丁 青

（卡斯柯信號有限公司，上海）

1 PRP 協(xié)議介紹

IEC62439-3 工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò) 高可靠性自動化網(wǎng)絡(luò)第3 部分定義了PRP 這種高可靠性網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。PRP(Parallel Redundancy Protocol)協(xié)議最初是為了滿足智能電網(wǎng)毫秒級的網(wǎng)絡(luò)切換需求，可以實現(xiàn)兩條通信通道之間的無縫切換。圖1 為PRP 協(xié)議原理。

圖1 PRP 協(xié)議原理

PRP 冗余機制的實現(xiàn)，主要依托于兩個邏輯或物理分離的子網(wǎng)（LAN A,LAN B，即所謂的A 網(wǎng)、B 網(wǎng)），PRP 發(fā)送方將原始信息幀復制一份，并在兩份幀中添加特定的RCT 字段，形成PRP 信息幀，分別從自身的兩個端口發(fā)送出去（分別對應(yīng)A 網(wǎng)、B 網(wǎng)），分別途經(jīng)兩個獨立的子網(wǎng)到達同一個PRP 接收方；PRP 接收方從兩個端口分別接收到這2 份PRP 信息幀后，會經(jīng)過一系列的幀處理算法進行處理，簡而言之，就是依據(jù)“先來后到”的原則，將后到達的PRP 信息幀丟棄，僅保留一份先到達的PRP 信息幀，將特定字段消除后，還原成原來的原始信息，傳遞給上層。

2 傳統(tǒng)無線系統(tǒng)冗余方案

無線系統(tǒng)為軌旁信號設(shè)備與車載信號設(shè)備建立通信的橋梁。目前城軌信號系統(tǒng)車地無線系統(tǒng)大多采用WLAN 或者LTE。

2.1 WLAN 無線系統(tǒng)冗余方案

城市信號系統(tǒng)無線系統(tǒng)按照雙網(wǎng)冗余方案設(shè)計，圖2 是WLAN 無線系統(tǒng)[3]方案。

圖2 WLAN 無線系統(tǒng)方案

車地無線網(wǎng)絡(luò)部署兩張獨立冗余的兩張紅、藍WLAN 無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由軌旁AP、車載modem、骨干網(wǎng)交換機、信號主交換機、天線等構(gòu)成。

每列車的車頭、車尾分別設(shè)置一臺無線modem。車頭紅網(wǎng)無線modem 關(guān)聯(lián)軌旁紅網(wǎng)WLAN 無線網(wǎng)絡(luò)，傳輸車地紅網(wǎng)信號業(yè)務(wù)；車尾藍網(wǎng)無線modem 關(guān)聯(lián)軌旁藍網(wǎng)WLAN 無線網(wǎng)絡(luò)連接，傳輸車地藍網(wǎng)信號業(yè)務(wù)。車地之間通信為雙向通信，車地間存在2 條無線通信鏈路。

2.2 LTE 無線系統(tǒng)冗余方案

城軌信號系統(tǒng)車地無線系統(tǒng)按照雙網(wǎng)冗余方案設(shè)計，圖3 是LTE 無線系統(tǒng)[4]方案。

式中：Hjilsmq為0-1變量，若工序Ojils在機床Mm上完工后選擇搬運設(shè)備Hq進行搬運，則Hjilsmq=1，否則Hjilsmq=0。

圖3 LTE 無線系統(tǒng)方案

車地通信無線網(wǎng)絡(luò)部署兩張獨立冗余的兩張紅、藍LTE 無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由軌旁基站、核心網(wǎng)設(shè)備、車載TAU、骨干網(wǎng)交換機、信號主交換機、軌旁漏纜或定向天線、車載天線等構(gòu)成[1]。

