信號(hào)DCS無線信號(hào)優(yōu)化分析

楊玉祖?王孝?李寧

摘要：目前很多城市信號(hào)DCS無線通信網(wǎng)絡(luò)采用車載雙天線無縫切換方案，全線規(guī)劃布置交叉雙網(wǎng)的TRE作為軌旁基站與列車通信。因傳輸和線路問題，實(shí)際運(yùn)營(yíng)中發(fā)現(xiàn)無線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋存在弱場(chǎng)、干擾嚴(yán)重等問題。確認(rèn)其形成原因有2個(gè)方面：一是天饋系統(tǒng)天線布置和饋線問題;二是TRE場(chǎng)強(qiáng)設(shè)置和信號(hào)干擾問題。據(jù)此，提出相應(yīng)解決措施。

關(guān)鍵詞：軌道交通無線通信;場(chǎng)強(qiáng);質(zhì)量;數(shù)據(jù)分析;解決措施

引言

由于信號(hào)車地通信采用的2.4G窄帶雙頻無線通信系統(tǒng)，信號(hào)覆蓋不均勻，公共頻帶干擾嚴(yán)重。目前存在列車頻繁切換TRE，無線信號(hào)不連續(xù)，信號(hào)強(qiáng)度下降，信號(hào)干擾等問題。這些問題會(huì)造成通信中斷，列車區(qū)間EB。針對(duì)這些問題，本文對(duì)無線傳輸過程和場(chǎng)強(qiáng)覆蓋進(jìn)行理論分析，并提出幾種解決辦法，對(duì)信號(hào)DCS無線信號(hào)覆蓋問題技術(shù)優(yōu)化。

一、DCS無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和原理

（一）DCS無線網(wǎng)絡(luò)

DCS子系統(tǒng)由以下三部分組成：

1.有線網(wǎng)絡(luò)部分，即骨干網(wǎng)，包括：交換機(jī);光電轉(zhuǎn)換器。

2.無線網(wǎng)絡(luò)部分，包括：軌旁無線網(wǎng)絡(luò)：由軌旁無線接入點(diǎn)AP、功分器及定向天線等組成;車載無線網(wǎng)絡(luò)：由車載調(diào)制解調(diào)器及天線組成。無線接入有線網(wǎng)絡(luò)的光交換機(jī)端。

3.網(wǎng)管系統(tǒng)部分，即：IP網(wǎng)管系統(tǒng)。

DCS無線網(wǎng)絡(luò)用于承載車載和軌旁CBTC系統(tǒng)間信號(hào)數(shù)據(jù)流的通信，它由位于軌旁的TRE，車載無線天線、車載無線調(diào)制解調(diào)器組成。設(shè)置了紅藍(lán)雙網(wǎng)冗余通信。

TRE是配置于軌旁的無線傳輸設(shè)備，用于與車載無線設(shè)備之間進(jìn)行無線通信。

（二）無線傳輸過程

信號(hào)發(fā)射過程：光信號(hào)由交換機(jī)端通過光纖傳至TRE，通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制為適合空間傳輸?shù)纳漕l信號(hào)，通過功分器將該射頻信號(hào)分為兩路相同的信號(hào)，分別由饋線連至天線增益后發(fā)射該信號(hào)，與車載無線設(shè)備通信。

越區(qū)切換過程：整個(gè)過程可分為掃描、認(rèn)證和重新關(guān)聯(lián)3個(gè)階段。掃描階段是指列車在指定信道上監(jiān)聽AP定期發(fā)送的信標(biāo)消息， 根據(jù)接收到信標(biāo)消息的信號(hào)強(qiáng)度確定下一個(gè)關(guān)聯(lián)的AP ， 并發(fā)送認(rèn)證消息;認(rèn)證階段是指車載modem確定下一個(gè)關(guān)聯(lián)AP并發(fā)送認(rèn)證消息;重新關(guān)聯(lián)階段是指列車向即將關(guān)聯(lián)的AP發(fā)送1個(gè)連接請(qǐng)求，AP接收到該請(qǐng)求后返回1個(gè)響應(yīng)消息， 通知原先的AP 解除與列車的連接， 釋放鏈路資源， 并與新的A P 連接。

