基于PRP提升CBTC车地无线通信可靠性方案研究

杨 震，邝荣华，蔡景俏，熊 文

（1.深圳地铁运营集团有限公司，广东深圳 518000；2.卡斯柯信号有限公司深圳分公司，广东深圳 518000）

并行冗余协议（Parallel Redundancy Protocol，PRP）是IEC62439-3 中定义的冗余网络标准协议，主要应用在对实时性和可靠性要求较高的工业自动化网络中。该协议标准支持发送端设备将数据包复制后通过两个独立的网络同时发送，并在接收端设备根据该协议算法进行选收，从而提高传输链路的可靠性。当其中一个网络故障时，数据包将无缝改由另一个网络传输。本文首先讨论PRP 协议的技术特点，并针对PRP 方案在提高地铁CBTC 信号系统WLAN 车地无线通信可靠性的应用场景进行阐述，然后介绍基于PRP 方案的CBTC 车地无线通信实际测试情况，最后对该方案在轨道交通中的实际应用进行分析和展望。

1 PRP协议概述

PRP 支持通过两个相互独立的局域网通道同时进行数据传输。支持PRP 协议的网络设备称为双连接节点（Doubly Attached Nodes Obeying to PRP，DANP）设备，DANP 设备的两个以太网口分别连接到两个不同的局域网。要实现冗余通道传输功能，DANP 设备一般成对使用，两台DANP设备之间通过两个不同局域网同时收发数据包。源DANP 设备将收到的数据包同时经由两个局域网传输到目的DANP 设备，目的DANP 设备选择先到达的数据包转发出去。源和目的DANP 设备之间通信的原理如图1 所示。其中Link Redundancy Entity 工作在数据链路层，因此PRP 协议设备只能直接处理二层数据包。

图1 DANP数据收发原理Fig.1 DANP data receiving and transmitting principle

2 既有信号系统WLAN网络现状

国内早期已开通的地铁线路CBTC 信号系统多采用基于IEEE802.11g 标准的WLAN 车地无线方案，车地无线通信工作在2.4 GHz 开放频段。线路一般有隧道和高架两种线路类型，其中隧道段车地无线通信稳定，但高架段由于外部无线环境复杂，运营时段存在的同频干扰源较多，车地无线通信受扰后短时通信中断的情况时有发生，对地铁线路正常运营造成了一定的影响。为解决高架段车地无线通信问题，地铁线路既有WLAN 方案进行了各种无线优化工作，包括调整占用的无线频段、优化无线信道及无线发射频率等，也排除了高架沿线的部分干扰源，但仍不能完全解决高架段车地无线通信问题。

3 基于PRP的车地无线通信冗余方案

鉴于WLAN 系统内部优化已无法有效解决干扰问题，为解决地铁线路信号系统WLAN 车地通信的问题，考虑在车地通信既有WLAN 网络基础上，再引入一套不同制式不同频段的无线系统作为冗余通道，从而提高车地无线通信的可靠性。

对于两条不同无线链路的冗余，一般有负载分担、主备链路、PRP 链路冗余等几种技术方式。几种方式的特点对比如表1 所示。

表1 几种不同冗余方式对比Tab.1 Comparison of several different redundancy modes

信号系统车地通信数据量明显低于PIS 和CCTV 等业务，且信号系统更关注的是车地通信通道的稳定性和可靠性。由于既有的WLAN 链路存在受扰造成车地通信丢包的风险，因此无论采用负载分担还是主/备链路方式，都无法解决既有WLAN 链路切换时的丢包风险。而采用PRP 方案则可通过同时使用两条无线链路传输，且选择相对更优的无线链路发来的数据进行转发，能够有效实现两条无线链路之间的互补，理论上能够有效解决既有WLAN 车地通信的问题。

选择表1 中第三种方案，增加一套其他制式的无线系统，使信号系统车地通信单网数据包（共两个网络）可经由两条不同制式的无线通道同时传输。在其中一条无线通道，如WLAN 通道全线或部分区段故障不可用时，信号系统可以无延时的改用另一条无线通道进行车地通信。理论上能够有效提升信号系统车地通信的可靠性，降低车地无线故障对运营造成的影响。基于PRP 方案的信号系统车地无线通信网络方案示意如图2 所示（以信号系统车地通信单网为例）。

