軌道交通某線車地?zé)o線通信故障分析

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摘要：對上海某軌道交通線路車地無線通信故障頻發(fā)問題的歷史日志數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，車速、復(fù)雜環(huán)境和基站位置都會(huì)對通信產(chǎn)生影響，進(jìn)而引起信噪比惡化，引發(fā)車地?zé)o線通信故障。從降低干擾源、加裝信號放大模塊及保護(hù)敏感源等3個(gè)方面，闡述了解決車地?zé)o線通信故障頻發(fā)問題的措施及其可行性。從某線路的試用效果來看，在射頻前端電路加裝濾波器能顯著降低車地?zé)o線通信的故障率。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;車地通信;故障分析

上海軌道交通全面部署智能化運(yùn)維系統(tǒng)后，各系統(tǒng)對通信質(zhì)量的要求越來越高;但個(gè)別線路的車地?zé)o線通信系統(tǒng)經(jīng)常斷線，給列車維護(hù)保障帶來不便。本文對某典型地鐵線路(以下稱為“某線”)的車地?zé)o線通信故障進(jìn)行分析，找出故障原因。上海軌道交通信號系統(tǒng)采用CBTC(基于通信的列車控制)技術(shù)。某線通信采用FHSS(跳頻)技術(shù)，其工作頻段為2.4GHz的ISM(IndustrialScien-tificMedicalBand)頻段［1］。由于任何用戶都可使用該頻段，故該頻段的電磁環(huán)境復(fù)雜，其通信易受干擾。因此，在實(shí)際使用中，經(jīng)常出現(xiàn)列車通信異常。經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，通信設(shè)備失效隱藏較深，多數(shù)表現(xiàn)為“假死”，即設(shè)備報(bào)警指示燈顯示正常，但其實(shí)已出現(xiàn)通信異常。這給維護(hù)工作帶來很大的困難。如能提早發(fā)現(xiàn)故障，實(shí)現(xiàn)及時(shí)維修，則可大大降低故障頻次，提高維護(hù)效率，降低維護(hù)成本。

1故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

本文主要基于2017年7月、9月及11月某線車地?zé)o線通信系統(tǒng)的1727萬份日志數(shù)據(jù)，來統(tǒng)計(jì)其故障，用于分析車地?zé)o線通信設(shè)備發(fā)生故障的原因。將整理的數(shù)據(jù)可視化，繪制車地?zé)o線通信時(shí)間狀態(tài)曲線圖。部分截圖如圖1所示。由圖1可見:在大多數(shù)的正常情況下，車地?zé)o線設(shè)備AP(無線接入點(diǎn))通信處于“平穩(wěn)心跳”狀態(tài)，有節(jié)奏地保持著接口重啟和熱重啟，以維持通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行;在極少數(shù)的情況下，AP設(shè)備發(fā)生“心律不穩(wěn)”，處于異常狀態(tài)，嚴(yán)重的甚至?xí)霈F(xiàn)死機(jī)情況。車地?zé)o線通信時(shí)間狀態(tài)曲線可直觀地反映每個(gè)車站車地?zé)o線通信傳感器的狀態(tài)信息，并且能長時(shí)間記錄車地?zé)o線通信的信號狀態(tài)。這是車地?zé)o線通信狀態(tài)跟蹤、追溯的良好途徑。通過統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)的AP設(shè)備重啟次數(shù)，能迅速找出易發(fā)生車地?zé)o線通信故障的車站，還能快速定位重啟次數(shù)異常的車地?zé)o線通AP設(shè)備。為讓數(shù)據(jù)更直觀，可繪制具體某站的AP重啟次數(shù)統(tǒng)計(jì)餅狀圖，如圖2所示。圖2中，AP2101重啟次數(shù)遠(yuǎn)高于其他設(shè)備，說明該設(shè)備存在告警狀況的可能性極大。

2故障原因分析

一般情況下，造成通信質(zhì)量下降的主要原因是信噪比(SNR)惡化。SNR惡化通常由噪底抬升或目標(biāo)信號過低造成。結(jié)合某線的實(shí)地情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，造成某線SNR下降的原因?yàn)?①列車的高速行駛對車地?zé)o線通信信號強(qiáng)度造成影響。②復(fù)雜的通信環(huán)境使信號衰落加快，造成接收器接收功率過低，致使目標(biāo)信號過低。③由于信號基站太靠近車站，導(dǎo)致通信系統(tǒng)工作頻段內(nèi)的干擾噪聲較大，從而使噪底抬升。

