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关于CBTC系统无线通信采用UHF低频段的可靠性分析

作者:企业管理
出处:www.lunrr.com
时间:2019-11-02

基于城市轨道交通通信的列车控制(CBTC)系统使用无线通信作为数据通信系统(DCS)车辆的双向信息通道。首先必须考虑无线传输的可靠性。 CBTC的国外申请包括北美的ATCS,日本的CARAT和欧洲的ETCS。中国已经对CBTC的通信性能进行了许多研究。文献已经建立了铁路环境信道模型来分析高速铁路环境中无线传输的误码率。文献分析了DCS的结构和可靠性,并提出了冗余策略和故障。安全策略;文献综合了随机信道恶化,切换和无线接入设备故障等无线信道故障因素,提出了CBTC数据通信子系统的非冗余结构和冗余结构的可靠性模型。深圳地铁的CBTC受到WiFi(无线局域网)干扰的影响后,CBTC已成为未来的研究方向。上海申通地铁集团有限公司基于张江培训线上400MHz频段的电缆泄漏,启动了一项新的CBTC测试。本文研究了这种新的通信模式,以测试UHF(超高频)的低频段和基于泄漏电缆的传输。专有网络技术的可靠性和可用性。

1系统简介

1.1400MHz系统关键技术

现有的DCS工作于2.4 GHz,采用双向双向自愈主干网环和正交频分复用(OFDM)无线扩频技术以及轨旁AP(无线接入点)接入方法。 2.4GHz属于UHF的高频段,采用基于802.11标准的WLAN(无线局域网)车辆通信方法,无线覆盖范围约为200m。

本文研究的DCS工作在400 MHz,采用4G(第四代移动通信技术)的主流技术,包括码扩正交频分多址(CS-OFDMA),智能天线,时分双工(TDD),动态调制和动态信道分配。导轨旁边采用了基带处理单元(BBU)和无线电远程单元(RRU)。无线覆盖范围约为1公里。根据不同的应用场景,系统提供不同的网络覆盖方案,分为单网交错冗余网络覆盖和双网交错冗余网络覆盖。在张江培训线测试中,无线侧覆盖方案采用了红色和蓝色双网相对应。基站的功率为33 dB,远高于WiFi的AP。新技术利用泄漏的电缆无线覆盖,因此基站可以设置在站机房内,长度不到1.5公里,而无需任何活动设备。电缆覆盖泄漏的优点在于,当一个RRU发生故障时,它的两个相邻RRU足以支持车载设备和铁路侧设备之间的正常无线通信。

1.2传输方式比较

(1)2.4 GHz天线模式:在不使用电缆介质的情况下,使用电磁波在空中将信号从发射天线发射到接收天线。根据城市轨道交通的线性分布特征,车辆天线通常使用全向天线,轨道天线通常使用定向天线以增加传输距离。天线覆盖范围的有效距离取决于发射功率,发射和接收天线的增益,工作频率以及接收器的接收灵敏度。以目前在2.4 GHz频段使用的CBTC无线通信系统为例,其有效覆盖范围约为200 m。

(2)400MHz泄漏电缆模式:泄漏电缆的系统损耗有耦合损耗和纵向传输损耗两种。耦合损耗受电缆槽和外部环境形式的信号的干扰或反射影响。在较宽的频率范围内,辐射耦合越强。损失越低;传输损耗受传输距离的影响,并且随着距离的增加而线性增加。两个损耗的平均值随频率变化。在此400MHz频带CBTC测试中,无线传输电缆的主要泄漏序列为1-5/8,其最大覆盖范围通常为1000m。

