基于WLAN的车地无线覆盖优化分析
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作者:杜雅茹
摘要：目前城市轨道交通信号系统一般采用WLAN技术来承载CBTC（基于通信的列车控制，Communication Based TrainControl）车地无线传输。WLAN技术并不是为移动环境下的数据传输所设计的，用其设计数据通信系统（Data Communica-tions Subsystem，DCS）时车地无线存在干扰严重、切换时延过大等缺陷。既有线路许多已采用基于WLAN技术的DCS方案，并采用车载双天线无缝切换方案、全线规划布置交叉双网的轨旁基站与列车通信的传统方案进行优化。然而因传输和线路问题，实际运营中仍然发现无线场强覆盖存在弱场、干扰严重等问题。该文分析其形成原因，据此提出相应无线覆盖优化解决措施。
关键词：轨道交通;无线通信;网络优化;解决措施
中图分类号：TN607 文献标识码：A
文章編号：1009-3044（2020）19-0040-02
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
目前车地无线通信普遍采用基于IEEE 802.11的WLAN（无线局域网）技术，一般采用的2.4G频段或5.8G频段，窄带宽，信号覆盖不均匀。该技术存在频点干扰严重，公共频带干扰严重、高速性能瓶颈等重要缺陷。目前存在乒乓切换、列车频繁切换基站、无线信号不连续、信号强度下降、信号干扰等问题。这些问题会造成通信中断，列车区间EB。针对这些问题，本文对无线传输过程和场强覆盖进行理论分析，并提出网络优化解决措施。
1 车地无线通信原理
DCS无线网络用于承载车载和轨旁CBTC系统间信号数据流的通信，它由位于轨旁基站、车载无线天线、车载无线调制解调器组成，一般采用双网冗余通信。
DCS无线系统能在列车沿轨道运行过程中为车载和轨旁系统提供连续的通信连接。线路上每300米设置一个轨旁无线基站。在某个无线单元信号覆盖范围内，车载调制解调器接人该基站，在两个基站的重叠区域，列车会进行越区切换。
轨旁无线基站主要有两套无线调制解调器、电源转换器、光电转换器组成，以实现双网冗余通信。两套无线调制解调器连接到各自的功分器上，功分器连接到定向天线上用于传输射频（RF）信号，具体的传输工程如下：
（1）信号发射过程：光信号由室内交换机端通过光纤传至轨旁基站，通过光电转换器转化为电信号，再经过调制解调器的调制为适合空间传输的射频信号，通过功分器将该射频信号分为两路相同的信号，分别由馈线连至天线增益后发射该信号，与车载无线设备通信。
（2）信号接受过程是发射的逆过程，将通过天线接收信号，再由车载调制解调器解析信号。
（3）越区切换过程：与下一个基站建立连接的过程，目前基本采用硬切换的方式，当移动节点连接到新时，首先需断开与当前的连接，会导致系统通信的中断，不能实现无缝切换。
2 场强覆盖分析
2.1 场强覆盖规划
理论上采用自由空间无线传播方式，在传输距离达到400米时，车载无线modem仍有30dB左右的链路余量。如下表所示，从轨旁基站到车载modem之间的场强规划。其中传输功率、功分器衰减、天线增益、接收灵敏度都是设定值，自由空间损耗、馈线系统衰减、天线角度是变量，这些环节出现问题会导致弱场现象。
馈线系统衰减、天线角度造成的衰减暂时无法计算，可以优化。路径损耗原理如下：电磁波传播介质主要有自由空间、波导管、漏泄电缆3种。因城市轨道交通一般在隧道中，本文可选取电磁波在自由空间中传播的情况进行分析，则路径损耗为
Ls=-27.56+20lgf+20lgd
d是列车与当前关联TRE的距离;f是信号频率2.4MHz。随着列车运行，路径损耗与距离成正比，信号强度与距离成反比。
2.2 场强覆盖优化方法分析
无线系统场强优化调整方法有：（1）调整发射功率;（2）调整接收器灵敏度;（3）提高系统抗干扰能力;（4）调整发射/接收天线的增益。
