CBTC無線通信子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試

1、CBTC無線通信子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試發(fā)布日期：2013-06-2022:30CBTC無線通信子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試摘要:對(duì)CBTC無線通信子系統(tǒng)在隧道中的無線菲涅爾區(qū)和無線隧道損耗模型進(jìn)行計(jì)算，提出了無線通信子系統(tǒng)AP設(shè)置的合理間距。結(jié)合杭州地鐵現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞:無線通信；子系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；測(cè)試CBTC是基于通信的列車控制系統(tǒng)。CBTC無線通信子系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)），實(shí)時(shí)傳輸控制命令和列車位置信息，是地鐵運(yùn)營(yíng)安全、高效、可靠的保證。系統(tǒng)由分布式系統(tǒng)、軌旁無線接入點(diǎn)AP、車載無線通信單元和無線傳輸媒介等四部分組成。分布式系統(tǒng)，用來連接不同基本服務(wù)區(qū)（BSA）的通信信道

2、，一般采用大容量、高速有線傳輸網(wǎng)。軌旁無線接入點(diǎn)AP，是無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)的橋節(jié)點(diǎn)。車載無線通信單元，安裝在車頭和車尾的車載設(shè)備機(jī)架內(nèi)，是AP的通信客戶端。無線傳輸媒介，包括漏纜、波導(dǎo)管和空間波等。列車在隧道區(qū)間運(yùn)行時(shí)，地面AP機(jī)箱通過有線冗余網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至控制中心及各車站，實(shí)現(xiàn)車-地之間控制命令的上、下傳遞。目前，國(guó)內(nèi)夕卜CBTC系統(tǒng)均采用2.4GHz頻段，列車運(yùn)行要求如下。1 傳輸帶寬：列車高速移動(dòng)時(shí)能滿足系統(tǒng)傳輸速率需求，最不利情況下傳輸帶寬不小于1Mb/s。2 .丟包率：無線傳輸系統(tǒng)丟包率應(yīng)不影響系統(tǒng)的有效性要求雙網(wǎng)的丟包率為0.01%。3 .傳輸延時(shí)：越區(qū)切換中斷時(shí)間應(yīng)滿足不間斷通信

3、要求，ATP允許的報(bào)文傳輸（更新）延時(shí)時(shí)間最大為0.5s。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)為確保隧道空間運(yùn)行中的列車控制信息在任何地點(diǎn)、時(shí)間都能雙向傳輸，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮無線協(xié)議、調(diào)制方式、切換機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)安全外，還必須進(jìn)行合理的AP布點(diǎn)。下面以杭州地鐵1號(hào)線CBTC無線通信子系統(tǒng)AP布點(diǎn)為例進(jìn)行介紹。1.1隧道中的菲涅耳區(qū)無線電波在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間傳播時(shí)存在著一個(gè)對(duì)電波傳播起主要作用的空間區(qū)域即傳播主區(qū)，可用菲涅耳區(qū)來表示。不同路徑的電磁波通過第一菲涅耳區(qū)到達(dá)接收天線時(shí)，由于作用相同，接收點(diǎn)的信號(hào)最強(qiáng)。當(dāng)收發(fā)機(jī)天線只利用第一菲涅耳區(qū)傳播電磁波時(shí)，接收天線能得到所有傳播環(huán)境中最大的輻射場(chǎng)。第一菲涅耳區(qū)的大小可以用

4、菲涅耳半徑r表示:其中，d、d2分別表示發(fā)射天線和接收天線與平面（該平面以收發(fā)天線連線垂直，與菲涅爾橢球相交形成的半徑稱為菲涅爾半徑）間的距離;d為發(fā)射天線與接收天線間的距離。當(dāng)flI（I二-T/時(shí)，菲涅爾半徑最大宀''。假設(shè)隧道空間滿足自由空間傳播條件，若隧道寬為w，高位h，令r=w/2，貝比maxd=w/入（2）max22400MHz電磁波長(zhǎng)入=0.125m。典型地鐵隧道為圓弧形、矩形或馬蹄形截面，可近似等效為邊長(zhǎng)為6m的矩形截面，由（2）式計(jì)算可得d=288m。max1.2隧道無線路徑損耗模型軌旁天線固定在隧道壁上，車載天線安裝在列車頭部，這種情況下無線通信受隧道空間和車

