地铁无线AP信号质量检测

袁丛振++陈文杰++李欣磊++邓俊臣++许欢++夏明加

摘要：随着城市轨道交通网络化和自动化的发展，越来越多的地铁线路采用AP设备作为地铁设备控制的通信信道。目前上海和北京的很多地铁都投入使用了AP设备。例如，目前上海地铁很多延伸线用AP作为屏蔽门联动无线通道。然而目前的AP设备只能做到事后报警，无法实现预防性报警。而且还有AP设备老化，导致故障率提高，造成行车安全隐患。就自我而言，地铁无线AP信号质量监测的研究刻不容缓。

关键词：网络化；自动化；AP设备；安全隐患

中图分类号：TN925 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）10-0054-02

一、引言

根据目前AP设备只能做到事后报警以及AP设备经常出现故障，上海地铁AP所使用的802.11g无线通信技术，针对信号频段为开放频段，信号可以自由接收的特点，地铁无线AP信号质量检测可以采集车/站AP设备的信号，通过研究信号场强、干扰状况、误码率以及其他影响通信的情况，检测AP信道信息、MAC信息以及IP信息，判断可能发生故障的AP设备，给出预警和报警。首先，此监测能对AP设备的工作状态进行（实时）监测和检测；其次，能及时发现失效设备，给出预警和告警；它还能采集车＼站AP设备的信号；得出AP信号质量状况；获得无线信号质量参数；实现无线通信的量化检测。

二、目前上海地铁信号场强

目前上海地铁信号场强主要由上海城市轨道交通信号系统控制。上海城市轨道交通信号系统通常由列车自动控制系统（Automatic Train Control，简称ATC）组成，ATC系统包括三个子系统：列车自动监控系统（ATS）、列车自动防护子系统（ATP）、列车自动运行系统（ATO）三个子系统通过信息交换网络构成闭环系统，实现地面控制与车上控制结合、现地控制与中央控制结合，构成一个以安全设备为基础，集行车指挥、运行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统。目前我国的城市轨道交通移动闭塞ATC系统的研究和应用存在的差距主要表现在对ATC系统中的数字轨道电路、车一地信息、传输和列车自动驾驶等关键技术尚不能全面掌握，国产化水平很低。在自动保护系统ATP中，国内外设备的主要差距在于列车的速度监督上，而速度监督的最主要设备是数字轨道电路，包括其地面发送设备和车上的接收设备。因此，目前上海地铁的信号系统还不够完善，地铁无线AP信号的检测仍然不可忽视。

三、目前上海地铁信号干扰情况

1.用WirelessMon软件测试的优势。本文前面已经阐述了上海地铁AP所使用的802.11无线通信技术，针对信号频段为开放频段，信号可以自由接收的特点。利用此特点便可以直接用WirelessMon软件进行测试。

2.数据分析。本次采集数据共搜索到2100个（次）无线信号，其中信号系统轨旁的AP和车载的MR（移动电台）使用的固定频道1。所有样本环境中频道6最拥挤占到总数量33%，其次是频道11占到总数量的29%，信号使用频道1使用比例24%。频道5和频道7没有使用。见图。

3.结果分析。从数据分析中，可以看出目前地铁信号由于种种原因导致一部分信号干扰。众所周知，信号的干扰有可能导致列车运行失误。而且导致信号干扰的原因具有多面性和不确定性，建筑物的建设结构，手机信号的干扰，地铁隧道的局限性，甚至天气变化都有可能干扰信号。因此，地铁无线AP信号质量检测的研发至关重要。

四、上海地铁信号误码率

误码率，是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。误码率=传输中的误码/所传输的总码数*100%。如果有误码就有误码率。另外，也有将误码率定义为用来衡量误码出现的频率。IEEE802.3标准为1000Base-T网络制定的可接受的最高限度误码率为10-10。这个误码率标准是针对脉冲振幅调制（PAM-5）编码而设定的，也就是千兆以太网的编码方式。用误码器直接测量上海地铁的误码率，测量结果见下页图。

