基于PRP提升CBTC车地无线通信可靠性方案研究.pdf
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1、83城轨交通URBAN RAIL TRANSIT基于PRP提升CBTC车地无线通信可靠性方案研究杨 震1,邝荣华1,蔡景俏1,熊 文2(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)摘要:为解决既有采用 WLAN 方案地铁线路面临的无线干扰问题,提出基于 PRP 的车地通信冗余方案,引入不同制式的无线链路,使信号车地通信单网信息经由冗余通道传输,从而提高信号系统车地通信的可靠性。该方案进行实验室及地铁线路现场动车测试验证,对测试结果进行对比分析,并对信号系统中 PRP 方案的应用场景进行展望。关键词:PRP;WLAN;LTE;冗余通
2、道中图分类号:U231.7 文献标志码:A 文章编号:1673-4440(2023)09-0083-04Research on Improving Reliability ofCBTC Train-Ground Wireless Communication Based on PRPYang Zhen1,Kuang Ronghua1,Cai Jingqiao1,Xiong Wen2(1.Shenzhen Metro Group Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,China)(2.Shenzhen Branch,CASCO Signal Ltd.,Shenzhen 518000,C
3、hina)Abstract:In order to solve the problem of wireless interference faced by existing metro lines using WLAN scheme,this paper proposes a train-ground communication redundancy scheme based on PRP.Wireless links of diff erent standards are introduced to make the single network information of signal
4、train-ground communication transmitted through redundant channels,so as to improve the reliability of train-ground communication in signal system.The scheme has been tested and verified in the laboratory and on-site on metro lines.In this paper,the test results are compared and analyzed,and the appl
5、ication scenario of PRP scheme in signal system is prospected.Keywords:PRP;WLAN;LTE;redundant channelDOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2023.09.016收稿日期:2022-03-31;修回日期:2023-07-18基金项目:深圳地铁运营集团有限公司科研项目(STYY-YYTH011-FW001/2021)第一作者:杨震(1973),男,高级工程师,本科,主要研究方向:铁道信号,邮箱:。并行冗余协议(Parallel Redundancy Protocol,PRP)是
6、 IEC-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,并在接收端设铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年9月,第20卷第9期84U城轨交通RBAN RAIL TRANSIT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
7、在轨道交通中的实际应用进行分析和展望。1PRP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 所示。其中 Link
8、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DANP数据收发原理Fig.1 DANP data receiving and transmitting principleHard real-timestackUDPTCPTxNetwork layerLind Redundancy EntityPort ADANP1LAN ALAN BRxTxPort BRxHard real-timestackUDPTCPTxNetwork layerLind Redundancy EntityPort ADANP2RxTxPort BRx2既有信号系统
9、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 IEEE.g 标准的 WLAN 车地无线方案,车地无线通信工作在.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
10、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 所示。表 1几种不同冗余方式对比Tab.1 Comparison of several diff erent redundancy modes冗余方式适用场景解决的主要问题故障场景负载分担车地通信吞吐量较大的场景增 加 一 条 无线 链 路 进 行负载分担一条链路故
11、障所有数据量改由另一条链路传输主/备链路两条无线链路质量均较好,在一条无线链路故障时降低对信号系统的影响一 条 链 路 不可 用 时 切 到另 一 条 无 线链路传输一条主用一条备用,主用故障时改由备用链路传输,主/备链路切换时间在百毫秒级PRP方案各种场景(同时使用两条无线链路,实际选择更优的无线链路进行转发)增 加 系 统 可靠 性,两 条无 线 链 路 同时 进 行 数 据包传输相互独立且同时使用,一条链路故障时无延时切换到另一条链路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
12、丢包的风险,因此无论采铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年9月85城轨交通URBAN RAIL TRANSIT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 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
13、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 所示(以信号系统车地通信单网为例)。图信号系统PRP方案车地通信网络架构Fig.2 Train-ground communication network architecture of signal system PRP scheme轨旁信号设备信号主交换机数据包A车载信号设备数据包A轨旁PRP设备车载PRP设备数据包A数据包A()数据包A()数据包A()轨旁车载数据包A()其他无线系统既有Wi-Fi路由器方案中,由于既有 WLAN 系
14、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
15、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。4PRP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 所示。图PRP车地通信方案测试网络架构Fig.3 PRP train-ground communication scheme test network architecturePCPCLTE无线网络W
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