跳頻擴(kuò)頻制式的車地?zé)o線通信系統(tǒng)性能測試方法

金 捷

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，201103，上海//工程師)

在城市軌道交通領(lǐng)域，信號系統(tǒng)是集行車指揮和列車運(yùn)行控制為一體的重要機(jī)電系統(tǒng)，直接關(guān)系到城市軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)營安全、效率以及服務(wù)質(zhì)量。隨著核心技術(shù)的不斷進(jìn)步，CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛。CBTC的車地?zé)o線通信通過建立車地間連續(xù)、雙向通信，使兩者之間可進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠的信息交換，從而更精確地對列車定位，并縮小列車的安全行車間隔。

1 FHSS(跳頻擴(kuò)頻)制式介紹及其特點(diǎn)

1.1 FHSS技術(shù)指標(biāo)

FHSS是802.11初期采用的技術(shù)，是以一種預(yù)訂的偽隨機(jī)模式快速變換傳輸頻率。FHSS使用的是2.4 GHz的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段，具體為2.400 0～2.483 5 GHz，占用帶寬83.5 MHz，并將此劃分為79個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬為1 MHz。

FHSS制式信道分布圖如圖1所示，其中1個(gè)信道用于防護(hù)，剩余78個(gè)信道分成26個(gè)子信道，每3個(gè)信道作為1個(gè)子信道同時(shí)進(jìn)行發(fā)送。系統(tǒng)工作時(shí)在發(fā)送和接收端必須使用相同的PN碼(Pseudo-Noise Code)來確定發(fā)送和接收子信道的順序。

圖1 FHSS信道分布圖

1.2 采用FHSS 制式的CBTC車地?zé)o線通信特點(diǎn)

采用FHSS技術(shù)作為CBTC 車地?zé)o線通信的主要優(yōu)點(diǎn)是可以提高抗干擾能力。由于2.4 GHz為ISM開發(fā)頻段，任何用戶都可使用該頻段，因此會(huì)造成該頻段的電磁環(huán)境非常復(fù)雜。而FHSS可以有效地避免固定頻段的干擾，即使受到干擾也只會(huì)造成瞬間的影響。

2 測試流程及內(nèi)容

由于CBTC是基于無線通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)，CBTC車地?zé)o線通信的性能將直接影響列車的安全、高效運(yùn)行。近年來國內(nèi)已發(fā)生過因車地?zé)o線通信受到干擾而導(dǎo)致的運(yùn)營故障事件。但目前對于采用FHSS 制式的CBTC車地?zé)o線通信僅通過對設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行檢查，而沒有完善的測試流程及測試方法對其性能進(jìn)行有效評估，因此非常有必要對其測試的流程和方法進(jìn)行研究。

2.1 測試流程

為了有效評估FHSS制式CBTC車地?zé)o線通信的性能，其測試流程如圖2所示。流程主要包括測試準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、問題分析、優(yōu)化調(diào)整等4個(gè)部分。其中數(shù)據(jù)采集、問題分析、優(yōu)化調(diào)整需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際現(xiàn)狀反復(fù)進(jìn)行，直至滿足標(biāo)準(zhǔn)要求為止。

圖2 測試流程圖

數(shù)據(jù)采集工作是整個(gè)測試流程中的核心內(nèi)容，通過數(shù)據(jù)采集工作可以獲取各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，由此為后續(xù)的問題分析、優(yōu)化調(diào)整等打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集主要工作內(nèi)容包括：① 網(wǎng)管數(shù)據(jù)采集；② 在線監(jiān)聽測試，通過捕獲并分析車地交互的數(shù)據(jù)包，分析通信中斷或錯(cuò)誤的原因；③ 無線物理層測試，包括場強(qiáng)覆蓋測試、漫游切換測試；④ 干擾測試；⑤ 端到端無線網(wǎng)絡(luò)性能測試，包括丟包率測試、時(shí)延測試等。數(shù)據(jù)采集的測試框圖如圖3所示。

注:AP為無線接入點(diǎn);SA為車載交換機(jī)圖3 數(shù)據(jù)采集測試框圖

通過分析采集的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在的問題，并提出相應(yīng)的整改措施。調(diào)整完畢后再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如果測試結(jié)果不能滿足目標(biāo)要求，則進(jìn)行新一輪的分析和調(diào)整，直至滿足目標(biāo)要求為止。

