CN107846716A - 一种优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法 - Google Patents

一种优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法，该方法基于轨道交通信号系统，该轨道交通信号系统包括ATO子系统和DCS子系统，采用切换占比指标评价轨道交通信号系统的wifi传输性能，该方法利用ATO子系统确定列车位置，当ATO子系统检测到列车到达指定位置时，ATO子系统发送给DCS子系统请求切换消息，DCS子系统收到请求切换消息后启动动作切换，断开车载无线与当前AP的连接，并将车载无线切换至下一个相邻AP，切换时间满足所述切换占比指标。与现有技术相比，本发明具有无线切换时长缩短、支持超高速列车运行而不降低Wi‑Fi传输性能等优点。

Description

一种优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法
技术领域
本发明涉及轨道交通信号传输领域，尤其是涉及一种优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法。
背景技术
Wi-Fi系统由于设计初衷并非是为移动设备考虑的，因此在系统越区切换上存在技术弱势，从而影响了整个系统的移动性。当前系统的移动切换处理原则有如下三个阶段：扫描测量，阈值判断，动作切换。在这一过程中均占用系统有效资源，导致系统切换延时较大，在中低速情况下，由于车速本身较低，系统性能影响范围有限。当车速越来越高的条件下，切换所带来的性能影响显著加大(速度对于扫描测量有影响)。
目前包括我司在内的主流技术厂家对Wi-Fi系统移动性的公开技术承诺均不超过120Kph，这个速度门限与城轨(城郊)系统发展方向产生冲突，由于城郊线速度要求普遍峰值超过120Kph，对Wi-Fi系统移动性是极大的挑战。比如深圳地铁11号线要求速度即为120Kph(峰值速度突破此门限)，北京地铁1号快线对速度的要求也高于120Kph，可能使用160Kph的CRH车型。因此无线系统的移动性必须朝着更快速度方向演进，满足未来市场需求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法，该方法基于轨道交通信号系统，该轨道交通信号系统包括ATO子系统和DCS子系统，采用切换占比指标评价轨道交通信号系统的wifi传输性能，所述优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法包括以下步骤：
S1：ATO子系统确定列车位置；
S2：当ATO子系统检测到列车到达指定位置时，ATO子系统发送给DCS子系统请求切换消息；
S3：DCS子系统收到请求切换消息后启动动作切换，断开车载无线与当前AP的连接，并将车载无线切换至下一个相邻AP，切换时间满足所述切换占比指标。
所述指定位置为相邻无线AP的重叠覆盖区域的起始点。
所述切换占比公式为：
切换占比定义为切换所用时间与列车在一个小区AP完整覆盖范围内运行时间的比率；
T0表示系统切换时长，T表示列车在一个小区AP覆盖范围内的有效运行时间。
T＝D/V
其中D为无线小区覆盖范围，V为列车运行速度。
R为0.67％或1.11％。
该方法中自由传播模式下，小区覆盖范围典型值为300m；波导管模式传播下，小区覆盖范围典型值为800m。
所述ATO子系统检测列车所在位置±50cm的精确度为99.99％，即99.99％的概率下落在正负50cm这个空间里。
该方法中切换时间为一个无线Modem的CPU技术周期10ms。
所述轨道交通信号系统还包括传统基于场强测量的切换控制系统，若ATO子系统在预期时间内未能提供列车信息，则启用基于场强测量的切换控制系统。
ATO子系统发往DCS子系统的消息格式为：ATO request+ATO id+ATO countdown+staMAC+apMAC；
其中ATO request：请求切换命令，用于告知DCS子系统是否请求切换；
ATO id：用于告知DCS子系统ATO的识别号；
ATO countdown：基于当前控车曲线计算出的至重叠区域的时间预估；
staMAC：用于告知DCS子系统重叠区域目标AP的MAC地址；
apMAC：用于告知DCS子系统本车配置的车载设备的MAC地址。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)无线切换流程缩减，有效地缩短了无线切换时长；
2)采用融合发展控制系统与通信系统的思路，由ATO子系统提供相关信息进行切换控制；
