基于802．11g的CBTC车地通信子系统建模与分析.pdf-资料库

第 33卷第 5期 2 0 1 1年 5月铁道学报 JOURNAL OF THE CHINA RAILW AY S0CIETY VolI 33 N o．5 M ay 2011 文章编号：1001—8360(201i)05—0072—06 基于 802．1lg的 CBTC车地通信子系统建模与分析朱力，宁滨 (北京交通大学轨道交通国家重点实验室，北京 100044) 摘要：CBTC系统是利用连续、大容量的车地双向数字通信实现列车控制信息、列车状态信息传输的先进列车控制系统，CBTC系统中车地通信子系统对于保障列车安全高效的运营具有重要作用。本文根据 CBTC移动闭塞系统中的列车追踪模型，分析系统对通信的要求；利用 OPNET 的三层建模机制，建立基于 802．1lg的 CBTC 车地通信系统的系统仿真模型；利用该仿真平台仿真列控业务下的通信系统性能；仿真结果表明，在区间追踪阶段，基于 802．11g的无线局域网完全满足列车控制的需要；需要保证车站附近的 AP信号覆盖以满足列车进入中间站停车时对通信的要求。关键词：基于通信的列车控制系统；车地通信；OPNET；系统仿真；无线局域网中图分类号：TP393 文献标志码：A doi：10．3969／j．issn．1001—8360．2011．05．013 802．1 l g-based CBTC Train— ground Com m unication Subsystem M odeling and Analysis (State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China) ZH U Li． N IN G Bin Abstract：The Com m unication Based Train Control(CBTC)system is an advanced train control system which utilizes continuous high capacity bidirectional wireless com m unications to transm it train control information be— tween train and ground． The train—ground com m unication subsystem in CBTC plays an important role in ensu— ring high efficiency and safety in train contro1． The requirem ents for com munication quality is analyzed on the basis of the m ulti—trains tracing model in the CBTC m oving block system． The system sim ulation model of the 802．1 lg—based CBTC train—ground com m unication subsystem is established by use of the OPNET 3-layer m od— cling m echanism ．Comm unication perform ance under CBTC is sim ulated on the sim ulation platform． Sim ula— tion results show that the 802．1 1 g-based wireless LAN com pletely m eets the control requirem ents of a train tracing in a section and AP deployed close to the interm ediate station should be guaranteed SO as to m eet the re— quirements for com m unication when a train is entering the station for a stop． Key words：com munication based train control(CBTC)；train—ground comm unication；OPNET ；system simu一 1ation：W LA N 基于通信的列车控制系统 CBTC(Communica— 势，已经被西门子、阿尔卡特、阿尔斯通等国内外 tion Based Train Contro1)是利用连续、大容量的车地 CBTC系统研发商做为车地通信技术。