2.2 網(wǎng)管數(shù)據(jù)采集

網(wǎng)管數(shù)據(jù)采集的工作主要包括對各種告警信息(如通信中斷等)進(jìn)行采集，判斷告警主要產(chǎn)生的時(shí)間、閉塞區(qū)間；同時(shí)對設(shè)備配置參數(shù)進(jìn)行采集，檢查數(shù)據(jù)配置是否正確。

2.3 在線監(jiān)聽測試

在線監(jiān)聽測試是對CBTC車地?zé)o線通信進(jìn)行在線監(jiān)聽，捕獲車地?zé)o線通信交互的數(shù)據(jù)包，結(jié)合其他測試的結(jié)果和問題進(jìn)行綜合分析的測試。

2.4 無線物理層測試

無線物理層測試是對無線網(wǎng)絡(luò)場強(qiáng)覆蓋、漫游切換以及車地交互數(shù)據(jù)包的重傳率、差錯(cuò)率等進(jìn)行測試。通過測試了解各AP實(shí)際的覆蓋情況，并檢查是否存在弱場區(qū)覆蓋或越區(qū)覆蓋。

2.5 干擾測試

干擾測試主要測試CBTC使用頻段是否存在其他無線信號干擾,記錄干擾信號的最大電平、干擾頻點(diǎn)等。干擾測試主要在開放區(qū)段進(jìn)行測試。

2.6 端到端無線網(wǎng)絡(luò)性能測試

端到端無線網(wǎng)絡(luò)性能測試主要考察系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)端到端(用戶—AP—上層網(wǎng))的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延(響應(yīng)時(shí)間)、丟包率等，測試時(shí)可模擬CBTC實(shí)際業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)形式，如包長、協(xié)議類型等。

3 案例分析

以某地鐵線為例，由于在實(shí)際運(yùn)營過程中經(jīng)常出現(xiàn)車地?zé)o線故障，因此對該線的CBTC車地?zé)o線通信性能進(jìn)行了測試，并從無線物理層、干擾、端到端無線網(wǎng)絡(luò)性能等方面進(jìn)行測試分析，查找原因。

3.1 無線物理層分析

3.1.1 場強(qiáng)覆蓋分析

對全線場強(qiáng)進(jìn)行了測試，結(jié)果見表1。結(jié)果顯示，全線場強(qiáng)基本滿足要求，但部分位置存在弱區(qū)。

表1 全線場強(qiáng)覆蓋統(tǒng)計(jì)

通過統(tǒng)計(jì)，各采樣點(diǎn)中場強(qiáng)不小于-60 dBm的覆蓋率達(dá)到了97.7%。進(jìn)一步對各個(gè)AP覆蓋情況統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)其場強(qiáng)覆蓋較弱的AP如表2所示，該問題區(qū)段的場強(qiáng)覆蓋圖如圖4所示。

從圖4中可以看出場強(qiáng)覆蓋較弱區(qū)段，尤其在A、B、C三處可能存在問題。經(jīng)過現(xiàn)場勘查測試發(fā)現(xiàn)，A、B兩處為軌旁AP天饋線故障所引起，而C處則為彎道，AP天線方位出現(xiàn)問題，無法有效覆蓋，經(jīng)過處理后，原場強(qiáng)覆蓋較弱的AP均恢復(fù)正常。處理后原覆蓋弱的AP場強(qiáng)統(tǒng)計(jì)表如表3所示。

表2 AP弱場覆蓋統(tǒng)計(jì)表

圖4 問題區(qū)段場強(qiáng)覆蓋圖表3 AP弱場覆蓋處理后統(tǒng)計(jì)表

AP名稱最小信號強(qiáng)度/dBm平均信號強(qiáng)度/dBm最大信號強(qiáng)度/dBmAP 1301-60-52-49AP 1305-62-53-50AP 1307-63-56-51