二、場(chǎng)強(qiáng)覆蓋理論計(jì)算

電磁波傳播空間主要有自由空間、波導(dǎo)管、漏泄電纜3種。城市軌道交通一般在隧道中，本文取電磁波在自由空間中傳播的情況，則路徑損耗為

Ls=-27.56+20lgf+20lgd

d是列車與當(dāng)前關(guān)聯(lián)TRE的距離;f是信號(hào)頻率2.4MHz。隨著列車運(yùn)行，路徑損耗與距離成正比，信號(hào)強(qiáng)度與距離成反比。理論上自由無線方案在傳輸距離達(dá)到400米時(shí)，車載無線modem仍有30dB左右的鏈路余量。如下表所示，從軌旁AP到車載modem之間的場(chǎng)強(qiáng)規(guī)劃。

對(duì)于無線通信以及無線系統(tǒng)，影響通信距離和信號(hào)強(qiáng)度的主要性能指標(biāo)有四個(gè)：一是發(fā)射功率;二是接收器靈敏度;三是系統(tǒng)抗干擾能力;四是發(fā)射/接收天線的類型及增益。信號(hào)DCS無線通信采用2.4HZ的雙頻窄帶無線通信系統(tǒng)，窄帶傳輸抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是降低了通信質(zhì)量。發(fā)射和接收采用高增益定向天線傳輸，增益量為14DBi，不需調(diào)整。提高接收器的接收靈敏度能夠增加接收機(jī)最低接收?qǐng)鰪?qiáng)，但會(huì)影響越區(qū)切換過程。接收機(jī)靈敏度是保證接收機(jī)的丟包率小于3%的最低接收信號(hào)強(qiáng)度，不同的數(shù)據(jù)傳輸速率對(duì)應(yīng)不同的接收機(jī)靈敏度。

移動(dòng)通信的無線傳播特性除了和工作頻率有關(guān)，還和移動(dòng)無線環(huán)境（射頻信號(hào)在隧道內(nèi)的衰減非常迅速）、天線高度以及傳播情況（例如反射、繞射、散射）有極大的關(guān)系。

三、目前車地?zé)o線通信存在的問題及應(yīng)對(duì)之策

（一）場(chǎng)強(qiáng)覆蓋圖

下圖是DCS軌旁無線接入點(diǎn)沿線路的無線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋情況。圖中不同顏色的曲線代表沿線不同TRE的無線覆蓋情況，而不同顏色的曲線交界處上方綠色圓圈內(nèi)數(shù)字代表相鄰TRE的切換時(shí)間。由此場(chǎng)強(qiáng)覆蓋圖可以看出自由無線方案的無線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值普遍在-70dBm以上;切換時(shí)間也完全滿足CBTC系統(tǒng)的要求。曲線整體趨勢(shì)的變化代表接收信號(hào)強(qiáng)度隨著距離的變化而變化。

（二）無線信號(hào)覆蓋存在的問題

然而目前越區(qū)切換采用硬切換的方式，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接到新節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先斷開與當(dāng)前的連接然后再連接到目標(biāo)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)通信的中斷，不能實(shí)現(xiàn)無縫切換。

實(shí)際運(yùn)營(yíng)中發(fā)現(xiàn)這種越區(qū)切換方式會(huì)造成以下問題：

1. 信號(hào)不連續(xù)---車地通信出現(xiàn)時(shí)間間隔大于5s的通信超時(shí)（原因?yàn)樘炀€采集機(jī)制、無線干擾）。

在觸發(fā)越區(qū)切換后，車頭開始向目標(biāo)基站進(jìn)行切換操作。在車載modem與原TRE斷開連接，到與目標(biāo)TRE建立連接的過程中，會(huì)出現(xiàn)車輛與地面的通信時(shí)延現(xiàn)象。如果多次切換都無法成功接入目標(biāo)TRE，則由于車地之間通信時(shí)延過大而觸發(fā)緊急制動(dòng)等措施。