双向数字通信实现列车控制信息、列车状态信息传输 CBTC系统数据传输的性能主要受移动无线信道的先进列车控制系统。车地通信是 CBTC系统的关的制约。无线信道不像有线信道那样固定并可预见，键技术之一。基于 802．11的无线局域网做为一个开而是具有较大的随机性。而列车控制系统做为一个安放的标准，由于其在安装、维护、扩展、兼容性方面的优全苛求系统，对通信的实时性、可靠性等有较高的要收稿日期：2009—06—04；修回日期：2009—08—07 基金项目：国家科技支撑计划 (2006BAG02B04) 作者简介：朱力 (1984 )，男，浙江长兴人，博士研究生。 E-mail：zhulil9840124@ gmail．corn 求。评估 CBTC 系统的车地通信子系统是否能够满足安全高效的行车要求是一项非常有意义的任务，它能使在系统设计阶段就能及时地调整通信系统的参

第 5期基于 802．11g的 CBTC车地通信子系统建模与分析数，提高通信系统的性能以满足列控系统的需求；同期大于数据的传输延迟与数据处理时间之和，就能保时，在充分掌握通信系统的性能之后，也能对列控系统证列车与地面在每一通信周期都能收到新的数据，即的参数设计提供一定的参考。 T > Tdel + T。。。。 (1 ) 国外已有学者对列车控制系统的车地通信系统的如果前方列车与 ZC之间的无线链路或者 ZC与可靠性进行研究：2003年与 2005年，Zimmermand_l 后续列车之间的无线链路中的任何一条传送信息失与 Holger Hermanns[2 等分别利用确定随机 Petri网败，后续列车在该周期内就收不到此时前方列车的实与推广的 UML 状态图工具 —— STOCHARTS 对际位置，列车将以上一周期收到的信息做为这一周期 ETCS系统 GSM—R 的可靠性进行分析。这些文献的地移动授权。如图 2所示，当某一个通信周期，前方列重点更多地放在形式化方法上，也就是从数学上对通车没有将自己的位置成功报告给后续列车时，后续列信系统的行为进行简化和抽象，这些抽象和简化正确车的制动曲线并没有随着前方列车的移动而向前移与否还有待商榷。 2008年 Paul等用 NS-2对美国动。 NAJPTC (North Am erican Joint Positive Train Con— tro1)的车地通信系统 ATCS进行建模 _3]，仿真系统正常和节点故障情况下通信系统的性能，包括接收功率、数据包碰撞概率、重传次数、丢包率等，对通信系统的设计有一定的借鉴意义。文中仿真了通信系统的性能，没有对列车的移动行为进行相关的建模分析。国内对 CBTC 系统的研究较多，文献 E4J～文献 E6]等都采用仿真或者计算的方法研究 CBTC移动闭塞系统的列车安全间隔时间问题，这些研究的前提都图 2 前后列车与地面 ZC的通信当后续列车连续个周期没有收到更新的前行列认为通信是完全可靠的，所得出的结论也都是在通信车位置时，其将运行到制动点，列车将实施不必要的制完全可靠前提下的结论。本文从 CBTC移动闭塞的动，影响行车的效率。基本理论出发，利用 OPNET的三层建模机制，对车地通信领域往往采用丢包率衡量一个通信系统的性通信系统从应用层到物理层进行完整的建模。利用该能，连续发送的数据包前后具有很强的相关性，一旦数模型分析基于 802．11g的无线局域网在 CBTC 系统据包的丢失高于一定的比例，通信质量 (如画面质量、中的可用性。 1 CBTC对通信系统的性能要求 CBTC系统中，列车与地面的通信按周期进行，地面区域控制器 ZC会在每一个通信周期接收前方列车的位置信息，列车会在每一通信周期接收 ZC发送的移动授权 MA，可以简单的理解成前方障碍物信息。当车与地之间数据收发同步时，双方的数据交互流程如图 1所示。 l 逼值翅 l 车或地收送接l收聋送 … 向’、、，，，面图 1 列车与地面的数据交互在图 1中，假设列车与地面的通信周期是 T，ZC 与列车的数据处理时间是丁。，数据的传输延迟时间是 T ，当数据传输成功时，只要设计车地通信周反应时间、文件完整性 )将变得不能忍受。