3)对现有信号系统而言可大大提高既有的切换占比，对未来信号系统而言可支持超高速列车运行而不降低Wi-Fi传输性能；
4)保留了既有切换控制方法作为后备模式，可以有效确保系统的可用性。
附图说明
图1为本发明在地铁信号系统中的实际应用场景；
图2为本发明ATO-DCS模拟接口协议格式。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
1)非切换状态下高速列车的多普勒效应对Wi-Fi传输性能的影响可忽略不计
多普勒效应指出，波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。考虑狭义相对论，电磁波的多普勒效应描述的公式如下：
其中fo是观察到的频率，fe为电磁波的原始发射频率，v为电磁波的速度，c为光速。若观察者与波源正以速度彼此远离则分子中的符号为-号而分母中的符号为+号，反之分子中的符号为+号而分母中的符号为-号。
基于上述公式，在2.4GHz频段，车速与多普勒效应影响关系见表1：
发射频率 2.4GHz
表12.4Ghz频段车速与多普勒效应
通过查询《IEEE STD 802.11g.-2003》得知在802.11g 2.4GHz下，无线频偏容忍度为25PPM。从上表的计算结果显示，即使在400kph下，多普勒效应带来的频偏不大于0.38PPM，远远小于802.11g频偏容忍度25PPM，仅占容忍度1.52％，因此完全可以忽略不计。也即随着车速的提高，多普勒效应对Wi-Fi传输性能的影响可忽略不计。
2)在切换状态下提高切换占比可以有效提高Wi-Fi的传输性能。
切换占比定义为切换所用时间与列车在一个小区(AP)完整覆盖范围内运行时间的比率。
切换占比用公式表示为：
其中T0为系统切换时长，T为在一个小区AP覆盖范围内的有效运行时间。
假定列车匀速运行，切换占比可表示为：
其中，D为无线小区覆盖范围，V为列车运行速度。
典型车地无线系统具有如下配置(见图1)：
在自由传播模式下，小区覆盖范围典型值为300m；
在波导管模式传播下，小区覆盖范围典型值为800m；
Urbalis888系统(自由传播模式)中T0值在95％概率下不高于100ms。根据项目经验，典型值可以取值到60ms。其支持的最高车速为120km/h时，因此计算的切换占比为：
R＝1.11％(95％标称值)；
R＝0.67％(典型值)
在现有的城铁系统中，随着车速的提高，在保持小区覆盖范围不变的情况下，小区内驻留的传输时间T会降低。为了满足典型的切换占比，必须保证T0得以改善。
当前系统切换流程分为三个阶段：扫描测量、阈值判断、动作切换。
其中扫描测量主要是用于判定系统切换时机，即车载无线在适当的位置从当前AP覆盖范围切换到相邻的AP覆盖范围。由于无线系统快衰落的影响，通常在扫描阶段需要多次采样，目前Urbalis888中采样数为3个，采样间隔最小为25ms，通常设置为30ms，因此第1阶段耗时最少应为50-60ms。
阈值判断和动作切换通常耗时各为一个CPU运算周期，通常为10ms。
从图1中我们可以得知，这个适当的位置即相邻的无线AP的重叠覆盖区域。由于信号系统中无线系统覆盖是一个线型覆盖，相邻AP位置和关系在设计和施工阶段就确定的，因此重叠区域也是确定的。所以即使不通过测量无线信号强度，只要知道重叠区域位置，就可以完成系统切换。
我们了解信号系统中ATO子系统是精确知道列车所在位置的(99.99％的±50cm范围内)。因此，只要ATO系统能够提供切换区域的信息，无线系统就无需执行扫描测量和阈值判断的过程，只要执行动作切换即可，通常这个动作仅需要一个无线Modem的CPU技术周期(10ms)。相比于之前分析的现有切换流程，改进后的切换方法可以提升70％的性能。
参考图1，说明了本方案在地铁信号系统中的实际应用场景，包含以下几个阶段：
阶段1、列车在AP1非覆盖重叠区内行驶，列车天线一直与AP1处于连接状态；
阶段2、列车行驶到AP1与AP2的覆盖重叠区的切换点1开始触发切换流程：
阶段201、ATO子系统根据自己的精确定位判断车头位置刚过一个切换点；
阶段202、ATO子系统触发生成一个请求切换消息，并发送给DCS子系统；
阶段203、DCS子系统收到请求切换消息后启动动作切换；
阶段204、DCS子系统断开与AP1的连接；
阶段205、DCS子系统建立与AP2的连接；
根据切换占比的公式反推可以得到，在切换时长为10ms情况下，按典型的切换占比(0.67％)和典型的小区覆盖范围(300m)计算可以得到能支持的最高车速为720km/h。而此时信号系统对速度适用性问题不仅仅在无线系统上。
