浅析上海轨道交通5号线无线双网车地通信系统

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　　摘 要：上海轨道交通5号线于2016年起进行信号系统大修改造。改造后使用TST CBTC2.0移动闭塞系统。该套系统的一项技术特点就是车地通信网络在保持原有FHSS（无线跳频）网络基础上，新增LTE无线通信网络，形成双网冗余架构。每个车地无线通信网络都配置了独立的轨旁骨干网，及独立的轨旁无线接入点或基站用来传输数据。车载设备则在列车每端都安装了FHSS和LTE的独立电台。这种双网车地通信系统可以确保车地通信业务的可靠性，单点、甚至单网故障都不会对运营造成影响。
　　关键词：车地通信;双网冗余;FHSS;LTE
　　中图分类号：U231.7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）01-0019-03
　　0 引言
　　上海轨道交通5号于2003年11月正式投入运营。2014年，距离5号线开通已过十年，接近大修年限。由于沿线规划发生了巨大变化，5号线客流预测的年限和数值均发生较大调整，明显地突破了原线路的预计客流。无论是通过能力或输送能力均已不能满足今后的需要，因此必须对既有线进行扩能改造。而5号线的系统通过能力和输送能力较低又是因为受制于信号通过能力偏低，所以扩能势必要通过改造信号系统来实现。
　　1 TST CBTC2.0系统简介
　　2018年底，5号线信号系统改造完成。新系统采用了TST CBTC2.0方案。该方案是具有先进技术的移动闭塞无线CBTC系统。它提供了所有CBTC的功能：ATS、ATP、ATO，且是一个可以达到120秒或者更小运行间隔的真正的移动闭塞系统，也是一个可满足项目需求的纯正移动闭塞系统。CBTC2.0系统包含5个子系统：列车自动监控，也称中央控制单元（CCU）;軌旁ATP，也称移动授权控制单元（MCU）;车载控制单元（VCU）;数据通信单元（DCU）以及智能维护支持系统（IMSS）。其中数据通信单位的一项新技术就是车地通信网络在保持原有FHSS（无线跳频）网络基础上，新增LTE无线通信网络，形成双网冗余架构[1-2]。CBTC 2.0的系统架构框图如图1所示。
　　2 FHSS网络设计
　　FHSS无线网络使用802.11跳频技术，工作频段为ISM 2.4GHz。该技术被证明可以在复杂的电磁环境，尤其是在2.4GHz WIFI干扰情况下正常工作，是适合于信号系统车地通信网络的解决方案，并且在高架和地下段都能可靠工作。
　　2.1 FHSS轨旁-车载设备架构
　　FHSS网络的轨旁设备主要由AP（无线接入点）组成。AP安装在正线、停车场和试车线，平均大约每200m一个。实际距离要取决于线路的地形、隧道结构、地方标准及天线类型等。AP天线的布置方法将其所需的数量降到了最低，同时还考虑了轨道弯道的特殊传播情况，以及长大区间的距离因素。不论是隧道还是高架，亦或是地面，都将根据线路测量期间实际测到的无线信号覆盖范围来安装天线。天线位置的设置规则为：相邻AP的信号可以重叠，FHSS的信号网络必须覆盖整个线路。这种信号的重叠提供了轨旁无线信号的冗余，如果一个AP或者隔一个AP交替发生故障，都能确保连续的无线覆盖，不会产生信号盲区[3]。FHSS网络的AP无线冗余覆盖示意图2所示。
　　FHSS网络的车载设备称为车载无线单元（OBRU），它主要由SDR模块、滤波器、电台（SA）及天线组成。这些设备分别位于列车的A端和B端。在列车运行过程中，车头可以收到前方2个有效无线辐射信号，车尾可以收到后方2个有效无线辐射信号，只有当4路无线信号同时发生故障或者被同时干扰的极端情况出现时，列车才会丢失通信。以上这种高冗余性设计大大增强了整个系统的可靠性。充足的数据吞吐量、更好的干扰恢复能力、超过200km/h高速列车在AP间的无缝切换等，满足了CBTC的要求。
　　2.2 FHSS的抗干扰分析
　　在802.11无线通信协议内，使用FHSS跳频技术可以防止窄带干扰，并使重新传输能够获得更高的成功机会，因为它可以在一个完全不同的，也许是50MHz或更高频率上工作，从而避开了所有的干扰。这项技术非常有效，它能使多个用户同时进入一个相同频段而互不干扰。这些用户可以是其它FHSS系统，例如蓝牙，以及DSSS系统。跳频为用户提供了一种机制，使无线载波频率能通过虚拟的随机移动带宽来互相避让。正是由于精心选择了开放的标准技术，DCU可以在列车周围或接入点天线旁存在蓝牙设备及WIFI系统的情况下，正常运行而不丢失数据包。但由于2.4GHz频段是一个全球性免费开放频段，随着民用和商用WIFI网络的普及，该频段下用户量急剧增加，当这些设备与CBTC系统处于相同的环境同时工作频点重叠时，就不可避免的对CBTC无线通信产生同频干扰。车地通信系统使用FHSS单网络的线路，其列车通信丢失的次数相比刚刚开通时大幅增加[4]。
　　3 LTE网络设计
　　CBTC2.0系统的车地通信网络在已布置了FHSS跳频技术的同时，引入了全新的LTE网络，形成了双网冗余结构。LTE车地无线通信网采用国际先进的LTE-TDD技术，使用城市轨道交通专用的无线通信频段（1800～1805MHz），与公众使用的移动通信系统以及WIFI（2.4GHz频段）有较好的隔离，对轨旁FHSS无线网络几乎没有干扰[5]。
