劉瑞豪，申繪欣，王晟輝，錢(qián)志浩，易敏達(dá)，原萍

摘要：本文結(jié)合CBTC系統(tǒng)中的車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信的特點(diǎn)，分析主要的車(chē)地通信性能指標(biāo)對(duì)列車(chē)控制系統(tǒng)的影響，并集中對(duì)列控對(duì)車(chē)地間通信的需求，分析列車(chē)在區(qū)間追蹤運(yùn)行時(shí)的通信中斷時(shí)間，提出一個(gè)合適的系統(tǒng)通信中斷時(shí)間門(mén)限值，以此對(duì)車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信AP基站布設(shè)進(jìn)行了設(shè)計(jì);對(duì)影響列車(chē)越區(qū)切換的主要因素基于實(shí)際測(cè)量統(tǒng)計(jì)分析，最后給出一個(gè)越區(qū)切換的合理時(shí)間。

關(guān)鍵詞：基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng);車(chē)地通信;丟包率;越區(qū)切換

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號(hào)：1674-9324（2014）41-0256-03

一、引言

作為CBTC的重要部分，車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信極大的影響了整個(gè)運(yùn)行控制系統(tǒng)的性能，向來(lái)都是研究的熱點(diǎn)。在參考關(guān)于CBTC車(chē)地通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀后，其中占較高比例的是關(guān)于大鐵GSM.R，較少的是城軌WLAN無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)方面，且通信、列控相結(jié)合的方面有所不足。故本文以闡述城軌CBTC中車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信特點(diǎn)為基礎(chǔ)，分析了列車(chē)運(yùn)行控制對(duì)車(chē)地通信系統(tǒng)的需求和影響列控系統(tǒng)的車(chē)地通信主要性能指標(biāo)，并設(shè)計(jì)了對(duì)CBTC系統(tǒng)合理的主要通信參數(shù)，因此對(duì)這方面的研究本文具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

二、CBTC系統(tǒng)概述

基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)CBTC）利用高精度的列車(chē)定位（不依賴(lài)于軌道電路），能夠執(zhí)行ATP、ATO及ATS功能的車(chē)載和大容量的車(chē)地?cái)?shù)據(jù)通信、雙向連續(xù)、地面安全功能的控制系統(tǒng)，它是新一代的ATC（列車(chē)自動(dòng)控制能處理器的一種連續(xù)自動(dòng)列車(chē)控制）系統(tǒng)，因此它也擁有ATO（列車(chē)自動(dòng)駕駛）、ATS（列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控）和ATP（列車(chē)自動(dòng)防護(hù)）等功能。CBTC系統(tǒng)主要包括列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）、區(qū)域控制器（ZC）、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)（CI）、車(chē)載控制器（VOBC）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元（DSU）、軌旁設(shè)備（WE）和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS）。

三、CBTC對(duì)車(chē)地通信系統(tǒng)要求的分析

1.影響列控系統(tǒng)的主要車(chē)地通信性能指標(biāo)。通常可以從幾項(xiàng)車(chē)地系統(tǒng)性能指標(biāo)來(lái)分析CBTC系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)之間ATC的傳輸?shù)闹饕饔?，其影響系統(tǒng)的性能指標(biāo)大概分為兩種：①區(qū)間連續(xù)丟包長(zhǎng)度。通常會(huì)發(fā)現(xiàn)列車(chē)在快速運(yùn)行過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致列車(chē)和控制中心的通信信號(hào)衰落，產(chǎn)生連續(xù)的幀傳輸錯(cuò)誤等，這是因?yàn)槌鞘熊壍老到y(tǒng)復(fù)雜的無(wú)線(xiàn)通信使列車(chē)在階段連續(xù)的信息傳輸期間獲取到錯(cuò)誤信息。如果把信號(hào)的接收功率和機(jī)器的速度大小聯(lián)系起來(lái)，那么信號(hào)的衰落持續(xù)時(shí)間就是重要的統(tǒng)計(jì)量。②傳輸錯(cuò)誤信息。由于無(wú)線(xiàn)通信會(huì)受到干擾等影響，因此會(huì)導(dǎo)致接收方錯(cuò)誤譯碼或者譯出錯(cuò)誤信息。當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)的時(shí)候，地面控制中心就會(huì)通過(guò)信號(hào)傳輸告訴列車(chē)必須在某個(gè)道岔前停止前進(jìn)，而車(chē)載的接受設(shè)備譯碼錯(cuò)誤，就會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)點(diǎn)提前從而產(chǎn)生安全問(wèn)題。因此，可以根據(jù)CBTC對(duì)信息的要求從而確定車(chē)地間的通信情況。同時(shí)為了保證接收方能檢測(cè)并排除錯(cuò)誤信息，需要采用鏈路層提供的差錯(cuò)控制的方法。