3.1.2 漫游切換分析

對于軌道交通而言，快速移動(dòng)及動(dòng)態(tài)通信是其重要特點(diǎn)，如果車載SA在多個(gè)軌旁AP之間連續(xù)切換出現(xiàn)錯(cuò)誤或者漫游時(shí)延過長，就會(huì)嚴(yán)重影響應(yīng)用層的使用。在本例中對全線的漫游切換進(jìn)行了測試，測試發(fā)現(xiàn)AP漫游切換時(shí)間基本都小于100 ms，但是存在一處出現(xiàn)切換異常的區(qū)域。該區(qū)域正常漫游切換關(guān)系應(yīng)為AP1322→AP1324→AP1326，但實(shí)際出現(xiàn)了乒乓切換。通過現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)AP1324天線駐波較差，導(dǎo)致覆蓋區(qū)域較小;而AP1326天線俯仰角過大，導(dǎo)致覆蓋區(qū)域較遠(yuǎn)。通過現(xiàn)場調(diào)整后，此問題得以改善，如表4所示。

3.2 干擾分析

由于CBTC 車地?zé)o線通信使用2.4 GHz共用頻段，因此在高架等開放空間存在系統(tǒng)外干擾的可能性很高。在本例中經(jīng)過掃描發(fā)現(xiàn)，在開放空間的高架區(qū)段存在明顯干擾，而地下隧道則沒有干擾。2.4 GHz頻段的干擾信號統(tǒng)計(jì)如表5所示。

在本例中由于整個(gè)干擾持續(xù)時(shí)間不長，而FHSS制式的車地?zé)o線通信可以有效防止單信道干擾，故本例未對干擾進(jìn)行處理。對于出現(xiàn)的持續(xù)強(qiáng)干擾目前一般通過協(xié)商的辦法，建議停用2.4 GHz頻段，使其僅工作在5.8 GHz，以此來避免干擾。

表4 漫游切換對比表

表5 2.4 GHz頻段干擾信號統(tǒng)計(jì)表

3.3 端到端無線網(wǎng)絡(luò)性能分析

在車地之間模擬CBTC數(shù)據(jù)包的收發(fā)，選擇類似的包長、協(xié)議等設(shè)置，進(jìn)行連續(xù)的、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)包收發(fā)測試，通過車載測試端與地面測試端之間的數(shù)據(jù)交互情況統(tǒng)計(jì)，來分析無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)際提供的包時(shí)延和丟包率情況，可以更真實(shí)地模擬實(shí)際使用中遇到的情況，并尋找問題。在本例中發(fā)現(xiàn)在場強(qiáng)存在問題的區(qū)域，其丟包率也大幅增加(如圖5)，并且包時(shí)延也大幅增長(如圖6)。

圖5 問題區(qū)域丟包率圖

在覆蓋問題處理完畢后，端到端無線網(wǎng)絡(luò)性能也有大幅度的改善，具體如表6所示。由此可以看出，本例中端到端無線網(wǎng)絡(luò)性能的下降是由于場強(qiáng)覆蓋所導(dǎo)致的。

表6 端到端無線網(wǎng)絡(luò)性能對比表

圖6 問題區(qū)域時(shí)延圖

4 結(jié)語

CBTC車地?zé)o線通信的性能將直接影響列車的安全及高效運(yùn)行。在無線通信過程中，存在著信道傳播、外部環(huán)境等各種不確定性因素，往往給車地?zé)o線通信的良好運(yùn)行帶來潛在的危險(xiǎn)。因此,不僅在工程驗(yàn)收階段，而且在日常維護(hù)過程中也非常有必要對其性能進(jìn)行測試。

在FHSS制式的CBTC車地?zé)o線通信性能測試工作中，通過對網(wǎng)管數(shù)據(jù)采集、在線監(jiān)聽測試、無線物理層測試、干擾測試和端到端無線網(wǎng)絡(luò)性能測試等測試手段，從各個(gè)方面對車地?zé)o線通信的性能進(jìn)行測試評估，從而找出影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的原因，并通過參數(shù)的修改、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整、設(shè)備配置調(diào)整等各種技術(shù)方法進(jìn)行系統(tǒng)性能的優(yōu)化，最終使車地?zé)o線通信的性能滿足實(shí)際運(yùn)營的需要，確保CBTC系統(tǒng)的可用性和可靠性。