参考图2，说明了验证本发明方法中ATO子系统发往DCS子系统的消息格式为：ATOrequest+ATO id+ATO countdown+staMAC+apMAC，主要包括以下内容：
ATO request：请求切换命令，用于告知DCS子系统是否请求切换；
ATO id：用于告知DCS子系统ATO的识别号；
ATO countdown：基于当前控车曲线计算出的至重叠区域的时间预估；
staMAC：用于告知DCS子系统重叠区域目标AP的MAC地址；
apMAC：用于告知DCS子系统本车配置的车载设备的MAC地址；
由于该方案依赖于ATO子系统实时提供无线切换区域，如果系统在预期时间内未收到ATO提供的相关信息，现有基于场强测量的切换控制方式应作为降级模式启用，确保系统可用性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法，该方法基于轨道交通信号系统，该轨道交通信号系统包括ATO子系统和DCS子系统，采用切换占比指标评价轨道交通信号系统的wifi传输性能，其特征在于，所述优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法包括以下步骤：
S1：ATO子系统确定列车位置；
S2：当ATO子系统检测到列车到达指定位置时，ATO子系统发送给DCS子系统请求切换消息；
S3：DCS子系统收到请求切换消息后启动动作切换，断开车载无线与当前AP的连接，并将车载无线切换至下一个相邻AP，切换时间满足所述切换占比指标。
2.根据权利要求1所述的一种优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法，其特征在于，所述指定位置为相邻无线AP的重叠覆盖区域的起始点。
3.根据权利要求1所述的一种优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法，其特征在于，所述切换占比公式为：
<mrow> <mi>R</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>T</mi> </mfrac> </mrow>
切换占比定义为切换所用时间与列车在一个小区AP完整覆盖范围内运行时间的比率；
T0表示系统切换时长，T表示列车在一个小区AP覆盖范围内的有效运行时间。
4.根据权利要求3所述的一种优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法，其特征在于，
T＝D/V
其中D为无线小区覆盖范围，V为列车运行速度。
5.根据权利要求3所述的一种优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法，其特征在于，R为0.67％或1.11％。
6.根据权利要求3所述的一种优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法，其特征在于，该方法中自由传播模式下，小区覆盖范围典型值为300m；波导管模式传播下，小区覆盖范围典型值为800m。
7.根据权利要求1所述的一种优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法，其特征在于，所述ATO子系统检测列车所在位置±50cm的精确度为99.99％。
8.根据权利要求1所述的一种优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法，其特征在于，该方法中切换时间为一个无线Modem的CPU技术周期10ms。
9.根据权利要求1所述的一种优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法，其特征在于，所述轨道交通信号系统还包括传统基于场强测量的切换控制系统，若ATO子系统在预期时间内未能提供列车信息，则启用基于场强测量的切换控制系统。
10.根据权利要求1所述的一种优化轨道交通信号系统高速wifi传输性能的方法，其特征在于，ATO子系统发往DCS子系统的消息格式为：ATO request+ATO id+ATO countdown+staMAC+apMAC；
其中ATO request：请求切换命令，用于告知DCS子系统是否请求切换；
ATO id：用于告知DCS子系统ATO的识别号；
ATO countdown：基于当前控车曲线计算出的至重叠区域的时间预估；
staMAC：用于告知DCS子系统重叠区域目标AP的MAC地址；
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