2.列車(chē)控制對(duì)車(chē)地通信的要求。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是CBTC的核心基礎(chǔ)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信可以傳輸大量車(chē)地信息。因此，如果數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)誤信息，那么就隔斷了調(diào)度指揮與控制的聯(lián)系，從而延誤列車(chē)的運(yùn)行以及運(yùn)輸效率。車(chē)地通信在CBTC系統(tǒng)中是有周期性的。車(chē)載定位系統(tǒng)是依據(jù)列車(chē)軌道上的應(yīng)答器來(lái)精確列車(chē)在數(shù)據(jù)庫(kù)里的方位的，并根據(jù)記軸信息來(lái)明確當(dāng)前列車(chē)的位置，再利用無(wú)線(xiàn)線(xiàn)路把行動(dòng)列車(chē)的速度、運(yùn)行情況等信息發(fā)送給列車(chē)自動(dòng)監(jiān)督（ATS）子系統(tǒng)和控制器（ZC）。列車(chē)運(yùn)行到指定區(qū)域時(shí)，為了給后行列車(chē)生成移動(dòng)授權(quán)（MA），地面區(qū)域控制器會(huì)在每段通信周期獲取前車(chē)的所處區(qū)域點(diǎn)，然后根據(jù)這個(gè)區(qū)域點(diǎn)增加一段距離以起到保護(hù)效果。一旦列車(chē)與地面區(qū)域控制器間起著傳輸作用的無(wú)線(xiàn)鏈路發(fā)生故障，列車(chē)就會(huì)把前個(gè)周期所接受的信息當(dāng)作本周期來(lái)制定移動(dòng)授權(quán)。而作為列車(chē)控制系統(tǒng)，列車(chē)會(huì)依據(jù)收到的信息來(lái)完成調(diào)控。這些信息每次發(fā)送的格式都是近乎相同的，差別只是在于內(nèi)容。然后用第二次發(fā)的信息來(lái)覆蓋前一次內(nèi)容。所以對(duì)列控系統(tǒng)而言，只要確保最新的MA信息能被列車(chē)在運(yùn)動(dòng)到制動(dòng)點(diǎn)之前所接收到，那么一定數(shù)量上的丟失數(shù)據(jù)包對(duì)列車(chē)的運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生影響。現(xiàn)在來(lái)說(shuō)CBTC系統(tǒng)采用的信號(hào)中斷時(shí)間的數(shù)據(jù)值只是依靠平時(shí)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)參考的。列車(chē)在判斷安全包時(shí)，通信中斷時(shí)間是必需的因素，于是列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全與效率在極大程度上受到它的取值合理性的影響。

四、CBTC中車(chē)地通信參數(shù)的研究

1.CBTC中基站范圍的確定。①影響車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信的因素：發(fā)射的輸出功率;接收信號(hào)的靈敏度;工作的具體環(huán)境。此外，信號(hào)的傳播方式與無(wú)線(xiàn)電工作的頻率也有關(guān)。②AP布設(shè)位置的確定。CBTC要求對(duì)接收到信號(hào)的附近無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的設(shè)備必須在無(wú)縫覆蓋區(qū)沿導(dǎo)軌形式重疊，為了保證列車(chē)控制雙向信息的可靠傳輸，在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，覆蓋線(xiàn)基站的“每行密度”，應(yīng)接近100%。要實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)方式應(yīng)使用定向天線(xiàn)AP覆蓋地面，使用定向天線(xiàn)不僅可以提供更好的覆蓋范圍，更好的接收信號(hào)，也能讓系統(tǒng)有非常好的抗外部干擾能力。因此，在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)中，首先要調(diào)整兩個(gè)相鄰小區(qū)的覆蓋，保證相鄰小區(qū)均有覆蓋區(qū)域。此外，為了保證切換成功，應(yīng)考慮兩個(gè)相鄰小區(qū)有一定的重疊區(qū)域，確保其連續(xù)性和通信連接的可靠性。因此，要想減少弱電廠(chǎng)區(qū)出現(xiàn)的概率和順利切換，一般要保證相鄰區(qū)域的連接處有一定的重疊區(qū)。故180m的AP布置間距就能滿(mǎn)足基本的車(chē)地信息傳輸。

