信号DCS无线信号优化分析

杨玉祖 王孝 李宁

摘要：目前很多城市信号DCS无线通信网络采用车载双天线无缝切换方案，全线规划布置交叉双网的TRE作为轨旁基站与列车通信。因传输和线路问题，实际运营中发现无线场强覆盖存在弱场、干扰严重等问题。确认其形成原因有2个方面：一是天馈系统天线布置和馈线问题;二是TRE场强设置和信号干扰问题。据此，提出相应解决措施。

关键词：轨道交通无线通信;场强;质量;数据分析;解决措施

引言

由于信号车地通信采用的2.4G窄带双频无线通信系统，信号覆盖不均匀，公共频带干扰严重。目前存在列车频繁切换TRE，无线信号不连续，信号强度下降，信号干扰等问题。这些问题会造成通信中断，列车区间EB。针对这些问题，本文对无线传输过程和场强覆盖进行理论分析，并提出几种解决办法，对信号DCS无线信号覆盖问题技术优化。

一、DCS无线网络结构和原理

（一）DCS无线网络

DCS子系统由以下三部分组成：

1.有线网络部分，即骨干网，包括：交换机;光电转换器。

2.无线网络部分，包括：轨旁无线网络：由轨旁无线接入点AP、功分器及定向天线等组成;车载无线网络：由车载调制解调器及天线组成。无线接入有线网络的光交换机端。

3.网管系统部分，即：IP网管系统。

DCS无线网络用于承载车载和轨旁CBTC系统间信号数据流的通信，它由位于轨旁的TRE，车载无线天线、车载无线调制解调器组成。设置了红蓝双网冗余通信。

TRE是配置于轨旁的无线传输设备，用于与车载无线设备之间进行无线通信。

（二）无线传输过程

信号发射过程：光信号由交换机端通过光纤传至TRE，通过光电转换器转化为电信号，再经过调制解调器的调制为适合空间传输的射频信号，通过功分器将该射频信号分为两路相同的信号，分别由馈线连至天线增益后发射该信号，与车载无线设备通信。

越区切换过程：整个过程可分为扫描、认证和重新关联3个阶段。扫描阶段是指列车在指定信道上监听AP定期发送的信标消息， 根据接收到信标消息的信号强度确定下一个关联的AP ， 并发送认证消息;认证阶段是指车载modem确定下一个关联AP并发送认证消息;重新关联阶段是指列车向即将关联的AP发送1个连接请求，AP接收到该请求后返回1个响应消息， 通知原先的AP 解除与列车的连接， 释放链路资源， 并与新的A P 连接。

二、场强覆盖理论计算

电磁波传播空间主要有自由空间、波导管、漏泄电缆3种。城市轨道交通一般在隧道中，本文取电磁波在自由空间中传播的情况，则路径损耗为

Ls=-27.56+20lgf+20lgd

d是列车与当前关联TRE的距离;f是信号频率2.4MHz。随着列车运行，路径损耗与距离成正比，信号强度与距离成反比。理论上自由无线方案在传输距离达到400米时，车载无线modem仍有30dB左右的链路余量。如下表所示，从轨旁AP到车载modem之间的场强规划。

对于无线通信以及无线系统，影响通信距离和信号强度的主要性能指标有四个：一是发射功率;二是接收器灵敏度;三是系统抗干扰能力;四是发射/接收天线的类型及增益。信号DCS无线通信采用2.4HZ的双频窄带无线通信系统，窄带传输抗干扰能力强，缺点是降低了通信质量。发射和接收采用高增益定向天线传输，增益量为14DBi，不需调整。提高接收器的接收灵敏度能够增加接收机最低接收场强，但会影响越区切换过程。接收机灵敏度是保证接收机的丢包率小于3%的最低接收信号强度，不同的数据传输速率对应不同的接收机灵敏度。