5、輛高度限制，地表和隧道壁侵入第一菲涅爾區(qū)，遮擋部分信號(hào)傳播最強(qiáng)的區(qū)域，遂道路徑損耗P:PldB）=20lgf+18.6lgd+41.6（3）其中，f為電磁波頻率（MHz）,d為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離（km）。對(duì)于2.4GHz無線電波，由（3）式可得200m的路徑損耗是96.2dB。通常估算無線路徑損耗和覆蓋范圍的公式為：P=P+G+G-P-a（5）rttrl其中P為最小接收電平（dB）,P為最大發(fā)射功率（dB）G為發(fā)射天線增益（dB）,rttG為接收天線增益（dB）,Pl為無線鏈路的路徑損耗（dB）,a為線纜、接頭、玻璃等的損rl耗（dB）。假定發(fā)射端發(fā)射功率Pt為20dBm,發(fā)射天線增益為

6、15dBm,接收機(jī)天線增益為10dBm，路徑損耗96.2dB,線纜、接頭損耗8dB。由（5）式得P=20+10+15-96.r2-8=-59.2（dB）IEEE802.11g對(duì)接收機(jī)最小接收功率規(guī)定:一個(gè)長(zhǎng)度為1024B的數(shù)據(jù)單元，在傳輸速率為6Mb/s下，達(dá)到10%誤幀率時(shí)接收機(jī)最小接收功率為-82dBm。因此，最小接收電平-59.2dB滿足接收機(jī)最大傳輸速率的功率要求。AP布點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮隧道無線信號(hào)的空間傳播距離、無線覆蓋密度外，還應(yīng)考慮遮擋物體、干擾源等環(huán)境限制。要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)整相鄰小區(qū)的覆蓋范圍，呆證相鄰區(qū)間沒有未覆蓋區(qū)域。在此基礎(chǔ)上使相鄰小區(qū)有一定重疊，角保越區(qū)切換成功，呆證

7、通信的持續(xù)性和可靠性。因此，綜合各方面的因素，AP間距200m能滿足城市軌道交通車-地信息傳輸。2系統(tǒng)測(cè)試軌旁無線AP通過星形的方式連接各站的接入交換機(jī)，形成各站點(diǎn)、設(shè)備相連的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)。地面AP箱的間距200m,可根據(jù)線路適當(dāng)調(diào)整。每個(gè)軌旁AP箱配置2個(gè)AP模塊、2組定向天線（八木天線）分別接入2個(gè)網(wǎng)絡(luò)。在車頭、車尾分別安裝一套信號(hào)車載無線單元及車載天線，用于發(fā)送接收無線信號(hào)。八木天線一般安裝在隧道頂壁或者天線桿上，2組天線安裝在同一橫截面上。AP布置如圖1所示。2.1靜態(tài)測(cè)試選取直線、岔區(qū)、彎道和站臺(tái)等多個(gè)特殊線路區(qū)段，分別進(jìn)行無線信號(hào)傳輸測(cè)試。在發(fā)送、接收端將PC機(jī)與AP相連，模擬車-地

8、間數(shù)據(jù)傳輸，隧道內(nèi)靜態(tài)模擬測(cè)試如圖2所示。使用流量發(fā)生器打入背景流數(shù)據(jù)，在PC1使用fastping工具，發(fā)送64,256J518B報(bào)文，以1s為間隔連續(xù)pingPC2機(jī)，記錄程序上報(bào)時(shí)延、帶寬和丟包率等信息。2.1.1隧道內(nèi)直道測(cè)試V如圖2所示，AP、AP間距250m,AP功率50mW,AP功率12.5mW,測(cè)試1212結(jié)果見表1。表I瞇道內(nèi)直道無線通信測(cè)量數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)包出帶寬“甲山）丟邊率丿強(qiáng)延時(shí)fjns643.2320.012也t仕2910.01513.7R24,側(cè)0.0147.22.1.2隧道內(nèi)岔道測(cè)試AP】距離Ap250m，車載Ap功率50mW，軌旁Ap功率25mW，測(cè)試結(jié)果見表2。表

9、2瞇道內(nèi)岔道無線通信測(cè)量數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)包用帶寬/(Mh/s)丟邑率/編ffi時(shí)/暗643.1590.0466.212.仞0.04213.2巧怡24.315O.2J22.1.3隧道內(nèi)站臺(tái)區(qū)測(cè)試Ap距離Api60m，車載AP功率50mW，軌旁Ap功率25mW，測(cè)試結(jié)果見表3。表3隧道內(nèi)站臺(tái)區(qū)無線通信測(cè)量數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)包倔帶寬/(Mb/s)去包率丿延時(shí)加m64335(k039乩3俯口.6560.04212.224.42114.52.1.4隧道內(nèi)彎道區(qū)測(cè)試Ap距離Ap200m，車載AP】功率50mW，軌旁Ap功率25mW，測(cè)試結(jié)果見表4。表4隧道內(nèi)彎造區(qū)無線通信測(cè)屋數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)包偲帶寬bfWG丟也率延時(shí)/ms6

