城市轨道交通信号系统车地多重无线冗余方案应用研究.pdf

科学技术创新 2023.25城市轨道交通信号系统车地多重无线冗余方案应用研究丁青（卡斯柯信号有限公司，上海）目前城轨信号系统车地无线通信系统2大多使用WLAN 或者 LTE 进行车地业务信息的传输，无线系统作为城轨信号系统的重要组成部分，无线系统需稳定可靠，以降低由于无线系统故障导致的车地通信故障，从而提高列车运行的效率。1PRP 协议介绍IEC62439-3 工业通信网络 高可靠性自动化网络第 3 部分定义了 PRP 这种高可靠性网络协议。PRP(Parallel Redundancy Protocol)协议最初是为了满足智能电网毫秒级的网络切换需求，可以实现两条通信通道之间的无缝切换。图 1 为 PRP 协议原理。图 1PRP 协议原理PRP 冗余机制的实现，主要依托于两个逻辑或物理分离的子网（LAN A,LAN B，即所谓的 A 网、B 网），PRP 发送方将原始信息帧复制一份，并在两份帧中添加特定的 RCT 字段，形成 PRP 信息帧，分别从自身的两个端口发送出去（分别对应 A 网、B 网），分别途经两个独立的子网到达同一个 PRP 接收方；PRP 接收方从两个端口分别接收到这 2 份 PRP 信息帧后，会经过一系列的帧处理算法进行处理，简而言之，就是依据“先来后到”的原则，将后到达的 PRP 信息帧丢弃，仅保留一份先到达的 PRP 信息帧，将特定字段消除后，还原成原来的原始信息，传递给上层。2传统无线系统冗余方案无线系统为轨旁信号设备与车载信号设备建立通信的桥梁。目前城轨信号系统车地无线系统大多采用 WLAN 或者 LTE。2.1WLAN 无线系统冗余方案摘要：为保证无线通信系统稳定可靠的进行车地信息传输，通过 PRP 方案改善了车地无线通信系统冗余架构，提升车地之间无线传输链路的冗余性，并减少因为单制式无线通信系统（LTE 或 WLAN）故障导致的车地通信业务中断，进而提高城轨信号系统的可靠性和可用性，保证列车正常平稳运营。关键词：CBTC；无线通信系统；PRP；冗余性；可靠性中图分类号院U239.5；U284文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤25-0112-04作者简介：丁青（1988-），男，硕士，工程师，研究方向：铁道通信。图 2WLAN 无线系统方案蓝网主交换机红网主交换机红网 WLAN蓝网 WLAN天线天线蓝网 modem红网 modem轨旁信号应用车载信号应用112-2023.25 科学技术创新城市信号系统无线系统按照双网冗余方案设计，图 2 是 WLAN 无线系统3方案。车地无线网络部署两张独立冗余的两张红、蓝WLAN 无线网络，网络设备由轨旁 AP、车载 modem、骨干网交换机、信号主交换机、天线等构成。每列车的车头、车尾分别设置一台无线 modem。车头红网无线 modem 关联轨旁红网 WLAN 无线网络，传输车地红网信号业务；车尾蓝网无线 modem 关联轨旁蓝网 WLAN 无线网络连接，传输车地蓝网信号业务。车地之间通信为双向通信，车地间存在 2 条无线通信链路。2.2LTE 无线系统冗余方案城轨信号系统车地无线系统按照双网冗余方案设计，图 3 是 LTE 无线系统4方案。图 3LTE 无线系统方案车地通信无线网络部署两张独立冗余的两张红、蓝 LTE 无线网络，网络设备由轨旁基站、核心网设备、车载 TAU、骨干网交换机、信号主交换机、轨旁漏缆或定向天线、车载天线等构成1。每列车的车头、车尾分别设置一台无线 TAU。车头红网 TAU 关联轨旁红网 LTE 无线网络，传输车地红网信号业务；车尾蓝网 TAU 关联轨旁蓝网 LTE 无线网络，传输车地蓝网信号业务。车地之间通信为双向通信，车地间存在 2 条无线通信链路。2.3传统无线系统冗余方案存在问题目前城轨信号系统车地无线通信系统主要采用WLAN 或者 LTE 两种。由于车地间采用单一制式的无线链路（WLAN 或 LTE），存在如下问题：（1）因双网无线制式相同，同时受到干扰的可能性较大，同时受扰时则会造成车地通信不可用。（2）车地之间红、蓝网各采用一条无线链路，当一条无线链路故障时将导致车地间仅单网可用，降低系统可用性。