2.TRE切換前（后）出現(xiàn)中斷或者頻繁信號(hào)中斷現(xiàn)象

自切換單次中斷時(shí)間不大于5S就不會(huì)引起列車EB，但是多次出現(xiàn)則會(huì)造成通信異常。當(dāng)掃描到目標(biāo)后，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)之間需通過認(rèn)證及重關(guān)聯(lián)過程后才開始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。從開始切換到與目標(biāo)完成重關(guān)聯(lián)操作之間有一段延遲。這時(shí)如果信道突然惡化，就會(huì)造成當(dāng)前與之間的信號(hào)質(zhì)量急劇降低，從而導(dǎo)致與目標(biāo)完成重關(guān)聯(lián)之前已不能通過當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，這樣通信就會(huì)中斷。

3.出現(xiàn)TRE頻繁切換的情況

由于城市軌道交通運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，導(dǎo)致信道變化較大，當(dāng)目標(biāo)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度高于當(dāng)前小區(qū)時(shí)，就觸發(fā)越區(qū)切換。然而由于受到外界環(huán)境的干擾，某一時(shí)刻目標(biāo)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度突然下降，就會(huì)切換回原小區(qū)。這樣就在目標(biāo)小區(qū)與原小區(qū)之間來回切換，導(dǎo)致“乒乓切換”。

4.信號(hào)在區(qū)間某個(gè)位置收到外界干擾的情況

無線通信采用2.4G頻段中干擾較少的CH1和CH11兩個(gè)頻段，工作信道在2400-2483.5 MHz之間，以5 MHz間隔，調(diào)制解調(diào)器會(huì)接收到的其它2.4G無線干擾信號(hào)。2.4GHZ為公用頻率，無線信號(hào)藍(lán)牙等會(huì)對(duì)車地?zé)o線通信產(chǎn)生同頻干擾。

（三）無線信號(hào)優(yōu)化方法

1. 調(diào)節(jié)車載天線的角度

車地通信采用定向的八木天線，軌旁定向天線角度有問題會(huì)造成區(qū)間弱場(chǎng)。車載定向天線角度問題會(huì)導(dǎo)致該車多處TRE切換前后信號(hào)中斷等異常問題。當(dāng)某列車的抓包日志中，出現(xiàn)多處TRE切換前后信號(hào)中斷或者異常情況時(shí)（其他列車均未出現(xiàn)該現(xiàn)象），優(yōu)先考慮是列車車載天線（裝反）等的問題。

2.調(diào)節(jié)TRE的發(fā)射功率

在信號(hào)網(wǎng)管終端上調(diào)節(jié)TRE功率，增強(qiáng)了弱場(chǎng)區(qū)域無線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)，降低強(qiáng)場(chǎng)區(qū)域功率值，這樣可以優(yōu)化場(chǎng)強(qiáng)覆蓋，降低信號(hào)干擾，有效避免TRE頻繁切換和自切換現(xiàn)象。

3.正線室內(nèi)光交換機(jī)至TRE鏈路優(yōu)化

信號(hào)從室內(nèi)交換機(jī)至室外TRE箱盒，存在一定的光衰值，特別距離較遠(yuǎn)接近1310nm光模塊距離極限時(shí)，可通過減少熔接點(diǎn)、減少法蘭頭轉(zhuǎn)接等方式降低鏈路光衰。

總結(jié)

本文分析了信號(hào)車地?zé)o線通信系統(tǒng)的信號(hào)傳輸方式和原理，車地通信質(zhì)量的關(guān)鍵在于TRE場(chǎng)強(qiáng)覆蓋是否分布均勻。為了減少實(shí)際運(yùn)營(yíng)存在的弱場(chǎng)干擾現(xiàn)象，根據(jù)無線傳輸?shù)睦碚撎岢隽苏{(diào)整問題區(qū)域的TRE功率的方法。實(shí)際技術(shù)優(yōu)化過程證明這種方法有效解決了TRE自切換、兵乓切換等問題，對(duì)降低列車區(qū)間EB的故障率、提高運(yùn)營(yíng)安全性有積極作用。同時(shí)本文針對(duì)實(shí)際維護(hù)過程中無線傳輸存在的幾種問題提供了有效的解決方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]衣冠男.改進(jìn)無線通信弱場(chǎng)的技術(shù)方法[J].中國(guó)新通信，2017，19（04）：43.

[2]辛靜. 基于IEEE802.11n的城市軌道交通車地通信研究[D].蘭州交通大學(xué)，2014.