武汉有轨电车WLAN系统的调试问题分析及其整改方法

梅子然

(中铁电气化局集团有限公司设计研究院，北京 100166)

1 概述

有轨电车作为运行于城市路面的新型轨道交通，凭借着低造价、高运输量、节能环保，且美化城市的优势，成为了许多城市青睐的对象，近些年在珠海、苏州、广州、武汉等地都陆续建成并运行。通信系统作为有轨电车的神经系统，保障有轨电车的安全运营和良好的乘客体验。无线通信系统（WLAN）是通信系统中一个重要子系统，承载着车地通信业务的传递功能。

武汉有轨电车的WLAN，采用基于IEEE 802.11n/ac 标准的无线通信技术，实现全线车－地间数据实时、无缝的传输要求，为实时车辆监控视频、信号系统ATS 数据、AFC 系统载客量数据提供传输通道，并预留PIS 直播通道，提供车内乘客Wi-Fi 上网需求的能力，并确保不干扰信号系统的数据传输。

本文将针对武汉有轨电车WLAN 系统的调试问题进行分析，并提出其整改方法。

2 WLAN系统

2.1 系统构成

武汉有轨电车T1、T2 车地无线通信系统采用5.8 GHz 频率的WLAN 系统，由地面子系统、车载子系统组成。系统构成如图1 所示。

图1 WLAN系统构成图Fig.1 WLAN system composition

地面子系统由时钟同步单元（ISU）、网管服务器、中心交换机、车站交换机、光纤收发器、轨旁无线基站设备、POE 模块、基站天线、配电箱等设备组成。沿线各变电所安装车站级交换机与中心交换机构成WLAN 的有线传输网络。

车载子系统设置有车载无线单元设备、车载鲨鱼鳍天线，车载二层交换机及车载三层交换机等设备。车载交换机通过以太网线进行串行连接组成车载局域网，车载无线单元通过车载局域网与车载应用服务器进行通信。

2.2 传输业务及宽带需求

武汉有轨电车WLAN 系统总带宽为100 MHz，其综合承载信号ATS、AFC、CCTV、车辆信息、超级电容信息、PIS、WiFi 等业务。其中信号ATS作为行车控制系统，安全级别高,对网络的实时性和丢包率都有严格要求；CCTV、WiFi 业务有巨大的数据流量，故要求WLAN 系统不仅极其稳定可靠，而且有强大的数据运载能力。其各业务带宽需求如表1 所示。

3 调试中的问题及其分析

WLAN 系统进行单机、单系统调试时，因上线列车少、开启的业务量少、运行速度慢，系统表现正常，没有进行深入的问题研究和分析。期间进行施工整改，系统进行更新和升级等工作。在进行多系统联调时，大面积的列车上线高速运行在轨道上，同时开启大量数据流，在大数据的冲击和高频率的数据切换过程中，遇到本文中要探讨的几个问题。

3.1 基站切换原理

车地无线通信系统使用独特的切换机制，保证基站切换时间小于50 ms，并保证沿线服务的高可靠性。切换原理如下。

表1 业务带宽需求表Tab.1 Service bandwidth requirement table

1）地面无线基站切换

车载无线单元从现有连接基站处获取相邻基站的信道列表。车载无线单元连续对相邻信道进行扫描以检测出下一个可用基站，在此期间链路保持与原基站连接。当车载无线单元监测到附近某个基站RSS 信号值在不断变强且当前基站信号值在减弱，意味着车辆正远离现有通信基站驶向另一个基站，并在这个基站RSS 信号强度达到门限值时，车载无线单元将切换至此基站。车载无线单元此后会重新获取信息，刷新网络拓扑并更新路径的相关信息。

2）车载无线单元切换

双车载无线单元由于使用车辆内部切换机制使车载子系统具有更高的弹性及可用性，车载无线单元切换基于双车载无线单元设置，每个车载无线单元连接一个轨旁无线基站，一个车载无线单元处于激活模式，另一个车载无线单元处于空闲模式。车载无线单元切换如图2 所示。每个车载无线单元容量会被不断计算，如果空闲车载无线单元容量更大，系统将进行内部切换，把空闲车载无线单元切换为激活车载无线单元，原来激活车载无线单元切换为空闲车载无线单元。这个机制使系统不只基于RSS信号值，同时基于吞吐量来确保最佳表现。