图2 信号系统PRP方案车地通信网络架构Fig.2 Train-ground communication network architecture of signal system PRP scheme

方案中，由于既有WLAN 系统及其他无线系统一般为三层网络架构，而PRP 协议工作在数据链路层，因此通过PRP 接入两条不同的无线网络时，在车地无线系统两端需增加路由设备实现车地之间的二层隧道传输。将既有车地WLAN 系统改造为PRP 冗余通道方案，轨旁除了需要增加PRP 设备外，还需要增加用于建立二层隧道的路由器设备，列车上仅需增加集成了二层隧道功能的PRP 设备。

当轨旁信号设备发送数据包A 给车载信号设备时，数据包A 到达轨旁PRP 设备后，PRP 设备会将数据包A 复制后转发到两条不同无线链路上，且分别为两个数据包打上识别标签；两个相同内容的数据包经由两条不同无线链路分别到达车载PRP 设备；车载PRP 设备通过识别数据包的标签，将先到达车载PRP 设备的数据包转发给车载信号设备，将后到达的数据包丢弃。当车载信号设备发送数据包给轨旁信号设备时，也采用同样的处理机制由轨旁PRP 设备对数据包进行选收并转发。

4 PRP方案测试验证

由于上述PRP 方案在轨道交通信号系统没有应用先例，为验证方案的实际传输性能，在实验室及实际地铁线路分别进行了PRP 方案的验证测试。测试使用的通信方案如图3 所示。

图3 PRP车地通信方案测试网络架构Fig.3 PRP train-ground communication scheme test network architecture

首先在实验室进行了PRP 同时经由WLAN 及LTE 无线链路传输的静态功能测试验证。基于图3的测试网络架构，测试内容为通过车载和轨旁两台测试电脑之间运行端到端性能测试软件对丢包率和时延进行测试。测试结果：1）在同时存在两条无线链路时，PC1 和PC2 能够正常稳定通信；2）任意断掉LTE 无线网络或WLAN 无线网络，PC1 和PC2 之间的通信不受影响。测试证明PRP 方案功能上能满足同时利用两条无线链路传输的要求。

选择实际地铁线路对PRP 方案进行动车验证测试，方案中使用的冗余链路是通信专业既有的1.8GHz LTE 系统。动车测试主要内容包括：PRP冗余通道车地通信传输性能测试；模拟单个无线网部分故障测试；模拟单个无线网全部故障测试。

选择该线路的一段高架区间进行测试，将新增PRP 测试设备接入既有信号系统网络后，确认静态情况下两个无线网络均能正常通信后，开始动车测试。为更直观地显示测试效果，测试时手动关掉既有WLAN 系统连续5 个轨旁AP 电源模拟故障场景，对比仅通过WLAN 传输和同时通过WLAN、LTE 链路传输的传输性能指标。测试采用Iperf 性能测试工具，车地双向收发数据，测试吞吐量为25 kbit/s，发包大小200 Byte。对比3 次测试的丢包情况，如表2 所示。

表2 不同场景测试丢包情况对比Tab.2 Comparison of packet loss in different scenarios

由于WLAN 系统一般传输时延在10 ms 以内，而LTE 系统传输时延在20 ms 左右，3 次测试（除连续5 个AP 掉电区域外）平均时延均接近10 ms。也就是说在LTE 和WLAN 两种制式网络同时工作的场景下，PRP 大部分时间均选择传输时延更短的WLAN 链路进行数据转发。

5 结语

随着各运营商4G、5G 的普及以及家用WLAN、企业专用WLAN 的广泛应用，车地无线通信外部环境日益复杂，信号系统车地通信采用PRP 方案同时使用WLAN 和其他制式无线系统通信，能够显著提升信号系统车地无线通信的可靠性（经计算和单一无线链路相比，MTBF 提升150%以上），和单一制式无线系统相比，明显提高了车地通信的抗干扰能力，能有效解决既有线路WLAN 系统受扰影响正常运营的问题。