軌道交通某線車地無線通信故障分析

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摘要：對上海某軌道交通線路車地無線通信故障頻發問題的歷史日志數據進行統計分析后發現，車速、復雜環境和基站位置都會對通信產生影響，進而引起信噪比惡化，引發車地無線通信故障。從降低干擾源、加裝信號放大模塊及保護敏感源等3個方面，闡述了解決車地無線通信故障頻發問題的措施及其可行性。從某線路的試用效果來看，在射頻前端電路加裝濾波器能顯著降低車地無線通信的故障率。

關鍵詞：城市軌道交通;車地通信;故障分析

上海軌道交通全面部署智能化運維系統后，各系統對通信質量的要求越來越高;但個別線路的車地無線通信系統經常斷線，給列車維護保障帶來不便。本文對某典型地鐵線路(以下稱為“某線”)的車地無線通信故障進行分析，找出故障原因。上海軌道交通信號系統采用CBTC(基于通信的列車控制)技術。某線通信采用FHSS(跳頻)技術，其工作頻段為2.4GHz的ISM(IndustrialScien-tificMedicalBand)頻段［1］。由于任何用戶都可使用該頻段，故該頻段的電磁環境復雜，其通信易受干擾。因此，在實際使用中，經常出現列車通信異常。經過觀察發現，通信設備失效隱藏較深，多數表現為“假死”，即設備報警指示燈顯示正常，但其實已出現通信異常。這給維護工作帶來很大的困難。如能提早發現故障，實現及時維修，則可大大降低故障頻次，提高維護效率，降低維護成本。

1故障數據統計

本文主要基于2017年7月、9月及11月某線車地無線通信系統的1727萬份日志數據，來統計其故障，用于分析車地無線通信設備發生故障的原因。將整理的數據可視化，繪制車地無線通信時間狀態曲線圖。部分截圖如圖1所示。由圖1可見:在大多數的正常情況下，車地無線設備AP(無線接入點)通信處于“平穩心跳”狀態，有節奏地保持著接口重啟和熱重啟，以維持通信系統的正常運行;在極少數的情況下，AP設備發生“心律不穩”，處于異常狀態，嚴重的甚至會出現死機情況。車地無線通信時間狀態曲線可直觀地反映每個車站車地無線通信傳感器的狀態信息，并且能長時間記錄車地無線通信的信號狀態。這是車地無線通信狀態跟蹤、追溯的良好途徑。通過統計各站點的AP設備重啟次數，能迅速找出易發生車地無線通信故障的車站，還能快速定位重啟次數異常的車地無線通AP設備。為讓數據更直觀，可繪制具體某站的AP重啟次數統計餅狀圖，如圖2所示。圖2中，AP2101重啟次數遠高于其他設備，說明該設備存在告警狀況的可能性極大。

2故障原因分析

一般情況下，造成通信質量下降的主要原因是信噪比(SNR)惡化。SNR惡化通常由噪底抬升或目標信號過低造成。結合某線的實地情況進行分析發現，造成某線SNR下降的原因為:①列車的高速行駛對車地無線通信信號強度造成影響。②復雜的通信環境使信號衰落加快，造成接收器接收功率過低，致使目標信號過低。③由于信號基站太靠近車站，導致通信系統工作頻段內的干擾噪聲較大，從而使噪底抬升。

2.1車速對信號強度的影響

當列車高速行駛時，車載AP設備和車站的AP設備距離會迅速縮短。由于存在多普勒效應，當無線電磁波向車站車地無線通信設備靠近時，其頻率會變高;當無線電磁波遠離車站車地無線通信設備時，其頻率會變低。多普勒效應公式為［2］:由式(1)可知，列車運行速度越高，車站車地無線通信發射的頻率與列車接收頻率偏差越大。當頻率偏差嚴重時，會導致通信傳輸數據幀丟失。CBTC系統的車地無線通信信息以幀為單位進行傳輸，故若數據幀丟失則會造成信息重傳甚至通信中斷［3］，對列車運行安全造成很大影響。已知某線列車最高運行速度可達110km/h，則v0為110km/h，v值為3×108m/s，vs值為0。因為車速相對于電磁波傳播速度可以忽略不計，所以頻率偏差不會影響到數據幀丟失，車速對通信影響可以忽略不計。

2.2復雜環境對信號強度的影響

根據Fresnel區理論，信號強度衰敗不是線性降低［4］。某線車站內的2部AP設備一般相距180m左右。根據接收器接收信號強度公式［5］，距1部AP設備180m處的另1部AP設備信號接收強度為－55dBm。根據802.11協議標注和設備指標要求，接收信號強度應大于－80dBm［6］。可見，信號強度符合標準，且留有較大余量。用WirelessInsite軟件對某車站進行建模仿真，得到車站車地無線通信設備的信號強度仿真結果如圖3所示。由圖3可知:車站內的車地無線通信信號分布趨勢符合Fresnel分布;信號強度波動強烈，說明信號不穩定;在一些區域，信號強度已經低于－80dBm。如信號強度較低處周圍有基站或工業信號影響，則極易形成通信干擾，造成失幀和數據丟包。2.3基站位置對通信的影響噪底抬升原理圖如圖4所示。在正常情況下，基站信號維持正常值，其落入地鐵通信系統工作頻段內的干擾信號噪聲信號功率較低。此時，地鐵通信系統的信噪比良好，可進行正常通信，如圖4a)所示。當基站增大發射信號功率或者基站和車站車地無線通信設備距離接近時，地鐵通信系統工作頻段內的干擾噪聲信號功率增大，造成噪底抬升，SNR惡化，使地鐵通信發生異常甚至中斷，如圖4b)所示。例如，某線莘莊段沿線鄰近數個通信基站。在該段，落入地鐵通信頻段內的信號功率偏高，車地無線通信設備的目標信號時常被基站信號湮沒，進而發生通信延時及車地無線通信設備重啟等通信故障，給列車運行帶來安全隱患。

