摘  要: 对 CBTC 无线通信子系统在隧道中的无线菲涅尔区和无线隧道损耗模型进行计算，提出了无线通信子系统 AP 设置的合理间距。结合杭州地铁现场环境，对模拟系统进行测试，结果满足设计要求。

关键词: 无线通信; 子系统; 设计; 测试

 

      CBTC 是基于通信的列车控制系统。CBTC 无线通信子系统( 以下简称系统) ，实时传输控制命令和列车位置信息，是地铁运营安全、高效、可靠的保证。系统由分布式系统、轨旁无线接入点 AP、车载无线通信单元和无线传输媒介等四部分组成。分布式系统，用来连接不同基本服务区( BSA) 的通信信道，一般采用大容量、高速有线传输网。轨旁无线接入点 AP，是无线网络和有线网络的桥节点。车载无线通信单元，安装在车头和车尾的车载设备机架内，是 AP 的通信客户端。无线传输媒介，包括漏缆、波导管和空间波等。列车在隧道区间运行时，地面 AP机箱通过有线冗余网络将数据传至控制中心及各车站，实现车-地之间控制命令的上、下传递。

      目前，国内外 CBTC 系统均采用 2. 4 GHz 频段，列车运行要求如下。

      1． 传输带宽: 列车高速移动时能满足系统传输速率需求，最不利情况下传输带宽不小于1 Mb /s。

      2． 丢包率: 无线传输系统丢包率应不影响系统的有效性，要求双网的丢包率为 0. 01%。

      3． 传输延时: 越区切换中断时间应满足不间断通信要求，ATP 允许的报文传输 ( 更新) 延时时间最大为 0. 5 s。

     

其中，d₁、d₂分别表示发射天线和接收天线与平面( 该平面以收发天线连线垂直，与菲涅尔椭球相交形成的半径称为菲涅尔半径) 间的距离; d 为发射天线与接收天线间的距离。当 时，菲涅尔半径最大 。假设隧道空间满足自由空间传播条件，若隧道宽为 w，高位 h，令r_max= w /2 ，则:

      轨旁天线固定在隧道壁上，车载天线安装在列车头部，这种情况下无线通信受隧道空间和车辆高度限制，地表和隧道壁侵入第一菲涅尔区，遮挡部分信号传播最强的区域，隧道路径损耗P_l:

      P_l( dB) = 20lgf + 18. 6lgd + 41. 6  ( 3)

      其中，f 为电磁波频率 ( MHz) ，d为发射机与接收机之间的距离 ( km) 。对于 2. 4 GHz 无线电波，由 ( 3) 式可得 200 m 的路径损耗是 96. 2 dB。

      通常估算无线路径损耗和覆盖范围的公式为:

      P_r= P_t+ G_t+ G_r－ P_l－ a ( 5)

      其中，P_r为最小接收电平 ( dB) ，P_t为最大发射功率 ( dB) ，G_t为发射天线增益 ( dB) ，G_r为接收天线增益 ( dB) ，P_l为无线链路的路径损耗( dB) ，a 为线缆、接头、玻璃等的损耗 ( dB) 。

      假定发射端发射功率 P_t为 20 dBm，发射天线增益为 15 dBm，接收机天线增益为 10 dBm，路径损耗 96. 2 dB，线缆、接头损耗 8 dB。由 ( 5) 式得 P_r= 20 + 10 + 15 － 96. 2 － 8 = － 59. 2 ( dB)

      IEEE802. 11g 对接收机最小接收功率规定: 一个长度为1024B 的数据单元，在传输速率为6 Mb / s下，达到 10% 误帧率时接收机最小接收功率为 －82 dBm。因此，最小接收电平 －59. 2 dB 满足接收机最大传输速率的功率要求。

      AP 布点设计时，除了考虑隧道无线信号的空间传播距离、无线覆盖密度外，还应考虑遮挡物体、干扰源等环境限制。要根据现场实际调整相邻小区的覆盖范围，保证相邻区间没有未覆盖区域。在此基础上使相邻小区有一定重叠，确保越区切换成功，保证通信的持续性和可靠性。因此，综合各方面的因素，AP 间距 200 m 能满足城市轨道交通车-地信息传输。

 