每列車的車頭、車尾分別設(shè)置一臺無線TAU。車頭紅網(wǎng)TAU 關(guān)聯(lián)軌旁紅網(wǎng)LTE 無線網(wǎng)絡(luò)，傳輸車地紅網(wǎng)信號業(yè)務(wù)；車尾藍網(wǎng)TAU 關(guān)聯(lián)軌旁藍網(wǎng)LTE 無線網(wǎng)絡(luò)，傳輸車地藍網(wǎng)信號業(yè)務(wù)。車地之間通信為雙向通信，車地間存在2 條無線通信鏈路。

2.3 傳統(tǒng)無線系統(tǒng)冗余方案存在問題

目前城軌信號系統(tǒng)車地無線通信系統(tǒng)主要采用WLAN 或者LTE 兩種。由于車地間采用單一制式的無線鏈路（WLAN 或LTE），存在如下問題：

（1） 因雙網(wǎng)無線制式相同，同時受到干擾的可能性較大，同時受擾時則會造成車地通信不可用。

（2） 車地之間紅、藍網(wǎng)各采用一條無線鏈路，當一條無線鏈路故障時將導致車地間僅單網(wǎng)可用，降低系統(tǒng)可用性。

3 改進的無線系統(tǒng)冗余方案

鑒于上述傳統(tǒng)無線系統(tǒng)冗余方案存在的問題，改進的冗余方案優(yōu)化提升無線鏈路的冗余性，通過PRP方案[5]實現(xiàn)LTE 與WLAN 兩種制式的無線網(wǎng)絡(luò)同時承載信號CBTC 應(yīng)用。從而實現(xiàn)單列車4 條車地無線鏈路，提升了車地無線鏈路冗余性；另外由于采用雙制式無線網(wǎng)絡(luò)，降低了無線網(wǎng)絡(luò)受干擾的可能性。改進的單網(wǎng)PRP 方案架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 單網(wǎng)PRP 方案架構(gòu)

傳統(tǒng)無線系統(tǒng)方案中，車載無線modem 或者車載TAU 連接車載信號應(yīng)用，軌旁信號主交換機與EPC的路由器或者AP 交換機連接。改造架構(gòu)方案中：車載PRP 連接車載信號應(yīng)用，同時車載PRP 連接車載TAU 和車載modem；軌旁信號主交換機連接軌旁PRP設(shè)備，軌旁PRP 設(shè)備連接VXLAN 路由器，通過VXLAN 路由器連接EPC 的路由器和AP 交換機。

由于PRP 工作在二層數(shù)據(jù)鏈路層，而LTE 和WLAN 均工作在三層，所以在PRP 設(shè)備中間需新增L2 VPN 設(shè)備（上圖VXLAN 路由器），通過建立VXLAN 隧道[6]實現(xiàn)信息的傳輸。

軌旁信號應(yīng)用發(fā)送給車載信號應(yīng)用的數(shù)據(jù)包A經(jīng)過軌旁PRP 設(shè)備后，軌旁PRP 設(shè)備將數(shù)據(jù)包A 分別通過WLAN 和LTE 無線鏈路傳輸?shù)杰囕dPRP 設(shè)備，車載PRP 設(shè)備將先收到的一份數(shù)據(jù)包A 轉(zhuǎn)發(fā)給車載信號應(yīng)用。

車載信號應(yīng)用發(fā)送給軌旁信號應(yīng)用的數(shù)據(jù)包A經(jīng)過車載PRP 設(shè)備后，車載PRP 設(shè)備將數(shù)據(jù)包A 分別通過WLAN 和LTE 無線鏈路傳輸?shù)杰壟訮RP 設(shè)備，軌旁PRP 設(shè)備將先收到的一份數(shù)據(jù)包A 轉(zhuǎn)發(fā)給軌旁信號應(yīng)用。

如圖4 所示，車頭、車尾各有兩條車地無線通信鏈路，提升了單端無線通信鏈路冗余性。

通過PRP 方案疊加WLAN 與LTE 兩種無線通道，為每條車地通信鏈路提供LTE 和WLAN 兩種無線通道，在一種制式的無線鏈路故障的情況下仍可以用另一種無線鏈路傳輸，對信號應(yīng)用來說相當于“無縫”切換，提高了車地無線鏈路冗余性。