对列车控制系统来说，情况并不是这样。列车每次接收到的信息格式都是一样的，只是内容不同，每次收到的新信息将覆盖旧信息，列车根据最新收到的 MA完成列车的控制。因为信息的这种无记忆特性，对列控系统来说，一定程度内的丢包并不影响列车的控制，只要保证在列车运动到非正常的制动点之前收到前方列车正确的位置信息即可。当车地通信周期是 T时，定义列车两次收到前方列车位置更新的时间间隔为 T ，当没有出现丢包时，两次收到前方列车位置更新的时间间隔 T 就是 T；如果某一周期前后续列车与 ZC之间的任何一条无线链路没有成功传输数据包，那这一周期后续列车将收不到正确的前行列车位置，当连续个周期后续列车没有收到前行列车的位置更新，而第 +1个周期成功收到位置更新时，T 一( +1)×T。根据移动闭塞原理，区间追踪列车最小瞬间距离满足： L i 一 Lc+ LB+ LsG+ L + LR (2 ) 式中，L i 是列车最小追踪距离；L。是通信周期内列

74 铁道学报第 33卷车的走行距离；L 是制动距离；L豁是保护间隔；L i 5。在该节点模型中，从上到下依次是应用层、传输层、是列车长度；L 是制动反应时间内列车走行距离。网络层、链路层和物理层。传输层可以根据用户需求式 (2)是在后续列车完全知道前方列车确切位选择 UDP或者 TCP；协议模型中物理层主要在 OP— 置的条件下得到的结论，在实际的 CBTC系统中，为 NET 的 Pipeline阶段实现。Pipeline阶段主要根据信安全考虑，实际上追踪列车间的距离比这个值要大很号的衰落模型完成接收功率和接收信噪比的计算，最多。后根据数据包的信噪比判断数据包错误的概率。如图 3所示，后续列车在时刻 t收到前行列车的位置更新报告，此后有连续的个通信周期，由于无线图 3 前后列车正常运行对通信的要求的丢包，后续列车都没有收到前方列车的位置更新。两次前方列车位置更新的时间间隔是 ( + 1)T，在这段时间内，前方列车已经走行很远，而后续列车还以为前方列车在 ( +1)T 时间之前的位置，为不引起后续列车不必要的制动，两次收到前方列车位置更新的时间间隔 T 必须满足： L i + T × < L (3 ) 即：LB+ L蛳+ L + LR+ (n+ 1)× T× < L (4 ) 图 5 CBTC车地通信系统通信协议模型式中，是列车在制动前的运行速度。根据 OPNET 建模机制，采用有限状态机对 2 基于 802．1lg CBTC车地通信系统建模为得到 802．11g无线局域网在 CBTC 系统业务下的性能，评估其是否能满足行车要求，本文采用 OP— NET对基于 802．11g无线局域网的 CBTC车地通信系统进行建模仿真。图 4是基于 802．11的 CBTC车地通信系统的网络模型。在该模型中，地面 AP、骨干网、列车上的无线节点组成 802．11标准定义的 ESS拓扑结构。车站 l _矗车站2 车站3 CBTC的业务模型建模。区域控制器 ZC 的主要业务是周期地接收列车的位置信息，周期地向列车发送 MA 信息。对其建模以后的有限状态机模型如图 6。圆骨干网图 4 CBTC车地通信系统网络模型 69，0 图 6 ZC的业务模型根据 OPNET 的建模机制，对图 4中列车和 ZC 列车的业务模型是与移动模型相结合的，列车根通信节点，都采用统一的协议栈描述，协议结构如图据发车间隔从始发站出发，到终点站停车，经过中间站

第 5期基于 802．11g的 CBTC车地通信子系统建模与分析的时候需要临时停车。根据第二节介绍的 CBTC移闭的基本原理，对列车的业务模型建模见图 7。 3 仿真结果和分析．设计基于 802．11g无线局域网的 CBTC车地通信系统的典型参数如下： (1)网络模型参数：起点站到终点站之间按照固定间距布置 AP，AP间距 300 m(802．11标准中建议的最大点对点传输距离 )，骨干网由以太网交换机串联构成。 (2)天线与衰落参数：在 CBTC 系统中由于受线路限制，地面天线不能装太高，一般都安装成一样高度，受车辆限制，这里假定天线高度 h 一h 一4 m。由于天线高度不高，信号传输的菲涅耳区被地面截断，信号传输受到限制，路径损耗采用文献 1-4]在 Lee传播模型的基础上提出的 2．4 GHz频段，接近地面信号的传播模型为 P1。。一 7．6+ 401gd 一 201gh h (6 ) 式中，P 。。是传输损耗；d是车上接入设备与地面 AP 的距离。