CBTC无线通信子系统的设计与测试
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 。
1系统设计
为确保隧道空间运行中的列车控制信息在任何地点、时
间都能双向传输，系统设计时除了考虑无线协议、调制方式、切换机制和网络安全外，还必须进行合理的AP布点。
下面以杭州地铁1号线CBTC 无线通信子系统AP布点为例进行介绍。
1. 1 隧道中的菲涅耳区
无线电波在发射机和接收机之间传播时，存在着一个对
电波传播起主要作用的空间区域即传播主区，可用菲涅耳区来表示。
不同路径的电磁波通过第一菲涅耳区到达接收天线时，由于作用相同，接收点的信号最强。
当收发机天线只利用第一菲涅耳区传播电磁波时，接收天线能得到所有传播环境中最大的辐射场。
第一菲涅耳区的大小可以用菲涅耳半径r表示：
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, （L= dr =
二丄/T7
r
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 ma>= w /2 ，则：
d ma= W2/
入
（2）
2400MHz电磁波长入二0. 125m。
典型地铁隧道为圆弧形、矩形或马蹄形截面，可近似等效为边长为6 m的矩形截面，由（2）式计算可得
d ma= 288 m。
1.2 隧道无线路径损耗模型
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R:
P i（ 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+ 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为发射天线增益（dB）, G为接收天线增益（dB）, P 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。
2 系统测试
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
图1轨旁AP祎置示层图
2. 1 静态测试
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。
图2隧道内静态模拟测试图
2. 1. 1 隧道内直道测试
如图2 所示，AR 、AP 2间距250 m AR 功率50 mW ，AP
功率12. 5 mW ，测试结果见表1。
表1隧這内直道无线通
信测量数据表
数据包M
带宽 /(Mb/s)
£包率
64 3.232 (h 012 9. 1 256 12. 29! ().025 13.7 15!8
24, 635
0.0U
7.2
2. 1.2
隧道内岔道测试
AR 1距离AR 2250 m 车载AR 1功率50 mW 轨旁AR 2功率
25 mW 测试结果见表2
乍载天统w 轨旁尢线w
表2 隧道内岔道无线通信测量数据表
2. 1. 3 隧道内站台区测试
AP1距离AP2I6O m 车载AP i功率50 mW 轨旁AP2功率25 mW测试结果见表3。
表3隧道内站台区无线通信测崖数据表
2. 1.4 隧道内弯道区测试
AP i距离AP2200 m 车载AP i功率50 mW 轨旁AP2功率25 mW测试结果见表4。
表4瞇道内弯道区无线通信测量数据表
测试结果表明，无线通信子系统传输带宽、延时均优于
表2 隧道内岔道无线通信测量数据表
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。
2. 2 动态测试
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。
2. 2. 1 列车运行时带宽和丢包率测试
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。
表吕载荷60"测试结果表
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。
2. 2. 2 无线网络承载CBTC数据的时延
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。
表6 无线网络承载数据时延
2. 2. 3 无线网络承载CBTC数据的切换时间
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。
3总结
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。