通信通道之間的無(wú)縫切換。圖1 為PRP 協(xié)議原理。

圖1 PRP 協(xié)議原理

PRP 冗余機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，主要依托于兩個(gè)邏輯或物理分離的子網(wǎng)（LAN A,LAN B，即所謂的A 網(wǎng)、B 網(wǎng)），PRP 發(fā)送方將原始信息幀復(fù)制一份，并在兩份幀中添加特定的RCT 字段，形成PRP 信息幀，分別從自身的兩個(gè)端口發(fā)送出去（分別對(duì)應(yīng)A 網(wǎng)、B 網(wǎng)），分別途經(jīng)兩個(gè)獨(dú)立的子網(wǎng)到達(dá)同一個(gè)PRP 接收方；PRP 接收方從兩個(gè)端口分別接收到這2 份PRP 信息幀后，會(huì)經(jīng)過(guò)一系列的幀處理算法進(jìn)行處理，簡(jiǎn)而言之，就是依據(jù)“先來(lái)后到”的原則，將后到達(dá)的PRP 信息幀丟棄，僅保留一份先到達(dá)的PRP 信息幀，將特定字段消除后，還原成原來(lái)的原始信息，傳遞給上層。

2 傳統(tǒng)無(wú)線系統(tǒng)冗余方案

無(wú)線系統(tǒng)為軌旁信號(hào)設(shè)備與車載信號(hào)設(shè)備建立通信的橋梁。目前城軌信號(hào)系統(tǒng)車地?zé)o線系統(tǒng)大多采用WLAN 或者LTE。

2.1 WLAN 無(wú)線系統(tǒng)冗余方案

城市信號(hào)系統(tǒng)無(wú)線系統(tǒng)按照雙網(wǎng)冗余方案設(shè)計(jì)，圖2 是WLAN 無(wú)線系統(tǒng)[3]方案。

圖2 WLAN 無(wú)線系統(tǒng)方案

車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)部署兩張獨(dú)立冗余的兩張紅、藍(lán)WLAN 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由軌旁AP、車載modem、骨干網(wǎng)交換機(jī)、信號(hào)主交換機(jī)、天線等構(gòu)成。

每列車的車頭、車尾分別設(shè)置一臺(tái)無(wú)線modem。車頭紅網(wǎng)無(wú)線modem 關(guān)聯(lián)軌旁紅網(wǎng)WLAN 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，傳輸車地紅網(wǎng)信號(hào)業(yè)務(wù)；車尾藍(lán)網(wǎng)無(wú)線modem 關(guān)聯(lián)軌旁藍(lán)網(wǎng)WLAN 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，傳輸車地藍(lán)網(wǎng)信號(hào)業(yè)務(wù)。車地之間通信為雙向通信，車地間存在2 條無(wú)線通信鏈路。

2.2 LTE 無(wú)線系統(tǒng)冗余方案

城軌信號(hào)系統(tǒng)車地?zé)o線系統(tǒng)按照雙網(wǎng)冗余方案設(shè)計(jì)，圖3 是LTE 無(wú)線系統(tǒng)[4]方案。

式中：Hjilsmq為0-1變量，若工序Ojils在機(jī)床Mm上完工后選擇搬運(yùn)設(shè)備Hq進(jìn)行搬運(yùn)，則Hjilsmq=1，否則Hjilsmq=0。

圖3 LTE 無(wú)線系統(tǒng)方案

車地通信無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部署兩張獨(dú)立冗余的兩張紅、藍(lán)LTE 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由軌旁基站、核心網(wǎng)設(shè)備、車載TAU、骨干網(wǎng)交換機(jī)、信號(hào)主交換機(jī)、軌旁漏纜或定向天線、車載天線等構(gòu)成[1]。

每列車的車頭、車尾分別設(shè)置一臺(tái)無(wú)線TAU。車頭紅網(wǎng)TAU 關(guān)聯(lián)軌旁紅網(wǎng)LTE 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，傳輸車地紅網(wǎng)信號(hào)業(yè)務(wù)；車尾藍(lán)網(wǎng)TAU 關(guān)聯(lián)軌旁藍(lán)網(wǎng)LTE 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，傳輸車地藍(lán)網(wǎng)信號(hào)業(yè)務(wù)。車地之間通信為雙向通信，車地間存在2 條無(wú)線通信鏈路。