2.1車速對信號強(qiáng)度的影響

當(dāng)列車高速行駛時(shí)，車載AP設(shè)備和車站的AP設(shè)備距離會(huì)迅速縮短。由于存在多普勒效應(yīng)，當(dāng)無線電磁波向車站車地?zé)o線通信設(shè)備靠近時(shí)，其頻率會(huì)變高;當(dāng)無線電磁波遠(yuǎn)離車站車地?zé)o線通信設(shè)備時(shí)，其頻率會(huì)變低。多普勒效應(yīng)公式為［2］:由式(1)可知，列車運(yùn)行速度越高，車站車地?zé)o線通信發(fā)射的頻率與列車接收頻率偏差越大。當(dāng)頻率偏差嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致通信傳輸數(shù)據(jù)幀丟失。CBTC系統(tǒng)的車地?zé)o線通信信息以幀為單位進(jìn)行傳輸，故若數(shù)據(jù)幀丟失則會(huì)造成信息重傳甚至通信中斷［3］，對列車運(yùn)行安全造成很大影響。已知某線列車最高運(yùn)行速度可達(dá)110km/h，則v0為110km/h，v值為3×108m/s，vs值為0。因?yàn)檐囁傧鄬τ陔姶挪▊鞑ニ俣瓤梢院雎圆挥?jì)，所以頻率偏差不會(huì)影響到數(shù)據(jù)幀丟失，車速對通信影響可以忽略不計(jì)。

2.2復(fù)雜環(huán)境對信號強(qiáng)度的影響

根據(jù)Fresnel區(qū)理論，信號強(qiáng)度衰敗不是線性降低［4］。某線車站內(nèi)的2部AP設(shè)備一般相距180m左右。根據(jù)接收器接收信號強(qiáng)度公式［5］，距1部AP設(shè)備180m處的另1部AP設(shè)備信號接收強(qiáng)度為－55dBm。根據(jù)802.11協(xié)議標(biāo)注和設(shè)備指標(biāo)要求，接收信號強(qiáng)度應(yīng)大于－80dBm［6］。可見，信號強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)，且留有較大余量。用WirelessInsite軟件對某車站進(jìn)行建模仿真，得到車站車地?zé)o線通信設(shè)備的信號強(qiáng)度仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:車站內(nèi)的車地?zé)o線通信信號分布趨勢符合Fresnel分布;信號強(qiáng)度波動(dòng)強(qiáng)烈，說明信號不穩(wěn)定;在一些區(qū)域，信號強(qiáng)度已經(jīng)低于－80dBm。如信號強(qiáng)度較低處周圍有基站或工業(yè)信號影響，則極易形成通信干擾，造成失幀和數(shù)據(jù)丟包。2.3基站位置對通信的影響噪底抬升原理圖如圖4所示。在正常情況下，基站信號維持正常值，其落入地鐵通信系統(tǒng)工作頻段內(nèi)的干擾信號噪聲信號功率較低。此時(shí)，地鐵通信系統(tǒng)的信噪比良好，可進(jìn)行正常通信，如圖4a)所示。當(dāng)基站增大發(fā)射信號功率或者基站和車站車地?zé)o線通信設(shè)備距離接近時(shí)，地鐵通信系統(tǒng)工作頻段內(nèi)的干擾噪聲信號功率增大，造成噪底抬升，SNR惡化，使地鐵通信發(fā)生異常甚至中斷，如圖4b)所示。例如，某線莘莊段沿線鄰近數(shù)個(gè)通信基站。在該段，落入地鐵通信頻段內(nèi)的信號功率偏高，車地?zé)o線通信設(shè)備的目標(biāo)信號時(shí)常被基站信號湮沒，進(jìn)而發(fā)生通信延時(shí)及車地?zé)o線通信設(shè)備重啟等通信故障，給列車運(yùn)行帶來安全隱患。

3解決措施

針對故障發(fā)生的原因，本文從降低干擾源干擾、加裝信號放大模塊及保護(hù)敏感源［7］等3方面采取解決措施。

3.1降低干擾源干擾

在降低干擾源干擾方面，可在基站側(cè)加裝濾波器，即將帶通濾波器串聯(lián)加裝在射頻前端電路中。此時(shí)，加裝的濾波器會(huì)與原有帶通濾波器疊加，使帶外抑制更強(qiáng)，矩形系數(shù)更大，進(jìn)而有效降低基站發(fā)射機(jī)非線性產(chǎn)生的、落入到ISM頻段內(nèi)的干擾信號。在基站側(cè)加裝不同的濾波器后，信號原理圖如圖5所示。由圖5a)可見，當(dāng)采用濾波器1時(shí)，在2400～2420MHz頻段，AP設(shè)備接收到的地鐵控制信號SNR為5dB＜6dB，無法解調(diào)。由圖5b)可見，當(dāng)采用了邊沿更為陡峭的濾波器2時(shí)，在2400～2420MHz頻段AP設(shè)備接收到的地鐵控制信號SNR為10dB＞6dB，可以正常解調(diào)。由此可見，在基站側(cè)加裝濾波器可有效地緩解基站對地鐵車地?zé)o線通信干擾的問題，無需對車載設(shè)備與沿線固定設(shè)備進(jìn)行改造。但是該措施的實(shí)施也有較大困難:一方面，帶內(nèi)插損小、帶外抑制大的濾波器在市場上幾乎沒有成品，需要特殊定制，且其指標(biāo)越好，價(jià)格就越高;另一方面，在基站側(cè)加裝濾波器需要與電信運(yùn)營商溝通交涉，其極有可能會(huì)影響到基站的性能，電信運(yùn)營商很難同意。