　　3.1 LTE轨旁-车载设备架构
　　LTE车地无线通信网络的轨旁设备由核心网EPC，基站（BBU），远程无线单元（RRU）和泄露电缆组成。该网络采用A/B双网设计，A网和B网是两个完全相同，完全独立，互不影响的网络，其物理链路与设备都是如此。这使得LTE系统自身就具备了双网冗余特性，消除了CBTC业务在车地无线网络中因单点故障而对运营造成的影响。LTE网络的架构如图3所示。
　　车载方面，每列车的车头和车尾都放置一台A网LTE车载电台（TAU）和B网LTE车载电台，每个电台连接两个天线，采用双网设备同时工作，分别接入轨旁A网和B网的LTE无线网络，构成车地通信的第三条和第四条无线通道。 　　3.2 LTE的抗干扰分析
　　LTE抗干扰措施主要包括对带外信号的抑制和对带内信号的对抗和规避。（1）带外干扰信号的抑制。带外干扰信号对LTE网络的影响主要体现在对基站（BBU）、车载电台（TAU）接收的干扰，降低接收灵敏度，严重抬升噪声水平，缩小基站覆盖距离。干扰严重时会阻塞电台的接收，彻底关闭上行通道。基站、电台为了规避带外干扰信号带来的影响，特别选用高抑制、低带宽的腔体滤波器，能够极大抑制带外信号进入基站和电台的通道，保证系统接收灵敏度。基站、电台内部的基带滤波器设计也能够抑制带外信号的干扰，在腔体滤波器抑制带外大功率信号输入的前提下，基带滤波器能够进一步消减带外干扰，提高接收灵敏度[6]。（2）带内信号的干扰对抗。带内信号和LTE网络的信号混叠在一起，造成LTE接收信号的解调出现误码，在干扰严重时将极其影响LTE的通信状态，造成丢包率增加、延时加大、甚至阻断连接。针对带内严重干扰这种情况，LTE基站采取了干扰侦测和规避技术来有效降低干扰信号的影响。LTE基站能够自动侦测带宽内每个子载波的干扰电平，调整无线资源调度的策略，分配子载波时避开受干扰的子载波，优先使用底噪低的子载波，能够在保证必要的传输带宽的情况小消除带内干扰的影响。如果带内干扰信号分布广泛，将极大影响传输带宽，LTE基站能够自动侦测和提供干扰侦测报告，提醒业主和维护工程师确认干扰源频率，帮助确认和消除外部干扰源[7]。
　　4 双网与单网车地通信系统对比
　　相比于采用单网车地通信系统的CBTC线路，CBTC 2.0方案的FHSS+LTE双网结构具有更完备的冗余能力和更强的抗干扰能力，从而保证车地通信业务的稳定传输[8-10]。
　　4.1 可靠性对比
　　CBTC2.0所构建的双网形式相比单网在可靠性上有大幅的提升。目前FHSS技术下的2.4GHz无线通信网络存在受相同频段民用设备干扰的风险，并且经过近年来对该无线网络的故障总结，发现在日常运行中列车的单头通信经常会出现中断，导致列车通信稳定性下降。如果另外一头再出现故障会使通信列车降级为非通信列车，对运营会造成影响。而轨旁的AP由于受到干扰，连续多个无法正常发射信号，导致列车通信中断的故障也屡有发生。增加了LTE无线通信网络后，相当于是提供给了城市轨道交通一个专用的网络，在其1800-1805MHz频段中列车的通信不用担心类似既有的2.4GHz网络这样的干扰，同时双网相结合的运行方式可以保证列车单网故障或轨旁单网故障时继续保持列车的正常运行，对改善列车与轨旁通信稳定性有积极作用。单网络线路与双网络线路的可靠性对比表1所示。
　　4.2 可维护性对比
　　CBTC2.0下的车地通信网络拥有完善的冗余，但并不代表其可维护性一定成正比。日常的作业中维护人员会频繁的通过网管筛查报警，确认轨旁和车载设备状态，一旦发现存在故障隐患或者设备冗余丢失，肯定会在第一时间安排人员赶赴现场处理。虽然CBTC2.0下的车地通信网络设备冗余性得到提高，但如果硬件设备依旧没有足够的可靠性，那么设备的冗余只能降低正线的故障，却可能因为硬件数量的增加导致硬件发生故障的概率上升最终反而降低了双网系统的可维护性。
　　此外硬件设备的增多加大了日常巡检和年月检的工作量，对于维护人员而言单位时间的工作强度反而提升了，所以要想提高设备的可维护性，必须完善冗余的同时提高设备硬件的可靠性，只有这样才能减少日常巡检强度，多通过中央报警的筛查，进行针对性的设备维护，达到提高设备稳定和降低人力成本双赢的目的。
　　5 结语
　　通过对CBTC2.0信号系统下双网车地通信系统的了解，以及和老线路的单网进行对比，可以看出，随着无线通信技术的发展，城市轨道交通的车地通信系统比前一代有了长足的进步。通过采用最新的LTE-TDD技术和完善的冗余设计，使得这套双网车地通信系统的抗干扰能力和设备冗余能力有了显著的增强，解决了单网系统中一些较为突出的问题。同时我们也必须预见到单一的堆砌冗余设备是不科学的，必须提升硬件设备的质量，唯有可靠的硬件才是设备长期稳定运行的保证。双网络车地通信这项新方案的应用保证了上海轨道交通5号线的信号系统能够为广大乘客提高了一个安全、舒适、方便、快捷的出行体验，也为全国后续轨道交通车地通信系统提供了良好的借鉴意义。
　　参考文獻
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