2.3 傳統(tǒng)無(wú)線系統(tǒng)冗余方案存在問(wèn)題

目前城軌信號(hào)系統(tǒng)車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要采用WLAN 或者LTE 兩種。由于車地間采用單一制式的無(wú)線鏈路（WLAN 或LTE），存在如下問(wèn)題：

（1） 因雙網(wǎng)無(wú)線制式相同，同時(shí)受到干擾的可能性較大，同時(shí)受擾時(shí)則會(huì)造成車地通信不可用。

（2） 車地之間紅、藍(lán)網(wǎng)各采用一條無(wú)線鏈路，當(dāng)一條無(wú)線鏈路故障時(shí)將導(dǎo)致車地間僅單網(wǎng)可用，降低系統(tǒng)可用性。

3 改進(jìn)的無(wú)線系統(tǒng)冗余方案

鑒于上述傳統(tǒng)無(wú)線系統(tǒng)冗余方案存在的問(wèn)題，改進(jìn)的冗余方案優(yōu)化提升無(wú)線鏈路的冗余性，通過(guò)PRP方案[5]實(shí)現(xiàn)LTE 與WLAN 兩種制式的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)同時(shí)承載信號(hào)CBTC 應(yīng)用。從而實(shí)現(xiàn)單列車4 條車地?zé)o線鏈路，提升了車地?zé)o線鏈路冗余性；另外由于采用雙制式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，降低了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)受干擾的可能性。改進(jìn)的單網(wǎng)PRP 方案架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 單網(wǎng)PRP 方案架構(gòu)

傳統(tǒng)無(wú)線系統(tǒng)方案中，車載無(wú)線modem 或者車載TAU 連接車載信號(hào)應(yīng)用，軌旁信號(hào)主交換機(jī)與EPC的路由器或者AP 交換機(jī)連接。改造架構(gòu)方案中：車載PRP 連接車載信號(hào)應(yīng)用，同時(shí)車載PRP 連接車載TAU 和車載modem；軌旁信號(hào)主交換機(jī)連接軌旁PRP設(shè)備，軌旁PRP 設(shè)備連接VXLAN 路由器，通過(guò)VXLAN 路由器連接EPC 的路由器和AP 交換機(jī)。

由于PRP 工作在二層數(shù)據(jù)鏈路層，而LTE 和WLAN 均工作在三層，所以在PRP 設(shè)備中間需新增L2 VPN 設(shè)備（上圖VXLAN 路由器），通過(guò)建立VXLAN 隧道[6]實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。

軌旁信號(hào)應(yīng)用發(fā)送給車載信號(hào)應(yīng)用的數(shù)據(jù)包A經(jīng)過(guò)軌旁PRP 設(shè)備后，軌旁PRP 設(shè)備將數(shù)據(jù)包A 分別通過(guò)WLAN 和LTE 無(wú)線鏈路傳輸?shù)杰囕dPRP 設(shè)備，車載PRP 設(shè)備將先收到的一份數(shù)據(jù)包A 轉(zhuǎn)發(fā)給車載信號(hào)應(yīng)用。

車載信號(hào)應(yīng)用發(fā)送給軌旁信號(hào)應(yīng)用的數(shù)據(jù)包A經(jīng)過(guò)車載PRP 設(shè)備后，車載PRP 設(shè)備將數(shù)據(jù)包A 分別通過(guò)WLAN 和LTE 無(wú)線鏈路傳輸?shù)杰壟訮RP 設(shè)備，軌旁PRP 設(shè)備將先收到的一份數(shù)據(jù)包A 轉(zhuǎn)發(fā)給軌旁信號(hào)應(yīng)用。

如圖4 所示，車頭、車尾各有兩條車地?zé)o線通信鏈路，提升了單端無(wú)線通信鏈路冗余性。

通過(guò)PRP 方案疊加WLAN 與LTE 兩種無(wú)線通道，為每條車地通信鏈路提供LTE 和WLAN 兩種無(wú)線通道，在一種制式的無(wú)線鏈路故障的情況下仍可以用另一種無(wú)線鏈路傳輸，對(duì)信號(hào)應(yīng)用來(lái)說(shuō)相當(dāng)于“無(wú)縫”切換，提高了車地?zé)o線鏈路冗余性。

