淺析上海軌道交通5號線無線雙網(wǎng)車地通信系統(tǒng)

魏然之

摘 要：上海軌道交通5號線于2016年起進行信號系統(tǒng)大修改造。改造后使用TST CBTC2.0移動閉塞系統(tǒng)。該套系統(tǒng)的一項技術特點就是車地通信網(wǎng)絡在保持原有FHSS（無線跳頻）網(wǎng)絡基礎上，新增LTE無線通信網(wǎng)絡，形成雙網(wǎng)冗余架構(gòu)。每個車地無線通信網(wǎng)絡都配置了獨立的軌旁骨干網(wǎng)，及獨立的軌旁無線接入點或基站用來傳輸數(shù)據(jù)。車載設備則在列車每端都安裝了FHSS和LTE的獨立電臺。這種雙網(wǎng)車地通信系統(tǒng)可以確保車地通信業(yè)務的可靠性，單點、甚至單網(wǎng)故障都不會對運營造成影響。

關鍵詞：車地通信;雙網(wǎng)冗余;FHSS;LTE

中圖分類號：U231.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）01-0019-03

0 引言

上海軌道交通5號于2003年11月正式投入運營。2014年，距離5號線開通已過十年，接近大修年限。由于沿線規(guī)劃發(fā)生了巨大變化，5號線客流預測的年限和數(shù)值均發(fā)生較大調(diào)整，明顯地突破了原線路的預計客流。無論是通過能力或輸送能力均已不能滿足今后的需要，因此必須對既有線進行擴能改造。而5號線的系統(tǒng)通過能力和輸送能力較低又是因為受制于信號通過能力偏低，所以擴能勢必要通過改造信號系統(tǒng)來實現(xiàn)。

1 TST CBTC2.0系統(tǒng)簡介

2018年底，5號線信號系統(tǒng)改造完成。新系統(tǒng)采用了TST CBTC2.0方案。該方案是具有先進技術的移動閉塞無線CBTC系統(tǒng)。它提供了所有CBTC的功能：ATS、ATP、ATO，且是一個可以達到120秒或者更小運行間隔的真正的移動閉塞系統(tǒng)，也是一個可滿足項目需求的純正移動閉塞系統(tǒng)。CBTC2.0系統(tǒng)包含5個子系統(tǒng)：列車自動監(jiān)控，也稱中央控制單元（CCU）;軌旁ATP，也稱移動授權控制單元（MCU）;車載控制單元（VCU）;數(shù)據(jù)通信單元（DCU）以及智能維護支持系統(tǒng)（IMSS）。其中數(shù)據(jù)通信單位的一項新技術就是車地通信網(wǎng)絡在保持原有FHSS（無線跳頻）網(wǎng)絡基礎上，新增LTE無線通信網(wǎng)絡，形成雙網(wǎng)冗余架構(gòu)[1-2]。CBTC 2.0的系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示。

2 FHSS網(wǎng)絡設計

FHSS無線網(wǎng)絡使用802.11跳頻技術，工作頻段為ISM 2.4GHz。該技術被證明可以在復雜的電磁環(huán)境，尤其是在2.4GHz WIFI干擾情況下正常工作，是適合于信號系統(tǒng)車地通信網(wǎng)絡的解決方案，并且在高架和地下段都能可靠工作。

2.1 FHSS軌旁-車載設備架構(gòu)

FHSS網(wǎng)絡的軌旁設備主要由AP（無線接入點）組成。AP安裝在正線、停車場和試車線，平均大約每200m一個。實際距離要取決于線路的地形、隧道結(jié)構(gòu)、地方標準及天線類型等。AP天線的布置方法將其所需的數(shù)量降到了最低，同時還考慮了軌道彎道的特殊傳播情況，以及長大區(qū)間的距離因素。不論是隧道還是高架，亦或是地面，都將根據(jù)線路測量期間實際測到的無線信號覆蓋范圍來安裝天線。天線位置的設置規(guī)則為：相鄰AP的信號可以重疊，F(xiàn)HSS的信號網(wǎng)絡必須覆蓋整個線路。這種信號的重疊提供了軌旁無線信號的冗余，如果一個AP或者隔一個AP交替發(fā)生故障，都能確保連續(xù)的無線覆蓋，不會產(chǎn)生信號盲區(qū)[3]。FHSS網(wǎng)絡的AP無線冗余覆蓋示意圖2所示。

FHSS網(wǎng)絡的車載設備稱為車載無線單元（OBRU），它主要由SDR模塊、濾波器、電臺（SA）及天線組成。這些設備分別位于列車的A端和B端。在列車運行過程中，車頭可以收到前方2個有效無線輻射信號，車尾可以收到后方2個有效無線輻射信號，只有當4路無線信號同時發(fā)生故障或者被同時干擾的極端情況出現(xiàn)時，列車才會丟失通信。以上這種高冗余性設計大大增強了整個系統(tǒng)的可靠性。充足的數(shù)據(jù)吞吐量、更好的干擾恢復能力、超過200km/h高速列車在AP間的無縫切換等，滿足了CBTC的要求。

