導(dǎo)語(yǔ)：軌道交通某線車(chē)地?zé)o線通信故障分析一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：對(duì)上海某軌道交通線路車(chē)地無(wú)線通信故障頻發(fā)問(wèn)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(chē)速、復(fù)雜環(huán)境和基站位置都會(huì)對(duì)通信產(chǎn)生影響，進(jìn)而引起信噪比惡化，引發(fā)車(chē)地?zé)o線通信故障。從降低干擾源、加裝信號(hào)放大模塊及保護(hù)敏感源等3個(gè)方面，闡述了解決車(chē)地?zé)o線通信故障頻發(fā)問(wèn)題的措施及其可行性。從某線路的試用效果來(lái)看，在射頻前端電路加裝濾波器能顯著降低車(chē)地?zé)o線通信的故障率。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;車(chē)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(duì)通信質(zhì)量的要求越來(lái)越高;但個(gè)別線路的車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)經(jīng)常斷線，給列車(chē)維護(hù)保障帶來(lái)不便。本文對(duì)某典型地鐵線路(以下稱為“某線”)的車(chē)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(hào)系統(tǒng)采用CBTC(基于通信的列車(chē)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(chē)通信異常。經(jīng)過(guò)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(lái)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(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)的1727萬(wàn)份日志數(shù)據(jù)，來(lái)統(tǒng)計(jì)其故障，用于分析車(chē)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(chē)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(jiàn):在大多數(shù)的正常情況下，車(chē)地?zé)o線設(shè)備AP(無(wú)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(chē)地?zé)o線通信時(shí)間狀態(tài)曲線可直觀地反映每個(gè)車(chē)站車(chē)地?zé)o線通信傳感器的狀態(tài)信息，并且能長(zhǎng)時(shí)間記錄車(chē)地?zé)o線通信的信號(hào)狀態(tài)。這是車(chē)地?zé)o線通信狀態(tài)跟蹤、追溯的良好途徑。通過(guò)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(chē)地?zé)o線通信故障的車(chē)站，還能快速定位重啟次數(shù)異常的車(chē)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(shuō)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(hào)過(guò)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(chē)的高速行駛對(duì)車(chē)地?zé)o線通信信號(hào)強(qiáng)度造成影響。②復(fù)雜的通信環(huán)境使信號(hào)衰落加快，造成接收器接收功率過(guò)低，致使目標(biāo)信號(hào)過(guò)低。③由于信號(hào)基站太靠近車(chē)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(chē)速對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響

當(dāng)列車(chē)高速行駛時(shí)，車(chē)載AP設(shè)備和車(chē)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(wú)線電磁波向車(chē)站車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備靠近時(shí)，其頻率會(huì)變高;當(dāng)無(wú)線電磁波遠(yuǎn)離車(chē)站車(chē)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(chē)運(yùn)行速度越高，車(chē)站車(chē)地?zé)o線通信發(fā)射的頻率與列車(chē)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(chē)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(duì)列車(chē)運(yùn)行安全造成很大影響。已知某線列車(chē)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?chē)速相對(duì)于電磁波傳播速度可以忽略不計(jì)，所以頻率偏差不會(huì)影響到數(shù)據(jù)幀丟失，車(chē)速對(duì)通信影響可以忽略不計(jì)。

2.2復(fù)雜環(huán)境對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響

根據(jù)Fresnel區(qū)理論，信號(hào)強(qiáng)度衰敗不是線性降低［4］。某線車(chē)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(hào)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(hào)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(hào)強(qiáng)度應(yīng)大于－80dBm［6］?？梢?jiàn)，信號(hào)強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)，且留有較大余量。用WirelessInsite軟件對(duì)某車(chē)站進(jìn)行建模仿真，得到車(chē)站車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:車(chē)站內(nèi)的車(chē)地?zé)o線通信信號(hào)分布趨勢(shì)符合Fresnel分布;信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)強(qiáng)烈，說(shuō)明信號(hào)不穩(wěn)定;在一些區(qū)域，信號(hào)強(qiáng)度已經(jīng)低于－80dBm。如信號(hào)強(qiáng)度較低處周?chē)谢净蚬I(yè)信號(hào)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(duì)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(hào)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(hào)噪聲信號(hào)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(hào)功率或者基站和車(chē)站車(chē)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(hào)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(hào)功率偏高，車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備的目標(biāo)信號(hào)時(shí)常被基站信號(hào)湮沒(méi)，進(jìn)而發(fā)生通信延時(shí)及車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備重啟等通信故障，給列車(chē)運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。