      轨旁无线 AP 通过星形的方式连接各站的接入交换机，形成各站点、设备相连的数据交换网。地面 AP 箱的间距 200 m，可根据线路适当调整。每个轨旁 AP 箱配置 2 个 AP 模块、2 组定向天线( 八木天线) 分别接入 2 个网络。在车头、车尾分别安装一套信号车载无线单元及车载天线，用于发送/接收无线信号。八木天线一般安装在隧道顶壁或者天线杆上，2 组天线安装在同一横截面上。AP布置如图 1 所示。

      选取直线、岔区、弯道和站台等多个特殊线路区段，分别进行无线信号传输测试。在发送、接收端将 PC 机与 AP 相连，模拟车-地间数据传输，隧道内静态模拟测试如图 2 所示。使用流量发生器打入背景流数据，在 PC1 使用 fastping 工具，发送64，256，1518B 报文，以 1 s 为间隔连续 ping PC2机，记录程序上报时延、带宽和丢包率等信息。

      如图 2 所示，AP₁、AP₂间距 250 m，AP₁功率50 mW，AP₂功率 12. 5 mW，测试结果见表 1。

      AP₁距离 AP₂250 m，车载 AP₁功率 50 mW，轨旁 AP₂功率 25 mW，测试结果见表 2。

      AP₁距离 AP₂160 m，车载 AP₁功率 50 mW，轨旁 AP₂功率 25 mW，测试结果见表 3。

      AP₁距离 AP₂200 m，车载 AP₁功率 50 mW，轨旁 AP₂功率 25 mW，测试结果见表 4。

      测试结果表明，无线通信子系统传输带宽、延时均优于系统设计要求。由于无线通信采用双网同时传输信息，文献 ［3］ 指出冗余结构系统的可用性是非冗余结构的 100 倍，所以丢包率也满足合同要求。

      列车在隧道内高速移动时，接收机在很短时间内可能经历若干次衰落，接收信号会衰落失真，丢包率和传输时延会变化，所以对系统还应进行动态模拟测试。

      列车分别以 60，75 km/h 的速度在隧道中移动，AP 功率设置为 50 mW，载荷为 60B 的承载带宽，发送和接收双向传输，测试结果如表 5 所示。

      列车位置信息和控制命令的报文长度一般不会超过 64B，通过测算，可以判断每列车的传输带宽不会超过 200 kb/s。按单个 AP 最多关联 2 辆车考虑，单个 AP 传输带宽达到 1 Mb/s 就能满足合同需求，实际测试结果远好于需求。

      列车运行速度 60 km/h，在 CBTC 流量基础上，利用 fastping 工具分别测试 64B 和 1518B 报文的延迟，测试结果如表 6 所示。

      采用一种简化的方法测试车载 AP 与轨旁 AP间数据的切换时间，就是把新关联轨旁 AP 发给车载 AP 的第一个数据包的时戳与前一个轨旁 AP 发给车载 AP 的最后一个数据包的时戳相减，得到的时间作为 AP 切换时间。经对某段线路 AP 切换时间测试，得到结果: 最小切换时延 5. 6 ms; 最大切换时延 24. 2 ms; 平均切换时延 15 ms。

      文献 ［4］ 计算证明列车运行速度为 50，70，90 km / h 时允许的最大切换中断时间分别为 224，160，124 ms。实际测试结果远好于文献 ［4］ 结论，也优于合同要求。

 

      基于通信的列车控制系统 ( CBTC) 是城市轨道交通最重要和最关键的系统之一，鉴于无线通信子系统的重要性，通过多种方法对系统进行模拟测试，掌握了无线通信子系统静态及列车动态运行下的带宽、传输延时、切换时间和丢包率等技术指标，取得了一些实际成果，为杭州地铁信号系统的顺利实施提供了理论保障。

 

［1］ 吴琼，彭章友． 地铁隧道中信道的统计建模［J］． 微计算机信息，2009，25( 9 －1) : 191 －193．

［2］ 张静． 利用 OPNET 仿真分析 CBTC 系统中通信参数对列控的影响［D］． 北京: 北京交通大学交通信息工程及控制，2010．

［3］ XUTian － hua，LlShu，TangTao． Dependability Analysis of Data Comunication Subsystem in Train Control System［J］． JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY．200，31( 5) : 1 － 6.

［4］ 陈黎洁，唐涛，吕继东． CBTC 越区切换中断时间分析［J］． 中国铁道科学． 2010( 9) : 125 －129.