2.2 FHSS的抗干擾分析

在802.11無線通信協(xié)議內(nèi)，使用FHSS跳頻技術可以防止窄帶干擾，并使重新傳輸能夠獲得更高的成功機會，因為它可以在一個完全不同的，也許是50MHz或更高頻率上工作，從而避開了所有的干擾。這項技術非常有效，它能使多個用戶同時進入一個相同頻段而互不干擾。這些用戶可以是其它FHSS系統(tǒng)，例如藍牙，以及DSSS系統(tǒng)。跳頻為用戶提供了一種機制，使無線載波頻率能通過虛擬的隨機移動帶寬來互相避讓。正是由于精心選擇了開放的標準技術，DCU可以在列車周圍或接入點天線旁存在藍牙設備及WIFI系統(tǒng)的情況下，正常運行而不丟失數(shù)據(jù)包。但由于2.4GHz頻段是一個全球性免費開放頻段，隨著民用和商用WIFI網(wǎng)絡的普及，該頻段下用戶量急劇增加，當這些設備與CBTC系統(tǒng)處于相同的環(huán)境同時工作頻點重疊時，就不可避免的對CBTC無線通信產(chǎn)生同頻干擾。車地通信系統(tǒng)使用FHSS單網(wǎng)絡的線路，其列車通信丟失的次數(shù)相比剛剛開通時大幅增加[4]。

3 LTE網(wǎng)絡設計

CBTC2.0系統(tǒng)的車地通信網(wǎng)絡在已布置了FHSS跳頻技術的同時，引入了全新的LTE網(wǎng)絡，形成了雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)。LTE車地無線通信網(wǎng)采用國際先進的LTE-TDD技術，使用城市軌道交通專用的無線通信頻段（1800～1805MHz），與公眾使用的移動通信系統(tǒng)以及WIFI（2.4GHz頻段）有較好的隔離，對軌旁FHSS無線網(wǎng)絡幾乎沒有干擾[5]。

3.1 LTE軌旁-車載設備架構(gòu)

LTE車地無線通信網(wǎng)絡的軌旁設備由核心網(wǎng)EPC，基站（BBU），遠程無線單元（RRU）和泄露電纜組成。該網(wǎng)絡采用A/B雙網(wǎng)設計，A網(wǎng)和B網(wǎng)是兩個完全相同，完全獨立，互不影響的網(wǎng)絡，其物理鏈路與設備都是如此。這使得LTE系統(tǒng)自身就具備了雙網(wǎng)冗余特性，消除了CBTC業(yè)務在車地無線網(wǎng)絡中因單點故障而對運營造成的影響。LTE網(wǎng)絡的架構(gòu)如圖3所示。

車載方面，每列車的車頭和車尾都放置一臺A網(wǎng)LTE車載電臺（TAU）和B網(wǎng)LTE車載電臺，每個電臺連接兩個天線，采用雙網(wǎng)設備同時工作，分別接入軌旁A網(wǎng)和B網(wǎng)的LTE無線網(wǎng)絡，構(gòu)成車地通信的第三條和第四條無線通道。

3.2 LTE的抗干擾分析

LTE抗干擾措施主要包括對帶外信號的抑制和對帶內(nèi)信號的對抗和規(guī)避。（1）帶外干擾信號的抑制。帶外干擾信號對LTE網(wǎng)絡的影響主要體現(xiàn)在對基站（BBU）、車載電臺（TAU）接收的干擾，降低接收靈敏度，嚴重抬升噪聲水平，縮小基站覆蓋距離。干擾嚴重時會阻塞電臺的接收，徹底關閉上行通道。基站、電臺為了規(guī)避帶外干擾信號帶來的影響，特別選用高抑制、低帶寬的腔體濾波器，能夠極大抑制帶外信號進入基站和電臺的通道，保證系統(tǒng)接收靈敏度?；尽㈦娕_內(nèi)部的基帶濾波器設計也能夠抑制帶外信號的干擾，在腔體濾波器抑制帶外大功率信號輸入的前提下，基帶濾波器能夠進一步消減帶外干擾，提高接收靈敏度[6]。（2）帶內(nèi)信號的干擾對抗。帶內(nèi)信號和LTE網(wǎng)絡的信號混疊在一起，造成LTE接收信號的解調(diào)出現(xiàn)誤碼，在干擾嚴重時將極其影響LTE的通信狀態(tài)，造成丟包率增加、延時加大、甚至阻斷連接。針對帶內(nèi)嚴重干擾這種情況，LTE基站采取了干擾偵測和規(guī)避技術來有效降低干擾信號的影響。LTE基站能夠自動偵測帶寬內(nèi)每個子載波的干擾電平，調(diào)整無線資源調(diào)度的策略，分配子載波時避開受干擾的子載波，優(yōu)先使用底噪低的子載波，能夠在保證必要的傳輸帶寬的情況小消除帶內(nèi)干擾的影響。如果帶內(nèi)干擾信號分布廣泛，將極大影響傳輸帶寬，LTE基站能夠自動偵測和提供干擾偵測報告，提醒業(yè)主和維護工程師確認干擾源頻率，幫助確認和消除外部干擾源[7]。