3解決措施

針對(duì)故障發(fā)生的原因，本文從降低干擾源干擾、加裝信號(hào)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(hào)。在基站側(cè)加裝不同的濾波器后，信號(hào)原理圖如圖5所示。由圖5a)可見(jiàn)，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(hào)SNR為5dB＜6dB，無(wú)法解調(diào)。由圖5b)可見(jiàn)，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(hào)SNR為10dB＞6dB，可以正常解調(diào)。由此可見(jiàn)，在基站側(cè)加裝濾波器可有效地緩解基站對(duì)地鐵車(chē)地?zé)o線通信干擾的問(wèn)題，無(wú)需對(duì)車(chē)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(chǎng)上幾乎沒(méi)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(yíng)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(yíng)商很難同意。

3.2加裝信號(hào)放大模塊

在車(chē)載AP設(shè)備與軌旁AP設(shè)備的天線與信號(hào)處理電路之間加裝1個(gè)發(fā)射信號(hào)方法模塊，其電路示意圖見(jiàn)圖6。在AP設(shè)備前端加裝信號(hào)放大模塊，可提升發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)的功率，進(jìn)而使SNR提升。加裝信號(hào)放大模塊后的信號(hào)強(qiáng)度如圖7所示。圖6信號(hào)放大模塊電路圖圖7加裝信號(hào)放大模塊后的信號(hào)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(hào)放大模塊，陰影內(nèi)峰狀虛線是為發(fā)射機(jī)未加裝信號(hào)放大模塊。由圖7可以看到:未加裝信號(hào)放大模塊時(shí)，AP設(shè)備收到的信號(hào)SNR為5dB＜6dB，無(wú)法解調(diào):加裝信號(hào)放大模塊后，AP設(shè)備收到的信號(hào)SNR為15dB＞6dB，可以正常解調(diào)。采用加裝信號(hào)放大模塊的措施可有效提升接收機(jī)所收到信號(hào)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(chē)地?zé)o線通信自身的信號(hào)過(guò)強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致接收機(jī)接受到的信號(hào)大于接收機(jī)的最大輸入電平，產(chǎn)生阻塞。信號(hào)放大模塊需小心設(shè)計(jì)，既要能放大信號(hào)，又要不至于阻塞接收機(jī)。如果采取該措施，則每列列車(chē)都需要加裝信號(hào)放大模塊，易受干擾路段的軌旁AP備上也都要加裝信號(hào)放大模塊，數(shù)量較多，需和車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備供應(yīng)商交涉。此外，增強(qiáng)的車(chē)地?zé)o線通信信號(hào)還可能會(huì)對(duì)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(chē)載AP設(shè)備與軌AP設(shè)備的天線與信號(hào)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(duì)通信頻段外強(qiáng)干擾信號(hào)的抗干擾能力，可對(duì)ISM頻段外的信號(hào)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(hào)在進(jìn)入地鐵接收機(jī)前端時(shí)信號(hào)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(wú)需與其他單位交涉，所以可行性較高。圖8車(chē)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(duì)降低車(chē)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(yǔ)

車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備故障隱藏得較深，往往車(chē)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(lái)不便。本文將車(chē)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(chē)站以及各車(chē)站車(chē)地?zé)o線通信故障比例;再?gòu)能?chē)速對(duì)信號(hào)強(qiáng)度影響、復(fù)雜環(huán)境對(duì)通信影響，以及基站密集度和基站距離太近對(duì)車(chē)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(hào)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(duì)其他車(chē)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(chē)輛分公司