4 可靠性分析

從工程實際應(yīng)用的角度考慮，影響車地無線系統(tǒng)可靠性的因素主要包括無線頻率的使用和設(shè)備冗余結(jié)構(gòu)兩個方面。

WLAN 方案采用的是2.4GHz 公用頻段，實際測試證明，WLAN 方案不但會受到2.4GHz 頻段的同頻干擾和鄰頻干擾，還會受到運營商4G、5G 無線信號的干擾，造成車地通信不可用的情況。

LTE 方案與WLAN 方案相比，抗干擾能力更強。但由于工作頻段（1 785～1 805MHz）與移動DCS 頻段（1 805～1 820MHz）很接近，同時LTE-M 工作頻段不是軌道交通專用頻段，石油、電力、民航等多行業(yè)均可用此頻段，實際應(yīng)用中可能受到同頻干擾或者鄰頻干擾，造成車地通信不可用的情況。

改進的無線系統(tǒng)冗余架構(gòu)通過PRP 方案疊加LTE 和WLAN 兩種制式的無線網(wǎng)絡(luò)，列車單端車地無線通信具有LTE 和WLAN 兩條鏈路，單條無線通信鏈路受干擾或故障時，不影響另一條無線鏈路的通信，提升了單端無線通信鏈路的冗余性及無線通信系統(tǒng)的抗干擾能力。

通過對車載無線設(shè)備和軌旁無線設(shè)備的單點、多點故障場景進行分析，比較了傳統(tǒng)無線冗余架構(gòu)和改進型無線冗余架構(gòu)的無線通信鏈路冗余情況，傳統(tǒng)WLAN 無線冗余方案與改進的無線冗余方案比較結(jié)果如表1 所述，傳統(tǒng)LTE 無線冗余方案與改進的無線冗余方案比較結(jié)果如表2 所述。

表1 故障場景冗余性對比-WLAN 無線系統(tǒng)

通過表1 和表2 的對比結(jié)果可以看出，改進的無線系統(tǒng)冗余方案通過PRP 方案疊加LTE 和WLAN 兩種制式的無線網(wǎng)絡(luò)，在相同場景下，單制式故障情況下，由于還有另外一套制式的無線鏈路，仍維持列車雙網(wǎng)通信，不影響列車雙網(wǎng)通信[1]。即使車地之間某一制式無線通信異常無法使用，另一制式的無線通信列車單網(wǎng)通信故障時，也仍可維持列車單網(wǎng)通信，不影響列車的正常運行。改進的無線冗余方案與傳統(tǒng)較單制式的無線冗余方案進行對比，無線鏈路冗余性明顯提升，進而無線系統(tǒng)的可靠性得到提升。

5 結(jié)論與展望

通過PRP 疊加LTE 和WLAN 兩種制式無線網(wǎng)絡(luò)的冗余方案，相較于傳統(tǒng)單制式（LTE 或WLAN）冗余方案，大大增強了車地無線鏈路的冗余性。對比并分析了車地無線系統(tǒng)在不同故障下的情況，表明了無線系統(tǒng)冗余性和可用性得以改善，從而降低了無線設(shè)備故障對列車正常運行的影響，進而提高了信號系統(tǒng)的可用性和可靠性。

改進的無線冗余方案適用于新建/改造地鐵線路或采用LTE+WLAN 雙套無線通信系統(tǒng)的情形；也適用于既有地鐵線路采用一種制式的無線通信系統(tǒng)，而延伸線采用另外一種制式的無線通信系統(tǒng)，從而實現(xiàn)列車在LTE 無線網(wǎng)絡(luò)和WLAN 無線網(wǎng)絡(luò)下混跑運行。