地鐵無線AP信號質(zhì)量檢測

袁叢振++陳文杰++李欣磊++鄧俊臣++許歡++夏明加

摘要：隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化和自動化的發(fā)展，越來越多的地鐵線路采用AP設(shè)備作為地鐵設(shè)備控制的通信信道。目前上海和北京的很多地鐵都投入使用了AP設(shè)備。例如，目前上海地鐵很多延伸線用AP作為屏蔽門聯(lián)動無線通道。然而目前的AP設(shè)備只能做到事后報警，無法實現(xiàn)預防性報警。而且還有AP設(shè)備老化，導致故障率提高，造成行車安全隱患。就自我而言，地鐵無線AP信號質(zhì)量監(jiān)測的研究刻不容緩。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)化；自動化；AP設(shè)備；安全隱患

中圖分類號：TN925 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）10-0054-02

一、引言

根據(jù)目前AP設(shè)備只能做到事后報警以及AP設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，上海地鐵AP所使用的802.11g無線通信技術(shù)，針對信號頻段為開放頻段，信號可以自由接收的特點，地鐵無線AP信號質(zhì)量檢測可以采集車/站AP設(shè)備的信號，通過研究信號場強、干擾狀況、誤碼率以及其他影響通信的情況，檢測AP信道信息、MAC信息以及IP信息，判斷可能發(fā)生故障的AP設(shè)備，給出預警和報警。首先，此監(jiān)測能對AP設(shè)備的工作狀態(tài)進行（實時）監(jiān)測和檢測；其次，能及時發(fā)現(xiàn)失效設(shè)備，給出預警和告警；它還能采集車＼站AP設(shè)備的信號；得出AP信號質(zhì)量狀況；獲得無線信號質(zhì)量參數(shù)；實現(xiàn)無線通信的量化檢測。

二、目前上海地鐵信號場強

目前上海地鐵信號場強主要由上海城市軌道交通信號系統(tǒng)控制。上海城市軌道交通信號系統(tǒng)通常由列車自動控制系統(tǒng)（Automatic Train Control，簡稱ATC）組成，ATC系統(tǒng)包括三個子系統(tǒng)：列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）、列車自動防護子系統(tǒng)（ATP）、列車自動運行系統(tǒng)（ATO）三個子系統(tǒng)通過信息交換網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)地面控制與車上控制結(jié)合、現(xiàn)地控制與中央控制結(jié)合，構(gòu)成一個以安全設(shè)備為基礎(chǔ)，集行車指揮、運行調(diào)整以及列車駕駛自動化等功能為一體的列車自動控制系統(tǒng)。目前我國的城市軌道交通移動閉塞ATC系統(tǒng)的研究和應(yīng)用存在的差距主要表現(xiàn)在對ATC系統(tǒng)中的數(shù)字軌道電路、車一地信息、傳輸和列車自動駕駛等關(guān)鍵技術(shù)尚不能全面掌握，國產(chǎn)化水平很低。在自動保護系統(tǒng)ATP中，國內(nèi)外設(shè)備的主要差距在于列車的速度監(jiān)督上，而速度監(jiān)督的最主要設(shè)備是數(shù)字軌道電路，包括其地面發(fā)送設(shè)備和車上的接收設(shè)備。因此，目前上海地鐵的信號系統(tǒng)還不夠完善，地鐵無線AP信號的檢測仍然不可忽視。

三、目前上海地鐵信號干擾情況

1.用WirelessMon軟件測試的優(yōu)勢。本文前面已經(jīng)闡述了上海地鐵AP所使用的802.11無線通信技術(shù)，針對信號頻段為開放頻段，信號可以自由接收的特點。利用此特點便可以直接用WirelessMon軟件進行測試。

2.數(shù)據(jù)分析。本次采集數(shù)據(jù)共搜索到2100個（次）無線信號，其中信號系統(tǒng)軌旁的AP和車載的MR（移動電臺）使用的固定頻道1。所有樣本環(huán)境中頻道6最擁擠占到總數(shù)量33%，其次是頻道11占到總數(shù)量的29%，信號使用頻道1使用比例24%。頻道5和頻道7沒有使用。見圖。

3.結(jié)果分析。從數(shù)據(jù)分析中，可以看出目前地鐵信號由于種種原因?qū)е乱徊糠中盘柛蓴_。眾所周知，信號的干擾有可能導致列車運行失誤。而且導致信號干擾的原因具有多面性和不確定性，建筑物的建設(shè)結(jié)構(gòu)，手機信號的干擾，地鐵隧道的局限性，甚至天氣變化都有可能干擾信號。因此，地鐵無線AP信號質(zhì)量檢測的研發(fā)至關(guān)重要。

四、上海地鐵信號誤碼率

誤碼率，是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標。誤碼率=傳輸中的誤碼/所傳輸?shù)目偞a數(shù)*100%。如果有誤碼就有誤碼率。另外，也有將誤碼率定義為用來衡量誤碼出現(xiàn)的頻率。IEEE802.3標準為1000Base-T網(wǎng)絡(luò)制定的可接受的最高限度誤碼率為10-10。這個誤碼率標準是針對脈沖振幅調(diào)制（PAM-5）編碼而設(shè)定的，也就是千兆以太網(wǎng)的編碼方式。用誤碼器直接測量上海地鐵的誤碼率，測量結(jié)果見下頁圖。