移动通信的无线传播特性除了和工作频率有关，还和移动无线环境（射频信号在隧道内的衰减非常迅速）、天线高度以及传播情况（例如反射、绕射、散射）有极大的关系。

三、目前车地无线通信存在的问题及应对之策

（一）场强覆盖图

下图是DCS轨旁无线接入点沿线路的无线场强覆盖情况。图中不同颜色的曲线代表沿线不同TRE的无线覆盖情况，而不同颜色的曲线交界处上方绿色圆圈内数字代表相邻TRE的切换时间。由此场强覆盖图可以看出自由无线方案的无线信号场强值普遍在-70dBm以上;切换时间也完全满足CBTC系统的要求。曲线整体趋势的变化代表接收信号强度随着距离的变化而变化。

（二）无线信号覆盖存在的问题

然而目前越区切换采用硬切換的方式，当移动节点连接到新节点时，首先断开与当前的连接然后再连接到目标，会导致系统通信的中断，不能实现无缝切换。

实际运营中发现这种越区切换方式会造成以下问题：

1. 信号不连续---车地通信出现时间间隔大于5s的通信超时（原因为天线采集机制、无线干扰）。

在触发越区切换后，车头开始向目标基站进行切换操作。在车载modem与原TRE断开连接，到与目标TRE建立连接的过程中，会出现车辆与地面的通信时延现象。如果多次切换都无法成功接入目标TRE，则由于车地之间通信时延过大而触发紧急制动等措施。

2.TRE切换前（后）出现中断或者频繁信号中断现象

自切换单次中断时间不大于5S就不会引起列车EB，但是多次出现则会造成通信异常。当扫描到目标后，移动节点与目标之间需通过认证及重关联过程后才开始转发数据。从开始切换到与目标完成重关联操作之间有一段延迟。这时如果信道突然恶化，就会造成当前与之间的信号质量急剧降低，从而导致与目标完成重关联之前已不能通过当前转发数据，这样通信就会中断。

3.出现TRE频繁切换的情况

由于城市轨道交通运行环境复杂多变，导致信道变化较大，当目标小区的信号强度高于当前小区时，就触发越区切换。然而由于受到外界环境的干扰，某一时刻目标小区的信号强度突然下降，就会切换回原小区。这样就在目标小区与原小区之间来回切换，导致“乒乓切换”。

4.信号在区间某个位置收到外界干扰的情况

无线通信采用2.4G频段中干扰较少的CH1和CH11两个频段，工作信道在2400-2483.5 MHz之间，以5 MHz间隔，调制解调器会接收到的其它2.4G无线干扰信号。2.4GHZ为公用频率，无线信号蓝牙等会对车地无线通信产生同频干扰。

（三）无线信号优化方法

1. 调节车载天线的角度

车地通信采用定向的八木天线，轨旁定向天线角度有问题会造成区间弱场。车载定向天线角度问题会导致该车多处TRE切换前后信号中断等异常问题。当某列车的抓包日志中，出现多处TRE切换前后信号中断或者异常情况时（其他列车均未出现该现象），优先考虑是列车车载天线（装反）等的问题。

2.调节TRE的发射功率

在信号网管终端上调节TRE功率，增强了弱场区域无线信号场强，降低强场区域功率值，这样可以优化场强覆盖，降低信号干扰，有效避免TRE频繁切换和自切换现象。

3.正线室内光交换机至TRE链路优化

信号从室内交换机至室外TRE箱盒，存在一定的光衰值，特别距离较远接近1310nm光模块距离极限时，可通过减少熔接点、减少法兰头转接等方式降低链路光衰。

总结

本文分析了信号车地无线通信系统的信号传输方式和原理，车地通信质量的关键在于TRE场强覆盖是否分布均匀。为了减少实际运营存在的弱场干扰现象，根据无线传输的理论提出了调整问题区域的TRE功率的方法。实际技术优化过程证明这种方法有效解决了TRE自切换、兵乓切换等问题，对降低列车区间EB的故障率、提高运营安全性有积极作用。同时本文针对实际维护过程中无线传输存在的几种问题提供了有效的解决方法。

参考文献：

[1]衣冠男.改进无线通信弱场的技术方法[J].中国新通信，2017，19（04）：43.

[2]辛静. 基于IEEE802.11n的城市轨道交通车地通信研究[D].兰州交通大学，2014.