4 雙網(wǎng)與單網(wǎng)車地通信系統(tǒng)對比

相比于采用單網(wǎng)車地通信系統(tǒng)的CBTC線路，CBTC 2.0方案的FHSS+LTE雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有更完備的冗余能力和更強的抗干擾能力，從而保證車地通信業(yè)務的穩(wěn)定傳輸[8-10]。

4.1 可靠性對比

CBTC2.0所構(gòu)建的雙網(wǎng)形式相比單網(wǎng)在可靠性上有大幅的提升。目前FHSS技術下的2.4GHz無線通信網(wǎng)絡存在受相同頻段民用設備干擾的風險，并且經(jīng)過近年來對該無線網(wǎng)絡的故障總結(jié)，發(fā)現(xiàn)在日常運行中列車的單頭通信經(jīng)常會出現(xiàn)中斷，導致列車通信穩(wěn)定性下降。如果另外一頭再出現(xiàn)故障會使通信列車降級為非通信列車，對運營會造成影響。而軌旁的AP由于受到干擾，連續(xù)多個無法正常發(fā)射信號，導致列車通信中斷的故障也屢有發(fā)生。增加了LTE無線通信網(wǎng)絡后，相當于是提供給了城市軌道交通一個專用的網(wǎng)絡，在其1800-1805MHz頻段中列車的通信不用擔心類似既有的2.4GHz網(wǎng)絡這樣的干擾，同時雙網(wǎng)相結(jié)合的運行方式可以保證列車單網(wǎng)故障或軌旁單網(wǎng)故障時繼續(xù)保持列車的正常運行，對改善列車與軌旁通信穩(wěn)定性有積極作用。單網(wǎng)絡線路與雙網(wǎng)絡線路的可靠性對比表1所示。

4.2 可維護性對比

CBTC2.0下的車地通信網(wǎng)絡擁有完善的冗余，但并不代表其可維護性一定成正比。日常的作業(yè)中維護人員會頻繁的通過網(wǎng)管篩查報警，確認軌旁和車載設備狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)存在故障隱患或者設備冗余丟失，肯定會在第一時間安排人員趕赴現(xiàn)場處理。雖然CBTC2.0下的車地通信網(wǎng)絡設備冗余性得到提高，但如果硬件設備依舊沒有足夠的可靠性，那么設備的冗余只能降低正線的故障，卻可能因為硬件數(shù)量的增加導致硬件發(fā)生故障的概率上升最終反而降低了雙網(wǎng)系統(tǒng)的可維護性。

此外硬件設備的增多加大了日常巡檢和年月檢的工作量，對于維護人員而言單位時間的工作強度反而提升了，所以要想提高設備的可維護性，必須完善冗余的同時提高設備硬件的可靠性，只有這樣才能減少日常巡檢強度，多通過中央報警的篩查，進行針對性的設備維護，達到提高設備穩(wěn)定和降低人力成本雙贏的目的。

5 結(jié)語

通過對CBTC2.0信號系統(tǒng)下雙網(wǎng)車地通信系統(tǒng)的了解，以及和老線路的單網(wǎng)進行對比，可以看出，隨著無線通信技術的發(fā)展，城市軌道交通的車地通信系統(tǒng)比前一代有了長足的進步。通過采用最新的LTE-TDD技術和完善的冗余設計，使得這套雙網(wǎng)車地通信系統(tǒng)的抗干擾能力和設備冗余能力有了顯著的增強，解決了單網(wǎng)系統(tǒng)中一些較為突出的問題。同時我們也必須預見到單一的堆砌冗余設備是不科學的，必須提升硬件設備的質(zhì)量，唯有可靠的硬件才是設備長期穩(wěn)定運行的保證。雙網(wǎng)絡車地通信這項新方案的應用保證了上海軌道交通5號線的信號系統(tǒng)能夠為廣大乘客提高了一個安全、舒適、方便、快捷的出行體驗，也為全國后續(xù)軌道交通車地通信系統(tǒng)提供了良好的借鑒意義。

參考文獻

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