2.區(qū)間連續(xù)丟包。2009年Samuel對(duì)802.119無(wú)線(xiàn)傳輸出現(xiàn)的丟包率特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，無(wú)線(xiàn)用802.1lg，發(fā)送端用“iperf”按一定速度產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，大小為1470bytes。接收端采用“windump”記錄到達(dá)數(shù)據(jù)包。設(shè)置接收屬性為冗余（verbose），以便能從ms級(jí)記錄包的到達(dá)時(shí)間以及包間隔。實(shí)驗(yàn)分別采用了0.5、1和2Mbps不同的發(fā)送速率。其中l(wèi)和2Mbps分別測(cè)試l個(gè)小時(shí)，0.5Mbps測(cè)試了4個(gè)小時(shí)，該實(shí)驗(yàn)共捕獲了大概2，000，000個(gè)數(shù)據(jù)包。發(fā)現(xiàn)丟包率基本服從兩種分布特性，當(dāng)連續(xù)丟包數(shù)≤3時(shí)，服從GE模型;當(dāng)連續(xù)丟包數(shù)>3，體現(xiàn)為一定的隨機(jī)性。因此，更好的描述802.11b連續(xù)丟包特性的應(yīng)該是兩種模式的結(jié)合，組合了GE模型和大的連續(xù)丟包模型。發(fā)生的大的連續(xù)丟包現(xiàn)象有以下兩種物理層的原因：第一種解釋是外圍因素的干擾，我們?yōu)榇烁鼡Q了實(shí)驗(yàn)環(huán)境，發(fā)現(xiàn)第一次測(cè)試的數(shù)據(jù)和新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果相差無(wú)幾，所以大的連續(xù)丟包現(xiàn)象并非外界因素干擾。經(jīng)過(guò)使用不同AP和不同場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，802.11標(biāo)準(zhǔn)自身是最可能造成這種現(xiàn)象的原因。測(cè)試數(shù)據(jù)中產(chǎn)生以上現(xiàn)象的結(jié)果使用的參數(shù)均為2Mpbs速率下發(fā)送的1470bytesUDP數(shù)據(jù)包。由此可估算出連續(xù)概率口計(jì)算值在0.0251～0.0273范圍內(nèi)，無(wú)線(xiàn)信道產(chǎn)生的衰落時(shí)間共計(jì)204.3ms，用此便可權(quán)衡連續(xù)丟包形成的中斷時(shí)間。第二種解釋是因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)（AP）自身，在突發(fā)丟包時(shí)，AP會(huì)提高速率增加吞吐量，但是會(huì)減低發(fā)送速率應(yīng)對(duì)這種現(xiàn)象。為了形成對(duì)照，選定不可以自行速率調(diào)整的AP進(jìn)行同上實(shí)驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示依然有隨機(jī)的大的連續(xù)丟包模型。所以發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)AP自身速率調(diào)整不支持這種解釋。endprint