10、43.E2S(k0418.925612.駅G.O2112.5824.6500.()747.8測(cè)試結(jié)果表明，無線通信子系統(tǒng)傳輸帶寬、延時(shí)均優(yōu)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。由于無線通信采用雙網(wǎng)同時(shí)傳輸信息，文獻(xiàn)3指出冗余結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可用性是非冗余結(jié)構(gòu)的100倍，所以丟包率也滿足合同要求。2.2動(dòng)態(tài)測(cè)試列車在隧道內(nèi)高速移動(dòng)時(shí)，接收機(jī)在很短時(shí)間內(nèi)可能經(jīng)歷若干次衰落，接收信號(hào)會(huì)衰落失真，丟包率和傳輸時(shí)延會(huì)變化，所以對(duì)系統(tǒng)還應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試。2.2.1列車運(yùn)行時(shí)帶寬和丟包率測(cè)試列車分別以60,75km/h的速度在隧道中移動(dòng)，AP功率設(shè)置為50mW，載荷為60B的承載帶寬，發(fā)送和接收雙向傳輸，測(cè)試結(jié)果如表5所示。衷5載荷

11、秋川測(cè)試結(jié)果表牟遼載荷帶寬Mb/s總傳輸數(shù)據(jù)包丿個(gè)接收數(shù)據(jù)包/個(gè)丟失數(shù)據(jù)包/個(gè)去包率60k1914235?42277閔0.1975L1534S4434762R1列車位置信息和控制命令的報(bào)文長(zhǎng)度一般不會(huì)超過64B，通過測(cè)算，可以判斷每列車的傳輸帶寬不會(huì)超過200kb/s。按單個(gè)AP最多關(guān)聯(lián)2輛車考慮，單個(gè)AP傳輸帶寬達(dá)到1Mb/s就能滿足合同需求，實(shí)際測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)好于需求。2.2.2無線網(wǎng)絡(luò)承載CBTC數(shù)據(jù)的時(shí)延列車運(yùn)行速度60km/h，在CBTC流量基礎(chǔ)上，利用fastping工具分別測(cè)試64B和1518B報(bào)文的延遲，測(cè)試結(jié)果如表6所示。表行無線網(wǎng)絡(luò)承載數(shù)據(jù)時(shí)延報(bào)文人小仙平均延遲厲臨最腮延遲/m

12、s最大延遲dras64210.98.615182.SL417.i2.2.3無線網(wǎng)絡(luò)承載CBTC數(shù)據(jù)的切換時(shí)間采用一種簡(jiǎn)化的方法測(cè)試車載AP與軌旁AP間數(shù)據(jù)的切換時(shí)間，就是把新關(guān)聯(lián)軌旁AP發(fā)給車載AP的第一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)戳與前一個(gè)軌旁AP發(fā)給車載AP的最后一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)戳相減，得到的時(shí)間作為AP切換時(shí)間。經(jīng)對(duì)某段線路AP切換時(shí)間測(cè)試，得到結(jié)果：最小切換時(shí)延5.6ms;最大切換時(shí)延24.2ms;平均切換時(shí)延15ms。文獻(xiàn)4計(jì)算證明列車運(yùn)行速度為50,70,90km/h時(shí)允許的最大切換中斷時(shí)間分別為224,160,124ms。實(shí)際測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)好于文獻(xiàn)4結(jié)論，也優(yōu)于合同要求。3總結(jié)基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)是城市軌道交通最重要和最關(guān)鍵的系統(tǒng)之一，鑒于無線通信子系統(tǒng)的重要性，通過多種方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬測(cè)試，掌握了無線通信子系統(tǒng)靜態(tài)及列車動(dòng)態(tài)運(yùn)行下的帶寬、傳輸延時(shí)、切換時(shí)間和丟包率等技術(shù)指標(biāo)取得了一些實(shí)際成果，為杭州地鐵信號(hào)系統(tǒng)的順利實(shí)施提供了理論保障。參考文獻(xiàn)1 吳瓊，彭章友.地鐵隧道中信道的統(tǒng)計(jì)建模J微計(jì)算機(jī)信息，2009,25(9-1):191-193.2 張靜.利用OPNET仿真分析CBTC系統(tǒng)中通信參數(shù)對(duì)列控的影響D.北京:北京交通大學(xué)交通信息工程及控制