从图中看出，上海地铁信号误码率很低，定时间内数据传输精确性很高，但这种很低的误码率也有可能导致列车运行失误。例如2011年7月28日，上海地铁10号线发生“开错方向”事件，本应开往航中路方向的上海地铁10号线列车，却反常地朝着虹桥火车站方向开出。此事故便是因为地铁信号导致的。因此，地铁信号误码率虽然很低，但仍然是导致事故发生不可忽视的一部分。

五、地铁无线AP设备通信过程

通过运用commonview软件，我们检测并总结为：在无车情况下，站内的四个AP会先按一定的顺序依次发送广播的BEACON（信标帧）和PROBE REQ（探测请求帧）。当一个AP收到来自其他AP的探测请求帧之后，它会给发送探测请求帧的AP发一个PROBE RESP（探测应答帧），如此循环往复。当有列车出现时，该循环的次数就会减少，因为这时列车也会相应地发送和接收BEACON（信标帧）和PROBE REQ（探测请求帧）。通过运用commonview软件，我们检测并总结为：在列车运行情况下，列车未进站时每隔一定时间发送BEACON（信标）帧，每隔一定时间发送一次PROBE REQ（探测请求）帧。即将进站时，列车会收到来自车站四个AP的BEACON帧，之后会向通信条件较好的AP（一般是离自己最近的）发送PROBE REQ（探测请求）帧，接着会收到PROBE RESP（探测应答帧），最后列车会给发探测应答帧的AP发送确认帧。多次抓到的数据中都存在这种反复地请求、应答和确认的规律。停靠站台时，列车会向轨旁AP发送携带列车信息的DATA（数据）帧，包括编组、停靠、PSD打开和关闭的信息，轨旁AP也会给车发送携带屏蔽门打开和关闭状态的数据帧。列车启动离站时，在停站期间除了有数据帧信息的传送，列车和轨旁AP仍然会发出BEACON帧、PROBE REQ.帧、PROBE RESP.帧和ACK确认帧。endprint

六、地铁无线AP检测规律

1.车尾不发送数据帧。车尾一般只作为信号的接收端，车头既作为信号的发送端，也作为信号的接收端，正常情况下，列车是由站内四个AP设备共同控制。当列车在下行运行时，下行的两个AP主要控制列车，当列车在上行运行时，上行的两个AP主要控制列车，但站内的AP设备是针对车头控制的，从而车头再控制车尾。

2.AP-MR在直接通信范围始终会进行多对多主动探测，但探测周期有差异。这条规律表明：列车与站内AP发送的探测帧的时间间隔是不同的，也就是说，列车行驶到站内AP信号范围内，站内AP信号并没有一直对列车进行控制，但站内AP信号一直在某个频率范围内发送探测帧。只要当列车需要控制时，列车才会接收探测帧并对探测帧做出应答或者列车发送自己的探测帧来征求站内AP信号的应答。

3.AP-MR建立peering连接前发送加密数据ENCR. DATA。这里的加密数据起到一个站内AP与车载MR的对接作用，是站内AP与车载MR要即将进行通信的信号。同时此加密数据起到一个两者之间的识别作用。只有站内AP与车载MR才能识别此加密数据，从而在此基础上开始试图建立通信联系。

4.站台西段的两个AP设备接收东段的两个AP信号所占百分比大致是相同的。

通过检测到的侧规律，可以说明：在列车即将进站到离站的每个周期，站台西段的两个AP设备通过接收东段的两个AP信号来控制列车，此次规律可以间接说明站台的四个AP设备相互协调，共同控制列车。

七、总结

通过对地铁无线AP信号部分检测，可以看出：站内四台AP信号设备与车载MR设备的关系复杂多样，两者相互通信的关系也互相交叉，同时站台AP信号设备之间也相互协调共同控制列车。相反来说，一旦站台某个AP信号设备出现信号通信问题，列车将面临严重信号障碍问题。因此，地铁无线AP信号监测系统的研发至关重要。

参考文献：

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