3改进的无线系统冗余方案鉴于上述传统无线系统冗余方案存在的问题，改进的冗余方案优化提升无线链路的冗余性，通过 PRP方案5实现 LTE 与 WLAN 两种制式的无线网络同时承载信号 CBTC 应用。从而实现单列车 4 条车地无线链路，提升了车地无线链路冗余性；另外由于采用双制式无线网络，降低了无线网络受干扰的可能性。改进的单网 PRP 方案架构如图 4 所示。传统无线系统方案中，车载无线 modem 或者车载TAU 连接车载信号应用，轨旁信号主交换机与 EPC的路由器或者 AP 交换机连接。改造架构方案中：车载PRP 连接车载信号应用，同时车载 PRP 连接车载TAU 和车载 modem；轨旁信号主交换机连接轨旁 PRP设备，轨旁 PRP 设备连接 VXLAN 路由器，通过VXLAN 路由器连接 EPC 的路由器和 AP 交换机。由于 PRP 工作在二层数据链路层，而 LTE 和WLAN 均工作在三层，所以在 PRP 设备中间需新增L2 VPN 设备（上图 VXLAN 路由器），通过建立VXLAN 隧道6实现信息的传输。轨旁信号应用发送给车载信号应用的数据包 A蓝网主交换机红网主交换机红网 LTE蓝网 LTE天线天线蓝网 TAU红网 TAU轨旁信号应用车载信号应用图 4单网 PRP 方案架构113-科学技术创新 2023.25经过轨旁 PRP 设备后，轨旁 PRP 设备将数据包 A 分别通过 WLAN 和 LTE 无线链路传输到车载 PRP 设备，车载 PRP 设备将先收到的一份数据包 A 转发给车载信号应用。车载信号应用发送给轨旁信号应用的数据包 A经过车载 PRP 设备后，车载 PRP 设备将数据包 A 分别通过 WLAN 和 LTE 无线链路传输到轨旁 PRP 设备，轨旁 PRP 设备将先收到的一份数据包 A 转发给轨旁信号应用。如图 4 所示，车头、车尾各有两条车地无线通信链路，提升了单端无线通信链路冗余性。通过 PRP 方案叠加 WLAN 与 LTE 两种无线通道，为每条车地通信链路提供 LTE 和 WLAN 两种无线通道，在一种制式的无线链路故障的情况下仍可以用另一种无线链路传输，对信号应用来说相当于“无缝”切换，提高了车地无线链路冗余性。4可靠性分析从工程实际应用的角度考虑，影响车地无线系统可靠性的因素主要包括无线频率的使用和设备冗余结构两个方面。WLAN 方案采用的是 2.4GHz 公用频段，实际测试证明，WLAN 方案不但会受到 2.4GHz 频段的同频干扰和邻频干扰，还会受到运营商 4G、5G 无线信号的干扰，造成车地通信不可用的情况。LTE 方案与 WLAN 方案相比，抗干扰能力更强。但由于工作频段（1 7851 805MHz）与移动 DCS 频段（1 8051 820MHz）很接近，同时 LTE-M 工作频段不是轨道交通专用频段，石油、电力、民航等多行业均可用此频段，实际应用中可能受到同频干扰或者邻频干扰，造成车地通信不可用的情况。改进的无线系统冗余架构通过 PRP 方案叠加LTE 和 WLAN 两种制式的无线网络，列车单端车地无线通信具有 LTE 和 WLAN 两条链路，单条无线通信链路受干扰或故障时，不影响另一条无线链路的通信，提升了单端无线通信链路的冗余性及无线通信系统的抗干扰能力。通过对车载无线设备和轨旁无线设备的单点、多点故障场景进行分析，比较了传统无线冗余架构和改进型无线冗余架构的无线通信链路冗余情况，传统WLAN 无线冗余方案与改进的无线冗余方案比较结果如表 1 所述，传统 LTE 无线冗余方案与改进的无线冗余方案比较结果如表 2 所述。表 1故障场景冗余性对比-WLAN 无线系统表 2故障场景冗余性对比-LTE 无线系统通过表 1 和表 2 的对比结果可以看出，改进的无线系统冗余方案通过 PRP 方案叠加 LTE 和 WLAN 两种制式的无线网络，在相同场景下，单制式故障情况下，由于还有另外一套制式的无线链路，仍维持列车双网通信，不影响列车双网通信1。即使车地之间某一制式无线通信异常无法使用，另一制式的无线通信列车单网通信故障时，也仍可维持列车单网通信，不影响列车的正常运行。改进的无线冗余方案与传统较单制式的无线冗余方案进行对比，无线链路冗余性明显提升，进而无线系统的可靠性得到提升。