基于WLAN的无线通信系统采用2.4GHZ的双频窄带系统，采用窄带传输所以系统抗干扰能力强，缺点是降低了通信质量。发射和接收采用高增益定向天线传输，增益量为14DBi，无须调整。提高接收器的接收灵敏度能够增加接收机最低接收场强，但会影响越区切换过程，调整后容易造成乒乓切换。因此优化通信传输距离和信号强度的方法主要为调节发射功率，优化弱场强场区域的发射功率，但要注意调整后不得干扰邻区通信。
优化还需考虑移动无线环境（射频信号在隧道内的衰减非常迅速）、天线高度以及传播情况（例如反射、绕射、散射）。因此网络优化还需勘探现场环境，调整天线角度和高度。
3 目前车地无线通信存在的问题及应对之策
3.1 无线信号覆盖存在的问题
实际运营中发现这种越区切换方式会造成以下问题：
（1）基站切换前（后）出现中断或者频繁信号中断现象
在触发越区切换后，车头开始向目标基站进行切换操作。在车载modem与原基站断开连接，到与目标基站建立连接的过程中，会出现车辆与地面的通信时延现象。如果多次切换都无法成功接人目标基站，若车地通信出现时间间隔大于5s的通信超时会触发列车紧急制动。
自切换单次中断时间不大于SS就不会引起列车EB，但是多次出现切换中断则会造成通信异常。当扫描到目标后，移动节点与目标之间需通过认证及重关联过程后才开始转发数据。从开始切换到与目标完成重关联操作之间有一段延迟。这时如果信道突然恶化，就会造成当前与之间的信号质量急剧降低，从而导致与目标完成重关联之前已不能通过当前转发数据，这样通信就会中断。
（2）某基站与该区段天线相连的RF电缆出现问题（损坏、进水） 信号切换时出现场强覆盖电平低于70dB，且有电平陡降现象，原因一般为区间基站天馈线连接头松动或馈线电缆损坏导致输出降低，场强覆盖区弱场。
（3）出现频繁切换基站的情况
由于城市轨道交通运行环境复杂多变，导致信道变化较大，当目标小区的信号强度高于当前小区时，就触发越区切换。然而由于受到外界环境的干扰，某一时刻目标小区的信号强度突然下降，就会切换回原小区。这样就在目标小区与原小区之间来回切换，导致“乒乓切換”。
（4）信号在区间某个位置收到外界干扰的情况
无线通信采用2.4G频段中干扰较少的CHI和CHII两个频段，工作信道在2400-2483.5 MHz之间，以5 MHz间隔，调制解调器会接收到的其他2.4G无线干扰信号。2.4GHZ为公用频率，无线信号蓝牙等会对车地无线通信产生同频干扰。
3.2 无线信号优化方法
（1）调节天线的角度
车地通信采用定向天线，轨旁定向天线角度有问题会造成区间弱场，车载定向天线角度问题会导致该车多处TRE切换前后信号中断等异常问题。若场强覆盖分析发现多处TRE切换前后信号中断或者异常情况时（其他列车均未出现该现象），优先考虑是列车车载天线角度问题;若发现某处弱场，则考虑区间天线角度问题。
（2）调节轨旁基站的发射功率
调节轨旁基站的发射功率，增强弱场区域无线信号场强，降低强场区域功率值，这样可以优化场强覆盖，降低信号干扰，有效避免列车在轨旁基站之间频繁切换、自切换、乒乓切换现象。
（3）排查无线链路
在无线链路环节，若某区域出现弱场，也应对天馈系统的电缆接头连接处、传输设备驻波比等情况排查。也会出现收光正常但是接收信号有问题的故障，需更换光电转换器。因为光电转换器出现问题，会造成接收和发送的信号弱或者无法传输和接收信号。
此外，信号从室内交换机传至室外基站，存在一定的光衰值，调整室内交换机端的发光到合适的值，可以避免信号从交换机端到基站的衰减过大、信号弱的问题。
4 总结
本文分析了基于WLAN的车地无线通信系统的信号传输方式和原理，车地通信质量的关键在于轨旁基站场强覆盖是否分布均匀。为了减少实际运营存在的弱场干扰现象，根据无线传输的理论提出了调整问题区域的基站功率的方法。实际网络优化过程发现上述方法有效解决了轨旁基站自切换、兵乓切换等问题，对降低列车区间EB的故障率、提高运营安全性有积极作用。
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【通联编辑：代影】
收稿日期：2020-04-10
作者简介：杜雅茹，女，单位：郑州地铁集团运营分公司，初级职称，研究生学历。
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