结合阴影衰落得到接收信号电平如下 P 一 P 一 P 一 P1。 + + G + G (7 ) 式中，P，是接收功率；P 是发射功率；P 是线缆损耗；是阴影衰落；G 、G 分别是发射和接收天线增益。国内规定 ISM 频段在采用增益大于 10 dBi的天线时，EIRP不得高于 27 dBm，因此假定 P 一17dBm， G 一 10dB，G，一10 dB，发送端和接收端的线缆损耗近 Detault 图 7 列车的业务进程模型在该协议模型中，列车首先在两个非受迫状态完成相关参数初始化，然后进入发车间隔时间等待状态 Wait，完成发车间隔等待以后，进入行车阶段。行车阶段的主要停留状态有 Stop(站内停车 )，Drive(区间运行 )，Terminal(到达终点站 )。在每一个状态，列车都会收到 ZC发来的 MA，同时要向 ZC报告自己的位置。当列车处在其中的 Drive状态时，列车需要根据当前的限速控制自己的移动，列车的移动由受迫状态 Move控制。根据 CBTC移动闭塞的基本原理，Move状态的列车移动遵照图 8算法。在每一个通信周期，列车结读取 MA队列中最新的前方障碍物信息似都取为 3 dB。前方障碍物为列车I — I前方障碍物为车站分 3类确定目标停车 N 计算当前位置的限速对城市轨道交通而言，列车穿梭于城市的楼宇之间。Feuerstein等在 1991年的旧金山城区多建筑物环境下的测试结果表明，阴影衰落 ∈的标准差 6与天线的高度并没有多大的关系，在城市建筑物集中环境下近似在 7～9 dB之间口，因此，本仿真中取其均值，令 ===8 dB。 (3)802．11相关参数：采用 802．1lg参数，设定最大重传次数为 1O次；接收机灵敏度一95 dBm；传输速小于线各限速、 N 率 6 Mbit／s。利用 C+ + 结合 It+ + 类库，链路仿真童惰行在 6 Mbit／s传输速率下的误帧率 (FER)如图 9，仿真中的快衰信道采用确定性 jakes模型 l_g 生成的瑞利信更新当前位置和速度道，多普勒频移取列车移动速度是线路限速 (65 km／图 8 列车移动处理流程 h)时的频移，接收端信道均衡采用 ZF算法。合当前的位置 s( )、前方障碍物信息和线路限速，确定当前通信周期内的加速度 a，在当前速度 ( )和当前 (4)高层通信协议：采用 APPLICATION／UDP／ IP的协议结构，选择 UDP是因为相比于 TCP，UDP 加速度下，更新这一通信周期后的速度和位置分别为具有更好的实时性。 f ( + T)一 ( )+ aT 1 s( +T)一s(f)+ ( )×T+ aTz ‘5 (5)列车和线路设计参数_7] 启动加速度 1 m／s。，制动减速度 1 m／s。，列车长度 100 m，保护间隔 50 m，速度 65 km／h，线路全长 6 km，设有 3个车站，车站间距 3 km，中间站停车 30 S，

铁道学报第 33卷数下，由于无线传输的差错、越区切换等原因的存在，列车最多连续 3个周期未收到前方列车的位置更新。由第二节的分析，前后续列车的追踪间距只需满足式 ( 4)就能避免后续列车不必要的制动。将仿真参数带入式 (4)可知：当后续列车以线路限速运行时，两车的间距 L必须大于 327m，当后续列车处于出站加速或者进站减速时，由于运行速度小于线路限速，两列车的间距要求比 327 m 更小。列车按照式 (8)的安全间隔时间 (考虑中间站停车 )发车时，仿真搜集前后列车的追踪距离如图 12，前后列车的追踪距离都在 1 km 以上，相比于上述分析图 9 6 MbiVs传输速率下的 FER—SNR关系曲线 Kf瞄车地通信周期 200 ms，假定列车与 ZC在收到数据以的 327 m，有很大的余量。后的处理时间是 100 ms。列车间隔时间定义为连续两列列车到达同一个车站的间隔时间，文献 [5]、文献 [8]中给出在不同列车速度下的列车最小安全间隔时间 H (不考虑站内停车 )为： + t + V ／b V… > ] H … 一 [2a(LsG+ L )+V… ]／(2aV… )+ t + Vmax／b < ~／—2a(Lsa q—-Ltrain) ( 8 ) 在列车和线路参数下，根据式 (8)，计算在线路参数下，列车的最小追踪时间约为 36 S。再加上站内的停车时间 30 S，选择发车间隔为 66 s(实际的发车间隔往往大于这个值 )。