3.越區(qū)切換時(shí)間。越區(qū)切換是使車(chē)地通信系統(tǒng)中斷的首要原因。當(dāng)列車(chē)行駛至小區(qū)覆蓋邊界，首先需要中斷和原先基站的聯(lián)系，其次和目標(biāo)基站開(kāi)始連接，會(huì)在一段時(shí)間中使列車(chē)和控制中心的通信中斷，也稱(chēng)為越區(qū)切換時(shí)間。①無(wú)線(xiàn)網(wǎng)切換過(guò)程。掃描、認(rèn)證、重新關(guān)聯(lián)是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)越區(qū)切換中的三個(gè)重要步驟。掃描是車(chē)載SA收到的關(guān)聯(lián)AP信號(hào)電平低于規(guī)定接收機(jī)最低檢測(cè)電平時(shí)，會(huì)尋找信號(hào)強(qiáng)度比原先電平高的新AP并且關(guān)聯(lián);認(rèn)證是車(chē)載SA確定接下來(lái)的關(guān)聯(lián)AP然后發(fā)送認(rèn)證信息;重新關(guān)聯(lián)是列車(chē)給將要關(guān)聯(lián)的AP發(fā)送一個(gè)連接的需求，AP收到這個(gè)需求后會(huì)給一個(gè)響應(yīng)，使原來(lái)的AP解開(kāi)與列車(chē)的鏈接，然后和新AP連接。②實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)的環(huán)境是上海地鐵9號(hào)線(xiàn)某段，AP布置間隔200m。分測(cè)試是列車(chē)在10kn/h、30km/h、60kn/h時(shí)的越區(qū)切換的中斷時(shí)間。當(dāng)速度為10km/h，切換發(fā)生時(shí)間為10：26：16，丟包數(shù)為11，切換時(shí)間為0.110;10：26：39，丟包數(shù)為11，切換時(shí)間為0.110;10：27：17，丟包數(shù)為12，切換時(shí)間為0.120;10：27：43，丟包數(shù)為11，切換時(shí)間為0.120;10：29：34，丟包數(shù)為11，切換時(shí)間為0.110。當(dāng)速度為30km/h，切換發(fā)生時(shí)間為13：17：36，丟包數(shù)為13，切換時(shí)間為0.130;13：18：24，丟包數(shù)為12，切換時(shí)間為0.120;13：19：04，丟包數(shù)為13，切換時(shí)間為0.130;13：20：20，丟包數(shù)為14，切換時(shí)間為0.140;13：20：55，丟包數(shù)為11，切換時(shí)間為0.110。當(dāng)速度為60km/h，切換發(fā)生時(shí)間為14：04：25，丟包數(shù)為57，切換時(shí)間為0.114;14：04：55，丟包數(shù)為63，切換時(shí)間為0.126;14：05：13，丟包數(shù)為75，切換時(shí)間為0.150;14：05：37，丟包數(shù)為110，切換時(shí)間為0.220;14：07：01，丟包數(shù)為65，切換時(shí)間為0.130。觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)速度不斷增大會(huì)使切換時(shí)間增加，但是大致均在220ms內(nèi)。其原因是列車(chē)速率的增加使無(wú)線(xiàn)鏈接的誤幀率增大，從而使切換信令過(guò)程中請(qǐng)求幀和響應(yīng)幀丟失，造成列車(chē)速率增大時(shí)越區(qū)切換中斷時(shí)間增加。分別實(shí)驗(yàn)切換門(mén)限為-50、-60及-70dbm時(shí)的越區(qū)時(shí)間。當(dāng)切換門(mén)限為-50bm，切換發(fā)生時(shí)間為13：19：05，丟包數(shù)為13，切換時(shí)間為0.130;13：19：34，丟包數(shù)為11，切換時(shí)間為0.110;13：21：14，丟包數(shù)為12，切換時(shí)間為0.120;13：21：20，丟包數(shù)為13，切換時(shí)間為0.130;13：22：11，丟包數(shù)為13，切換時(shí)間為0.130。當(dāng)切換門(mén)限為-60bm，切換發(fā)生時(shí)間為14：26：26，丟包數(shù)為13，切換時(shí)間為0.130;14：26：40，丟包數(shù)為14，切換時(shí)間為0.140;14：27：17，丟包數(shù)為12，切換時(shí)間為0.120;14：27：53，丟包數(shù)為13，切換時(shí)間為0.130;14：29：39，丟包數(shù)為12，切換時(shí)間為0.120。當(dāng)切換門(mén)限為-65bm，切換發(fā)生時(shí)間為16：05：29，丟包數(shù)為13，切換時(shí)間為0.130;16：05：48，丟包數(shù)為14，切換時(shí)間為0.140;16：06：17，丟包數(shù)為13，切換時(shí)間為0.130;16：06：31，丟包數(shù)為11，切換時(shí)間為0.110;16：07：54，丟包數(shù)為15，切換時(shí)間為0.150。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明設(shè)置切換門(mén)限只與觸發(fā)掃描的時(shí)機(jī)有關(guān)聯(lián)，對(duì)切換中的整個(gè)過(guò)程影響很小。不過(guò)需注意，當(dāng)有一個(gè)特定的AP時(shí)間間隔布局時(shí)，切換門(mén)限過(guò)低可能會(huì)導(dǎo)致列車(chē)錯(cuò)誤運(yùn)行到下一個(gè)區(qū)域的覆蓋范圍，并且信號(hào)強(qiáng)度比當(dāng)前相關(guān)的AP高。但由于車(chē)載SA沒(méi)有及時(shí)開(kāi)關(guān)，這樣將浪費(fèi)系統(tǒng)資源;但切換門(mén)限太高又會(huì)使列車(chē)提前對(duì)信道進(jìn)行掃描工作，同樣也是行不通的。因此，需要在當(dāng)前AP區(qū)間，基于區(qū)域覆蓋邊緣的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)切換門(mén)限的合理設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的合理配置。

五、結(jié)論

影響列車(chē)控制運(yùn)行的一些主要指標(biāo)有列車(chē)與地面指揮通信中斷的時(shí)間，區(qū)間連續(xù)丟包和越區(qū)切換時(shí)間。據(jù)估算，可知在2.4G頻段環(huán)境下合理的AP布置間距。與此同時(shí)，在立足于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的前提下，可利用通用的經(jīng)典分析衰落信道模型，在802.1lg環(huán)境下對(duì)其出現(xiàn)的連續(xù)丟包進(jìn)行仿真。獲得的無(wú)線(xiàn)環(huán)境下連續(xù)丟包概率值可能在0.0251～0.0273之間，衰落持續(xù)時(shí)間大致為204.3ms。然而考慮到通信中斷的最不利因素，越區(qū)切換緊接在區(qū)間連續(xù)丟包之后，造成通信中斷大約在400ms以?xún)?nèi)，結(jié)果也可以列入觸發(fā)列車(chē)緊急制動(dòng)門(mén)限的參考。

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