3.2加裝信號放大模塊

在車載AP設(shè)備與軌旁AP設(shè)備的天線與信號處理電路之間加裝1個(gè)發(fā)射信號方法模塊，其電路示意圖見圖6。在AP設(shè)備前端加裝信號放大模塊，可提升發(fā)射機(jī)發(fā)射信號的功率，進(jìn)而使SNR提升。加裝信號放大模塊后的信號強(qiáng)度如圖7所示。圖6信號放大模塊電路圖圖7加裝信號放大模塊后的信號強(qiáng)度圖7中，陰影內(nèi)峰狀點(diǎn)劃線為發(fā)射機(jī)加裝圖7中，陰影內(nèi)峰狀點(diǎn)劃線為發(fā)射機(jī)加裝信號放大模塊，陰影內(nèi)峰狀虛線是為發(fā)射機(jī)未加裝信號放大模塊。由圖7可以看到:未加裝信號放大模塊時(shí)，AP設(shè)備收到的信號SNR為5dB＜6dB，無法解調(diào):加裝信號放大模塊后，AP設(shè)備收到的信號SNR為15dB＞6dB，可以正常解調(diào)。采用加裝信號放大模塊的措施可有效提升接收機(jī)所收到信號的信噪比，進(jìn)而增強(qiáng)了AP設(shè)備的抗干擾能力。但該措施還可能會(huì)使車地?zé)o線通信自身的信號過強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致接收機(jī)接受到的信號大于接收機(jī)的最大輸入電平，產(chǎn)生阻塞。信號放大模塊需小心設(shè)計(jì)，既要能放大信號，又要不至于阻塞接收機(jī)。如果采取該措施，則每列列車都需要加裝信號放大模塊，易受干擾路段的軌旁AP備上也都要加裝信號放大模塊，數(shù)量較多，需和車地?zé)o線通信設(shè)備供應(yīng)商交涉。此外，增強(qiáng)的車地?zé)o線通信信號還可能會(huì)對移動(dòng)通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，需謹(jǐn)慎選擇。

3.3保護(hù)敏感源

保護(hù)敏感源措施:在射頻前端電路中，在車載AP設(shè)備與軌AP設(shè)備的天線與信號處理電路之間，加裝1個(gè)帶寬為ISM頻段的帶通濾波器。該措施電路如圖8所示。在射頻前端電路加裝濾波器可有效提高射頻前端電路對通信頻段外強(qiáng)干擾信號的抗干擾能力，可對ISM頻段外的信號加以抑制。加裝濾波器后，從基站發(fā)出的大功率移動(dòng)通信信號在進(jìn)入地鐵接收機(jī)前端時(shí)信號功率會(huì)減小，進(jìn)而使射頻接收機(jī)前端產(chǎn)生飽和失真的概率減小。由于這種方案不會(huì)影響現(xiàn)有的其他通信系統(tǒng)，也無需與其他單位交涉，所以可行性較高。圖8車地?zé)o線通信設(shè)備前端加裝濾波器在射頻前端電路加裝濾波器的措施已在某線進(jìn)行試用。圖9為加裝濾波器前后的AP設(shè)備故障日志數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其中7月份為未加裝濾波器時(shí)，9月份和11月份為已加裝濾波器時(shí)。試用結(jié)果顯示，在射頻前端電路加裝濾波器后，AP設(shè)備的異常情況明顯大幅減少，證明該措施對降低車地?zé)o線通信異常干擾有顯著效果，能顯著降低故障率。

4結(jié)語

車地?zé)o線通信設(shè)備故障隱藏得較深，往往車地?zé)o線通信已經(jīng)停止工作，故障燈都不跳紅，給維保工作帶來不便。本文將車地?zé)o線通信通信生成的日志整理歸納，將故障數(shù)據(jù)提取，找出故障信息以及易發(fā)生故障的車站以及各車站車地?zé)o線通信故障比例;再從車速對信號強(qiáng)度影響、復(fù)雜環(huán)境對通信影響，以及基站密集度和基站距離太近對車地?zé)o線通信影響三方面分析產(chǎn)生故障的原因;最后從降低干擾源、加裝信號放大模塊、保護(hù)敏感源三個(gè)方面提出解決措施，且一些措施已在某線上得到應(yīng)用，這對其他車站通信故障分析解決有參考意義。

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作者：吳磊 單位：上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司