仿真首先搜集车地的信息传输延迟，如图 1O所示，数据的延迟都在 50 ms以内，在数据处理时间是 100 ms时，由式 (1)，通信周期只要大于 150 ms就能保证列车与地面在每一个通信周期都能收到新的数据，因此仿真所设计的 200 ms的通信周期是合理的。其次，分析前后列车在区间追踪运行时受通信系统的影响：置更新的周期数，如图 11，可以看出在仿真设定的参 1 一匪警；一／／＼／ 100 200 300 400 5oo 时间／s 图12区瓣墼图13 A未P褥车的追踪距离嵛筒仿真的网络模型中，AP的间距为 300 in，线路全长为 6 km，因此全线共布置 19个 AP。定义从起点到终点的 AP编号从 AP1到 AP19，AP1和 AP19的信号覆盖起点站和终点站，中间站处在 AP9的覆盖之下。在仿真中更改网络模型，让区间任意两个连续的 AP(仿真中选择 AP7，AP8)故障，其余参数完全不变的情况下，统计后续列车连续未收到前方列车位置更新的丢帧周期个数，如图 13，相比于图 11，由于 AP故障，前后续列车与 ZC各有一次通信的中断，后续列车有两次接近连续 160个通信周期内都没有收到前方列车的位置更新。但是，搜集 AP故障时前后续列车的列车速度距离 (V—S)曲线，与所有 AP正常工作时的 V—S曲线相比，结果完全一样，如图 14所示，这进一步表明仿真中所设计的基于 802．11g的车地通信系统在式 (8)所规定的发车间隔下，完全满足区间列车追踪运行时对通信的要求，并且还具有很大余量。进一步，分析列车进入中间站时受通信的影响：定义在 MA 之前距离 MA 为一个制动距离的点为该 MA 所对应的制动点。根据文献 [5]，由式 (8) 得到的列车最小行车间隔是在列车恰好能够以最大速度到达站内停车点的制动点的条件下得到的。而在实际系统中因为安全考虑，当按照式 (8)计算得到的发车间隔发车时，后续列车不可能在前方列车刚刚出清时以最大速度到达车站停车的制动点，因为在前方列车未出清时，后续列车的 MA 在入站口外，在到达站

第 5期基于 802．1lg的 CBTC 车地通信子系统建模与分析内停车点的制动点以前会有一个制动过程。在制动过列车进入中问站停车时对通信的要求。程中，后续列车会收到 ZC发送的前方列车出清的消息，制动曲线因此向前有一个跳跃的延伸，后续列车随参考文献：之也有一个加速的过程，当速度到达延伸后的制动曲 [1]ARMIN z，GUNTER H．A Train Control System Case 线时，后续列车再次制动，直至停车。图 14中后续列车的 V—S曲线在中间站附近有一个先制动后加速的过程就表明这一情况。后续列车在制动过程中的某个周期收到前方列车出清的消息，如果该周期前方列车出清的消息没有成功传输给后续列车，后续列车会将继续制动。由于仿 Study in Model—Based Real Time System Design[C]／／In— ternational Parallel and Distributed Processing Sym posi— um ． W ashington DC ：IEEE Com puter Society，2003：1l8— 126． Eel HOLGER H ，DAVID N J，YAROSLAV S U．A Compar— ative Reliability Analysis of ETCS Train Radio Com muni— cations[R]．Germany：AVACS Technical Report No．2，真结果表明：列车最多只有 3个连续周期没有收到前 2005．方列车的位置更新，后续列车可能会因此在 3个周期 [3]PAUL VINCENT CRAVEN．Modeling the NAJPTC Net— 内继续制动。为避免这种不必要制动，设计人员在进 work Using NS-2[J]．International Journal of Critical In— 行无线 AP布置时，应该保证车站附近的信号覆盖良 frastructure Projection，2008：29—36．好，尽量让越区切换不要发生在离车站很近的区域。 [4]DAVID B GREEN ，M S OBAIDAT．An Accurate Line of 在仿真中更改网络模型参数，让位于车站位置的 AP9故障，其余参数完全不变。仿真前后续列车的速度距离曲线与未故障时候的相比，结果如图 15。