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3.2 正常状态现象

如图2 所示，当车辆从D 往A 方向行驶，且正处于从C 到B 的切换过程中，此时列车正常状态应该是HMU2 作为主用车载控制单元与C 基站处于通信状态，与B、D 基站处于监视状态，同时备用车载单元HMU1 与B 处于激活状态，与A、C 处于监视状态；当列车继续行驶到达切换的临界值时，此时列车会根据空闲车载无线单元容量来选择HMU1 作为主用车载单元，HMU2 自动变为备用状态，且根据场强大小，此时HMU1 将会与B基站处于通信状态，与A、C 基站处于监视状态；HMU2 将会与C 基站处于激活状态，与B、D 基站处于监视状态，并根据列车的行进位置进行不断的切换。

3.3 问题现象

现象一：当多辆车同时进入一个比较集中的区域时，期间会出现随机车辆掉线，且掉线数量不定。在进行短暂恢复后，会有部分车辆处于连接状态，随即又会随机掉线，如此反复。

图2 无线切换示意图Fig.2 Wireless switching diagram

现象二：当车辆从C 往B 方向行驶过程中，车辆并非平滑从C 切换到B 基站，而是HMU 检测到A 基站信号，直接从C 基站切换到A 基站，与B基站仅处于监视状态，在经过列车短暂行驶和信道检测后，列车又自动和B 处于通信状态，与C 建立激活状态，此现象随机出现，但地点却相近。

现象三：多列车上线时会出现大面积随机掉线情况，且车辆和位置都不确定，很难捕捉到其规律。

3.4 原因分析

对以上3 个问题进行分析和确定。

现象一：是否在这些集中区域的车辆，都连接在同一个基站下，随机的掉线和连接是否是基站设置有问题。

现象二：车载控制器在选择地面基站进行连接时，没有按序切换，而是跨基站连接，且随着列车行驶，会恢复正常。是否是现场个别基站覆盖有问题，场强过高，或者列车对于场强选择连接不够清晰，导致车载控制器错误的判定连接基站。

现象三：此问题不太具有规律，采取分析网管数据和抓取大量数据包的方法，为后续判定提供依据。通过分析大量的数据和网管现象，发现两台车载控制器存在乒乓切换和双主、双备的现象。是否是车载控制器HMU1 和HMU2 的主备判定机制有问题。

3.5 制定方案

针对现象二，根据问题现象，总结找出高频率位置，重新进行场强测试。

针对现象三，要求设备厂家更新车载控制单元的配置文件并验证。

3.6 整改及其效果

通过模拟试验，发现在一个基站下还剩4 列车时，各车连接稳定，数据正常。找到基站配置文件，发现其允许接入阀值设置为4，将阀值改为8，再进行模拟试验，基站下所有车辆接入正常（基站覆盖范围内最多能开进6 列车）。

通过场强测试数据发现A 基站场强增益过大，且天线仰角过高，导致其场强信号飘到了B、C 基站之间，以至于车载控制器错误判定连接的基站。通过不断调整其覆盖范围和天线角度，同时更新车载控制器的判定选择配置，成功解决此问题。

通过一次又一次的更新和验证车载控制器的主备判定配置文件，成功解决车载控制器乒乓切换和双主、双备的问题。

3.7 问题延伸

在解决完上述问题后，为验证无线的抗压能力，将一个基站下停放最多的车辆，进行折返行驶，然后将车载摄像头尽可能的多调取，车载检票机不停刷卡，同时车载WiFi 启用，并进行上网，通过在后台观察视频的流畅性，PIS 等功能是否正常来判断在极端情况下，此系统能否承受大数据流的冲击，并能正常工作。

3.8 问题思考

相比于国内轨道交通常用的LTE，WLAN 虽然有更大的带宽，能承载更大的数据量，但其切换延时高，抗干扰能力弱的问题也日益突出。

采用开放式的5.8 GHz 工作频率，存在许多不可避免的干扰因素。作为建设在城市地面的轨道交通，周围环境复杂，学校、医院、工厂等会存在许多干扰的设备，也无法申请开展清频工作，给无线系统的安全带来极大的隐患。

4 结论

本文阐述的有轨电车WLAN 车地无线通信系统的调试问题分析及其整改方法，是作为解决无线系统调试问题的一种分析手段和解决办法，通过对问题现象的观察和分析，制定相应的验证措施，确定问题的核心，并进行整改。