4 可靠性分析

從工程實(shí)際應(yīng)用的角度考慮，影響車地?zé)o線系統(tǒng)可靠性的因素主要包括無(wú)線頻率的使用和設(shè)備冗余結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。

WLAN 方案采用的是2.4GHz 公用頻段，實(shí)際測(cè)試證明，WLAN 方案不但會(huì)受到2.4GHz 頻段的同頻干擾和鄰頻干擾，還會(huì)受到運(yùn)營(yíng)商4G、5G 無(wú)線信號(hào)的干擾，造成車地通信不可用的情況。

LTE 方案與WLAN 方案相比，抗干擾能力更強(qiáng)。但由于工作頻段（1 785～1 805MHz）與移動(dòng)DCS 頻段（1 805～1 820MHz）很接近，同時(shí)LTE-M 工作頻段不是軌道交通專用頻段，石油、電力、民航等多行業(yè)均可用此頻段，實(shí)際應(yīng)用中可能受到同頻干擾或者鄰頻干擾，造成車地通信不可用的情況。

改進(jìn)的無(wú)線系統(tǒng)冗余架構(gòu)通過(guò)PRP 方案疊加LTE 和WLAN 兩種制式的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，列車單端車地?zé)o線通信具有LTE 和WLAN 兩條鏈路，單條無(wú)線通信鏈路受干擾或故障時(shí)，不影響另一條無(wú)線鏈路的通信，提升了單端無(wú)線通信鏈路的冗余性及無(wú)線通信系統(tǒng)的抗干擾能力。

通過(guò)對(duì)車載無(wú)線設(shè)備和軌旁無(wú)線設(shè)備的單點(diǎn)、多點(diǎn)故障場(chǎng)景進(jìn)行分析，比較了傳統(tǒng)無(wú)線冗余架構(gòu)和改進(jìn)型無(wú)線冗余架構(gòu)的無(wú)線通信鏈路冗余情況，傳統(tǒng)WLAN 無(wú)線冗余方案與改進(jìn)的無(wú)線冗余方案比較結(jié)果如表1 所述，傳統(tǒng)LTE 無(wú)線冗余方案與改進(jìn)的無(wú)線冗余方案比較結(jié)果如表2 所述。

表1 故障場(chǎng)景冗余性對(duì)比-WLAN 無(wú)線系統(tǒng)

通過(guò)表1 和表2 的對(duì)比結(jié)果可以看出，改進(jìn)的無(wú)線系統(tǒng)冗余方案通過(guò)PRP 方案疊加LTE 和WLAN 兩種制式的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，在相同場(chǎng)景下，單制式故障情況下，由于還有另外一套制式的無(wú)線鏈路，仍維持列車雙網(wǎng)通信，不影響列車雙網(wǎng)通信[1]。即使車地之間某一制式無(wú)線通信異常無(wú)法使用，另一制式的無(wú)線通信列車單網(wǎng)通信故障時(shí)，也仍可維持列車單網(wǎng)通信，不影響列車的正常運(yùn)行。改進(jìn)的無(wú)線冗余方案與傳統(tǒng)較單制式的無(wú)線冗余方案進(jìn)行對(duì)比，無(wú)線鏈路冗余性明顯提升，進(jìn)而無(wú)線系統(tǒng)的可靠性得到提升。

5 結(jié)論與展望

通過(guò)PRP 疊加LTE 和WLAN 兩種制式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的冗余方案，相較于傳統(tǒng)單制式（LTE 或WLAN）冗余方案，大大增強(qiáng)了車地?zé)o線鏈路的冗余性。對(duì)比并分析了車地?zé)o線系統(tǒng)在不同故障下的情況，表明了無(wú)線系統(tǒng)冗余性和可用性得以改善，從而降低了無(wú)線設(shè)備故障對(duì)列車正常運(yùn)行的影響，進(jìn)而提高了信號(hào)系統(tǒng)的可用性和可靠性。

改進(jìn)的無(wú)線冗余方案適用于新建/改造地鐵線路或采用LTE+WLAN 雙套無(wú)線通信系統(tǒng)的情形；也適用于既有地鐵線路采用一種制式的無(wú)線通信系統(tǒng)，而延伸線采用另外一種制式的無(wú)線通信系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)列車在LTE 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和WLAN 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下混跑運(yùn)行。