基于PRP提升CBTC车地无线通信可靠性方案研究

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W L A N方案地铁线路面临的无线干扰问题，提出基于P R P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；冗余通道
中图分类号：U231.7 文献标志码：A 文章编号：1673-4440(2023)09-0083-04
Research on Improving Reliability of
CBTC Train-Ground Wireless Communication Based on PRP Yang Zhen1, Kuang Ronghua1, Cai Jingqiao1, Xiong Wen2
(1. Shenzhen Metro Group Co., Ltd., Shenzhen 518000, China)
(2. Shenzhen Branch, CASCO Signal Ltd., Shenzhen 518000, China)
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 different standards are introduced to make the single network information of signal 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 application scenario of PRP scheme in signal system is prospected.
Keywords: PRP; WLAN; LTE; redundant channel
DOI: 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（S T Y Y-
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IEC62439-3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
U
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，最后对该方案在轨道交通中的实际应用进行分析和展望。

1 PRP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1所示。

其中Link 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。

Fig.1 DANP data receiving and transmitting principle
2 既有信号系统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IEEE802.11g 标准的WLAN 车地无线方案，车地无线通信工作在2.4 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
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1所示。

表 1 几种不同冗余方式对比
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丢包的风险，因此无论采
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1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2所示（以信号系统车地通信单网为例）。

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。

4 PRP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Fig.3 PRP train-ground communication scheme test network architecture 首先在实验室进行了PRP同时经由WLAN及LTE无线链路传输的静态功能测试验证。

基于图3的测试网络架构，测试内容为通过车载和轨旁两台测试电脑之间运行端到端性能测试软件对丢包率和时延进行测试。

测试结果：1）在同时存在两条无线链路时，PC1和PC2能够正常稳定通信；2）任意断掉LTE无线网络或WLAN无线网络，PC1和PC2之间的通信不受影响。

测试证明PRP方案功能上能满足同时利用两条无线链路传输的要求。

选择实际地铁线路对PRP方案进行动车验证测试，方案中使用的冗余链路是通信专业既有的1.8GHz LTE系统。

动车测试主要内容包括：PRP 冗余通道车地通信传输性能测试；模拟单个无线网部分故障测试；模拟单个无线网全部故障测试。

选择该线路的一段高架区间进行测试，将新增PRP测试设备接入既有信号系统网络后，确认静态情况下两个无线网络均能正常通信后，开始动车测试。

为更直观地显示测试效果，测试时手动关掉既有WLAN系统连续5个轨旁AP电源模拟故障场景，对比仅通过WLAN传输和同时通过WLAN、LTE链路传输的传输性能指标。

测试采用Iperf性能测试工具，车地双向收发数据，测试吞吐量为25 kbit/s，发包大小200 Byte。

对比3次测试的丢包情况，如表2所示。

表 2 不同场景测试丢包情况对比
而LTE系统传输时延在20 ms左右，3次测试（除连续5个AP掉电区域外）平均时延均接近10 ms。

也就是说在LTE和WLAN两种制式网络同时工作的场景下，PRP大部分时间均选择传输时延更短的WLAN链路进行数据转发。

5 结语
随着各运营商4G、5G的普及以及家用WLAN、企业专用WLAN的广泛应用，车地无线通信外部环境日益复杂，信号系统车地通信采用PRP方案同时使用WLAN和其他制式无线系统通信，能够显著提升信号系统车地无线通信的可靠性（经计算和单一无线链路相比，MTBF提升150%以上），和单一制式无线系统相比，明显提高了车地通信的抗干扰能力，能有效解决既有线路WLAN系统受扰影响正常运营的问题。

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（下转100页）
就是对每一条分支电路进行验证，确保继电器前后接点使用、配线关系正确。

区间综合监控系统则是通过软件进行逻辑关系检查和丢失防护、报警进行判断，使用继电器接口电路与自动闭塞、区间监督电路、方向电路相结合的方式，软件验证通过仿真试验重点把控，现场试验则是对接口电路进行验证，继电器的驱采一致性核对、接口电路继电器前后接点使用、配线关系正确。

在施工过程中把握住各自各阶段的试验重点，严格按照要求进行试验，避免漏项，保证区间占用逻辑检查功能安全可靠运行。

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