3解決措施

針對故障發生的原因，本文從降低干擾源干擾、加裝信號放大模塊及保護敏感源［7］等3方面采取解決措施。

3.1降低干擾源干擾

在降低干擾源干擾方面，可在基站側加裝濾波器，即將帶通濾波器串聯加裝在射頻前端電路中。此時，加裝的濾波器會與原有帶通濾波器疊加，使帶外抑制更強，矩形系數更大，進而有效降低基站發射機非線性產生的、落入到ISM頻段內的干擾信號。在基站側加裝不同的濾波器后，信號原理圖如圖5所示。由圖5a)可見，當采用濾波器1時，在2400～2420MHz頻段，AP設備接收到的地鐵控制信號SNR為5dB＜6dB，無法解調。由圖5b)可見，當采用了邊沿更為陡峭的濾波器2時，在2400～2420MHz頻段AP設備接收到的地鐵控制信號SNR為10dB＞6dB，可以正常解調。由此可見，在基站側加裝濾波器可有效地緩解基站對地鐵車地無線通信干擾的問題，無需對車載設備與沿線固定設備進行改造。但是該措施的實施也有較大困難:一方面，帶內插損小、帶外抑制大的濾波器在市場上幾乎沒有成品，需要特殊定制，且其指標越好，價格就越高;另一方面，在基站側加裝濾波器需要與電信運營商溝通交涉，其極有可能會影響到基站的性能，電信運營商很難同意。

3.2加裝信號放大模塊

在車載AP設備與軌旁AP設備的天線與信號處理電路之間加裝1個發射信號方法模塊，其電路示意圖見圖6。在AP設備前端加裝信號放大模塊，可提升發射機發射信號的功率，進而使SNR提升。加裝信號放大模塊后的信號強度如圖7所示。圖6信號放大模塊電路圖圖7加裝信號放大模塊后的信號強度圖7中，陰影內峰狀點劃線為發射機加裝圖7中，陰影內峰狀點劃線為發射機加裝信號放大模塊，陰影內峰狀虛線是為發射機未加裝信號放大模塊。由圖7可以看到:未加裝信號放大模塊時，AP設備收到的信號SNR為5dB＜6dB，無法解調:加裝信號放大模塊后，AP設備收到的信號SNR為15dB＞6dB，可以正常解調。采用加裝信號放大模塊的措施可有效提升接收機所收到信號的信噪比，進而增強了AP設備的抗干擾能力。但該措施還可能會使車地無線通信自身的信號過強，進而導致接收機接受到的信號大于接收機的最大輸入電平，產生阻塞。信號放大模塊需小心設計，既要能放大信號，又要不至于阻塞接收機。如果采取該措施，則每列列車都需要加裝信號放大模塊，易受干擾路段的軌旁AP備上也都要加裝信號放大模塊，數量較多，需和車地無線通信設備供應商交涉。此外，增強的車地無線通信信號還可能會對移動通信系統產生干擾，需謹慎選擇。

3.3保護敏感源

保護敏感源措施:在射頻前端電路中，在車載AP設備與軌AP設備的天線與信號處理電路之間，加裝1個帶寬為ISM頻段的帶通濾波器。該措施電路如圖8所示。在射頻前端電路加裝濾波器可有效提高射頻前端電路對通信頻段外強干擾信號的抗干擾能力，可對ISM頻段外的信號加以抑制。加裝濾波器后，從基站發出的大功率移動通信信號在進入地鐵接收機前端時信號功率會減小，進而使射頻接收機前端產生飽和失真的概率減小。由于這種方案不會影響現有的其他通信系統，也無需與其他單位交涉，所以可行性較高。圖8車地無線通信設備前端加裝濾波器在射頻前端電路加裝濾波器的措施已在某線進行試用。圖9為加裝濾波器前后的AP設備故障日志數據統計，其中7月份為未加裝濾波器時，9月份和11月份為已加裝濾波器時。試用結果顯示，在射頻前端電路加裝濾波器后，AP設備的異常情況明顯大幅減少，證明該措施對降低車地無線通信異常干擾有顯著效果，能顯著降低故障率。

4結語

車地無線通信設備故障隱藏得較深，往往車地無線通信已經停止工作，故障燈都不跳紅，給維保工作帶來不便。本文將車地無線通信通信生成的日志整理歸納，將故障數據提取，找出故障信息以及易發生故障的車站以及各車站車地無線通信故障比例;再從車速對信號強度影響、復雜環境對通信影響，以及基站密集度和基站距離太近對車地無線通信影響三方面分析產生故障的原因;最后從降低干擾源、加裝信號放大模塊、保護敏感源三個方面提出解決措施，且一些措施已在某線上得到應用，這對其他車站通信故障分析解決有參考意義。

參考文獻

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［5］李晉，付嵩．CBTC無線傳輸方式性能分析及現場測試［J］．現代城市軌道交通，2011(3):8

［6］張志剛．基于WLAN的列車控制系統中軌旁車地通信快速切換方法研究［D］．西安:西安理工大學，2011．

［7］GASTMS．802.11無線網絡權威指南［M］．南京:東南大學出版社，2007．

作者：吳磊 單位：上海地鐵維護保障有限公司車輛分公司