从图中可以看出，后续列车接近中间站时，开始制动以后一直没有收到前方列车的出清消息，造成站间停车。该 Sight Propagation Performance M odel for Ad—Hoe 802．1 1 Wireless LAN (w LAN)Devices[C]／／IEEE International Conference on Communication．New York：IEEE Com put— er Society， 2002：3424—3428． [5]罗丽云，吴汶麒．城市轨道交通移动闭塞列车安全间隔时间分析 FJ]．中国铁道科学，2005，26(1)：：119—123．仿真结果表明，相比于列车在区间的追踪运行，列车进 LU 0 Li-yun，W U W en-qi．Analysis on the Safety T im e In～入中间站停车时对通信的要求有所提高。可以在车站 terval of Train with M ovable Block System in Urban Rail 附近缩短 AP的布置间距，以满足当其中 AP故障时， Transit[J]．China Railway Science，2005，26(1)：119—123．冗余的 AP能满足信号的覆盖。 [62张济民，吴汶麒．准移动闭塞列车安全间隔时间的计算 f 6O ， 4O 吕 2O 瑙 0 O [J]．铁道学报，1999，21(3)：6-10． ZHANG ji—m in，W U W en-qi．Calculation of Time Interval between Two Trains in Moving-block Signal System[J]． Journal of the China Railway Society，1999，21(3)：6-10． [7]刘海东，毛保华．不同闭塞方式下城轨列车追踪运行过程及其仿真系统的研究 [J]．铁道学报，2005，27(2)：120— 2 4 6 125．距离／km 距离／l【m LIU Hai—dong，M A0 Bao—hua．Study on Tracking Opera 前行列车；一一。后续列车。前行列车：一一后续列车。图 14 正常情况前后列车的 —S曲线图 15 中间站 AP故障时的前后列车 —Ls曲线 tions between Trains of Different Block M odes and Simula～ tion System [J]． Journal of the China Railway Society， 2005，27(2)：120-125． 4 结束语本文根据 CBTC移动闭塞系统中的列车追踪模型，分析列车追踪模型对通信的要求，利用 OPNET的三层建模机制，建立基于 802．11g无线局域网的 [8]苟径，宁滨．网络条件下列车追踪模型及延迟传播的研究 [J]．物理学报，2007，56(10)：5158—5163． XUN Jing， NING Bin． Network—based Train-following Model and Study of Train’S Delay Propagation[J]．Acta Physica Sinica，2007，56(10)：5158—5163． [9]MATTHIAS Patzold，RAQUEL Garcia．Design of High～ CBTC车地通信系统的系统仿真模型；利用该仿真平 Speed Simulation M odels for M obile Fading Channels by 台仿真列控业务下的车地信息传输延迟，后续列车连 Using Table Look—Up Techniques[J]．IEEE Transaction 续未收到前方列车位置更新的周期数，前后列车的速 on Vehecle Technol，2002，49(4)：1178—1190．度一距离曲线。通过对仿真结果的分析表明，在区间追 [1O]OPNET help．[CP／CD]． OPNET Modeler 14．5 online 踪阶段，基于 802．1lg的无线局域网完全满足列车行 docum entation．车的需要；需要保证车站附近的 AP信号覆盖以满足 (责任编辑江峰 )

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