5结论与展望通过 PRP 叠加 LTE 和 WLAN 两种制式无线网络的冗余方案，相较于传统单制式（LTE 或 WLAN）冗余方案，大大增强了车地无线链路的冗余性。对比并分析了车地无线系统在不同故障下的情况，表明了无线系统冗余性和可用性得以改善，从而降低了无线设备故障对列车正常运行的影响，进而提高了信号系统的可用性和可靠性。改进的无线冗余方案适用于新建/改造地铁线路故障场景 传统 WLAN 无线冗余架构 改进的无线冗余架构 单端车载无线 modem 故障 信号单网 信号双网 轨旁单网 AP 设备（连续多个AP）故障 信号单网 信号双网 单端车载 PRP 设备故障 无此设备 信号单网 轨旁单网 PRP 设备故障 无此设备 信号单网 双端车载无线 modem 故障 信号中断 信号双网 轨旁双网 AP 设备（连续多个AP）故障 信号中断 信号双网 故障场景 传统 LTE 无线冗余架构 改进的无线冗余架构 单端车载TAU故障 信号单网 信号双网 轨旁单网设备故障（BBU、RRU/EPC等）信号单网 信号双网 单端车载PRP 设备故障 无此设备 信号单网 轨旁单网PRP 设备故障 无此设备 信号单网 双端车载TAU故障 信号中断 信号双网 轨旁双网设备故障（BBU、RRU、EPC 等）信号中断 信号双网 v114-2023.25 科学技术创新或采用 LTE+WLAN 双套无线通信系统的情形；也适用于既有地铁线路采用一种制式的无线通信系统，而延伸线采用另外一种制式的无线通信系统，从而实现列车在 LTE 无线网络和 WLAN 无线网络下混跑运行。参考文献1王壮.城市轨道交通交通信号系统车地无线冗余方案探索J.铁路通信信号工程技术，2022（10）：56-61.2夏庭锴，崔科.城市轨道交通下一代 CBTC 系统发展展望J.城市轨道交通研究，2018，21(5)：43-47.3张伟，陈志.轨道交通中基于 WLAN 技术的车地通信实例探讨J.铁道车辆，2015，9(3)：34-36.4张衡，候筱岩，辛鑫.基于 LTE-M 技术的城市轨道交通车地通信应用 J.城市轨道交通研究，2022，12(4)：207-210.5靳建宇，王立德，简捷，等.列车通信网络并行冗余方法与协议的研究J.铁道学报，2017，12(10)：76-85.6牛凯廷，康京山，郝晓芳.VXLAN 网络技术分析与应用.计算机与网络J,2022，18(5)：51-55.Research on the Application ofVehicle-ground Wireless MultipleRedundancy Scheme in Urban Rail TransitSignal SystemDing Qing（CASCO Signal Ltd,Shanghai,China）Abstract:The paper focuses on improving the stably and reliably to transmit thevehicle-groundinformation by wireless systems,the PRP scheme improves the redundant architecture of the vehicle-groundwireless communication system,improve the redundancy of the vehicle-ground wireless transmission link,andreduce the interruption of the vehicle-ground communication service caused by the failure of the single-system wireless communication system(LTE or WLAN),thus improving the reliability and availability of theurban rail signal system，and ensure the normal and smooth operation of vehicle.Key words:CBTC;wireless communication system;PRP;redundancy;reliability115-