2张江培训线测试

2.1测试环境

为了验证在400MHz频段采用4G技术的CBTC无线通信方案的可行性,在上海张江培训线上进行了信号覆盖,故障减弱,切换和抗干扰的测试覆盖。训练线的总长度约为1.6公里。 A,B和C中有3个车站(车站B是虚拟车站,没有平台,只允许列车停靠)。训练线配备了2套400MH系统的红蓝网络基站。 1和2通道的信号通过4功率分配器耦合器连接到东部,而第3和第4通道则用同一根泄漏电缆覆盖。 C和C的两个站点使用完整的泄漏电缆进行信号覆盖。网络侧规划了一个红色和蓝色网络的IP子网,该子网连接到第3层交换机,然后将该交换机连接到CASCO Signal Co.Ltd.的CBTC系统。

2.2测试结果

2.2.1站内信号覆盖范围

在测试过程中,从平台的最东侧到最西侧,每两个门(约10 m)选择一个测试点,并记录该点终端的信号强度(以dBm为单位)。在南北两侧选择了22个测试点。

从南北两侧相同位置的数据可以看出,大多数南侧信号略强于北侧信号,RRU附近的测量点相对较强。从张江测试线的整体数据来看,整条线的信号强度基本上都在-75dBm以上,可以满足终端同步和业务需求。

2.2.2故障减弱和切换

当基站与基站控制设备核心网之间的SAC链路异常时,400 MHz系统支持弱化故障,使终端可以完成基站之间的正常切换。研究了切换过程中的丢包和时延变化。从诊断工具来看,在终端交换过程中,ping服务中没有数据包丢失。同时,在火车运行中打开帧记录,记录日志以查找fping,并使用wireshark工具捕获包裹。

从wireshark数据包捕获的分析来看,交换机中基本上没有重复的数据包,并且一次仅丢失一个ping数据包。测得的平均切换时延比未优化前的平均切换时延低约200ms,可以满足要求。因此,在系统弱化状态下,终端可以正常在基站之间进行切换,基本可以满足正常的操作需求。

2.2.3抗干扰条件

天线放置在汽车外部,汽车的开放空间中,并在驾驶室的顶部安装天线,并记录每个位置的本底噪声频谱。以408MHz为中心频率进行测试,车辆内部的噪声与车辆外部的本底噪声没有显着差异,两者均在-110dB左右。在计划将要安装车辆天线的前驾驶室顶部,当天线从外部移入时,底部噪音接近-90 dB。

3可靠性分析

3.1可靠性计算原理

CBTC车辆无线通信容易受到以下三个方面的影响:

(1)履带侧单元故障:由于硬件故障或软件故障,车辆的无线通信无法正常工作。

(2)传输错误:由于轨道交通隧道的环境复杂,多普勒效应,多径反射和各种干扰都会受到影响。

(3)传输中断:当火车经过相邻无线小区的交界处时,由于不合理的移交方式或无线电场强重叠区域的不合理设置,车辆与地面的无线通信将无法正常进行。

3.2示例分析

通过以上分析,单个系统的可靠性主要取决于故障率和修复率。给出了故障率和修复率的参数表。切换失败率的值显着高于传输错误失败率和轨道侧单元的硬故障率,并且发生硬故障的可能性最小。

经计算,单个单元在400MHz和2.4GHz的可靠性大致相同,达到99.99%。对于一条线路,CBTC无线通信系统由多个无线接入点组成。当无线接入点的数量逐渐增加时,传输的可靠性将变差。现有的2.4 GHz系统需要每1 km设置大约5个AP,而400 MHz系统需要设置1个RRU。从组网模式的角度来看,双网交错冗余网络覆盖模式也比单网交错冗余覆盖更可靠。

4结论

为了提高CBTC的可靠性,上海申通地铁集团有限公司已在张江培训线上进行了406.5-409.5 MHz频带内基于泄漏电缆传输的无线通信系统的CBTC测试。实验和可靠性分析表明,基于UHF低频段和泄漏电缆的专用频率网络技术提高了无线通信传输的可靠性。同时,当一个站点设备发生故障时,它的两个相邻站点足以确保无线覆盖并支持车载设备和铁路侧设备之间的正常无线通信。使用特殊频率技术的CBTC无线通信系统将成为未来的发展趋势。新一代的CBTC无线通信模式具有良好的应用前景,值得进一步的工程实验。

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