從圖中看出，上海地鐵信號誤碼率很低，定時間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性很高，但這種很低的誤碼率也有可能導致列車運行失誤。例如2011年7月28日，上海地鐵10號線發(fā)生“開錯方向”事件，本應(yīng)開往航中路方向的上海地鐵10號線列車，卻反常地朝著虹橋火車站方向開出。此事故便是因為地鐵信號導致的。因此，地鐵信號誤碼率雖然很低，但仍然是導致事故發(fā)生不可忽視的一部分。

五、地鐵無線AP設(shè)備通信過程

通過運用commonview軟件，我們檢測并總結(jié)為：在無車情況下，站內(nèi)的四個AP會先按一定的順序依次發(fā)送廣播的BEACON（信標幀）和PROBE REQ（探測請求幀）。當一個AP收到來自其他AP的探測請求幀之后，它會給發(fā)送探測請求幀的AP發(fā)一個PROBE RESP（探測應(yīng)答幀），如此循環(huán)往復。當有列車出現(xiàn)時，該循環(huán)的次數(shù)就會減少，因為這時列車也會相應(yīng)地發(fā)送和接收BEACON（信標幀）和PROBE REQ（探測請求幀）。通過運用commonview軟件，我們檢測并總結(jié)為：在列車運行情況下，列車未進站時每隔一定時間發(fā)送BEACON（信標）幀，每隔一定時間發(fā)送一次PROBE REQ（探測請求）幀。即將進站時，列車會收到來自車站四個AP的BEACON幀，之后會向通信條件較好的AP（一般是離自己最近的）發(fā)送PROBE REQ（探測請求）幀，接著會收到PROBE RESP（探測應(yīng)答幀），最后列車會給發(fā)探測應(yīng)答幀的AP發(fā)送確認幀。多次抓到的數(shù)據(jù)中都存在這種反復地請求、應(yīng)答和確認的規(guī)律。?？空九_時，列車會向軌旁AP發(fā)送攜帶列車信息的DATA（數(shù)據(jù)）幀，包括編組、?？俊SD打開和關(guān)閉的信息，軌旁AP也會給車發(fā)送攜帶屏蔽門打開和關(guān)閉狀態(tài)的數(shù)據(jù)幀。列車啟動離站時，在停站期間除了有數(shù)據(jù)幀信息的傳送，列車和軌旁AP仍然會發(fā)出BEACON幀、PROBE REQ.幀、PROBE RESP.幀和ACK確認幀。endprint

六、地鐵無線AP檢測規(guī)律

1.車尾不發(fā)送數(shù)據(jù)幀。車尾一般只作為信號的接收端，車頭既作為信號的發(fā)送端，也作為信號的接收端，正常情況下，列車是由站內(nèi)四個AP設(shè)備共同控制。當列車在下行運行時，下行的兩個AP主要控制列車，當列車在上行運行時，上行的兩個AP主要控制列車，但站內(nèi)的AP設(shè)備是針對車頭控制的，從而車頭再控制車尾。

2.AP-MR在直接通信范圍始終會進行多對多主動探測，但探測周期有差異。這條規(guī)律表明：列車與站內(nèi)AP發(fā)送的探測幀的時間間隔是不同的，也就是說，列車行駛到站內(nèi)AP信號范圍內(nèi)，站內(nèi)AP信號并沒有一直對列車進行控制，但站內(nèi)AP信號一直在某個頻率范圍內(nèi)發(fā)送探測幀。只要當列車需要控制時，列車才會接收探測幀并對探測幀做出應(yīng)答或者列車發(fā)送自己的探測幀來征求站內(nèi)AP信號的應(yīng)答。

3.AP-MR建立peering連接前發(fā)送加密數(shù)據(jù)ENCR. DATA。這里的加密數(shù)據(jù)起到一個站內(nèi)AP與車載MR的對接作用，是站內(nèi)AP與車載MR要即將進行通信的信號。同時此加密數(shù)據(jù)起到一個兩者之間的識別作用。只有站內(nèi)AP與車載MR才能識別此加密數(shù)據(jù)，從而在此基礎(chǔ)上開始試圖建立通信聯(lián)系。

4.站臺西段的兩個AP設(shè)備接收東段的兩個AP信號所占百分比大致是相同的。

通過檢測到的側(cè)規(guī)律，可以說明：在列車即將進站到離站的每個周期，站臺西段的兩個AP設(shè)備通過接收東段的兩個AP信號來控制列車，此次規(guī)律可以間接說明站臺的四個AP設(shè)備相互協(xié)調(diào)，共同控制列車。

七、總結(jié)

通過對地鐵無線AP信號部分檢測，可以看出：站內(nèi)四臺AP信號設(shè)備與車載MR設(shè)備的關(guān)系復雜多樣，兩者相互通信的關(guān)系也互相交叉，同時站臺AP信號設(shè)備之間也相互協(xié)調(diào)共同控制列車。相反來說，一旦站臺某個AP信號設(shè)備出現(xiàn)信號通信問題，列車將面臨嚴重信號障礙問題。因此，地鐵無線AP信號監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)至關(guān)重要。

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