一种CBTC无线信号仿真设备、仿真系统及其仿真方法

技术领域

本发明涉及无线信号仿真系统及仿真方法，尤指一种CBTC无线 信号仿真系统及仿真方法。

背景技术

随着轨道交通技术、通信技术的发展，CBTC(Communication  Based Train Control,基于通信的列车控制)孕育而生。CBTC与传统 轨道交通技术差异之一就是列车和地面之间数据通信的方式不同。 传统轨道交通系统中列车与地面的通信通常采用轨道电路，即通过 铁轨与车轮传输信号；而CBTC系统中列车与地面的通信采用现在 移动通信技术中的802.11，使用无线网络通信设备(例如AP，Access  Point，接入点)进行列车与地面的数据通信。将这些无线网络通信设 备按照指定间隔布置在线路上，同时将能够与之通信的无线网络设 备安装在列车上，这样就能够实现列车与地面间的通信了。如下图1。

无线信号容易受到干扰，并且其传输性能受环境影响较大，相 同的设备在不同环境中其无线信号的覆盖特性不同，会导致性能差 异。特别是在CBTC系统中，城市轨道交通线路的多样性，隧道形 状、长度、弯曲半径、跨度等参数导致了无线信号覆盖模型更加难 以确认。因此网络设备安装完毕后，需要大量的试验、分析、调整 等工作。

现行的无线信号覆盖确认方法为：第一步，静态试验，在真实 隧道中某一个位置部署AP，使用模拟设备在其附近（前后300米范 围内）每隔一定距离（例如3米），进行信号场强的覆盖试验，记录 下每一个采集点所接收到的信号场强值、信噪比值，每个采集点应 测试1分钟，取平均值，最终根据场强的分布初步确定相邻AP 的布置点位置；第二步，动车（列车在实际线路上运行）验证静态 试验数据。

无论是哪种方式，试验人员都是为了监测无线信号状态，监测 车载网络设备是否能够正常、正确地进行越区切换，监测无线链路 的可用性。捕获状态后对数据进行分析，根据结果调整无线网络参 数，再次进行试验，直至整个网络长期稳定的满足CBTC系统对无 线通信网络的要求。

由于轨道交通行业的特殊性、整体工程项目进度要求及计划， 想要使用现场实际环境进行CBTC无线信号试验工作，需要经过申 请、协调。并且最终申请下来的使用时间是分散的，需要和其他专 业穿插着使用。这对试验工作的计划、安排、效果都会有影响。由 于线路较长、又是在室外工作，因此需要投入大量人力物力。在静 态试验中由于要验证单个AP的场强覆盖，不存在相邻AP产生的无 线信号的干扰，因此无法检查同频信号对传输性能的影响。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种模拟 轨道交通线路上CBTC系统无线信号的仿真设备；本发明的另一目的 在于提供一种包括上述仿真设备的仿真系统；本发明的再一目的在于 提供一种上述仿真系统的仿真方法。

为实现上述目的，本发明的CBTC无线信号仿真设备，包括AP、 第一控制器和可编程无线信号衰减器，所述第一控制器和AP通过网 络连通，AP用于根据实际的CBTC无线信号数据仿真每个信号源的无 线信号；第一控制器用于将实际的CBTC无线信号数据中的业务数据 通过网络发送给AP，同时根据实际的CBTC无线信号数据中的信号参 数控制可编程无线信号衰减器对AP的仿真无线信号进行衰减；可编 程无线信号衰减器用于根据第一控制器的控制对AP发来的仿真无线 信号进行衰减。

进一步，所述实际的CBTC无线信号数据包括噪声信号、有用的 CBTC信号和同频干扰信号。

进一步，所述实际的CBTC无线信号数据中的有用的CBTC信号、 同频干扰信号包括以下参数：信号源的设备名称、信号所在信道；所 述实际的CBTC无线信号数据中的噪声信号、有用的CBTC信号和同 频干扰信号包括信号场强与位置的关系函数参数。

进一步，所述CBTC无线信号仿真设备包括多个AP，一个AP仿真 一个信号源的无线信号。

本发明的CBTC无线信号仿真系统，包括所述CBTC无线信号仿 真设备和CBTC无线信号采集设备，所述CBTC无线信号采集设备包 括无线网络设备和第二控制器，所述无线网络设备用于与实际轨道交 通线路上的AP建立网络连接、完成越区切换；所述第二控制器用于 通过无线网络设备采集实际轨道交通线路上各种典型线路真实无线 信号的综合分布情况，记录采集的CBTC无线信号数据；所述真实的 CBTC无线信号数据为第二控制器采集的CBTC无线信号数据。

进一步，所述实际轨道交通线路上各种典型线路包括隧道弯道、 隧道岔区和站台区域。

本发明的CBTC无线信号仿真方法，包括如下步骤：

1)采集实际轨道交通线路上无线信号典型参数；

2)将采集到的信号场强与位置的关系函数数据转换为可编程无

线信号衰减器使用的衰减值与时间的关系函数数据；

3)根据衰减值与时间的关系函数数据仿真CBTC无线信号环境。

进一步，步骤1）中采集实际轨道交通线路上无线信号典型参数 的方法具体为：在轨道交通线路中典型区段上模拟列车运行移动所述 CBTC无线信号采集设备，由第二控制器控制所述无线网络设备扫描 2.4GHz-2.4835GHz频段，采集该范围内所有信号，并记录采集到的信 号数据。

进一步，所述CBTC无线信号采集设备的采集周期控制在毫秒级。

进一步，步骤2）中将采集到的信号场强与位置的关系函数数据 转换为可编程无线信号衰减器使用的衰减值与时间的关系函数数据 的方法具体为：转化每个AP发射功率，根据转化的AP发射功率和采 集的无线信号计算每个无线信号衰减值。

进一步，步骤3）中仿真CBTC无线信号环境的方法具体为：由第 一控制器读取转换完成的无线信号采集数据，根据每个信号的信息及 场强与时间的关系函数，通过所述可编程无线信号衰减器对每个信号 添加上衰减值，并输出轨道交通线路上典型区段的仿真CBTC无线信 号环境。

本发明与现有技术相比具有如下优点:

1、极大地节约了人力成本。采集的过程需要采用原始的试验方 式，通过背景技术方案中说明的两个步骤分别采集CBTC无线信号样 本，待收集完采集数据后，就可以根据实现方案中的方法、步骤在试 验室内进行试验。也就是说从人力角度来讲，只有第一次采集时需要 使用与以前相同的人力，采集完成后的试验仅需1到2名试验人员即可 完成，而且一旦开始试验，甚至不用人为参与。这极大地节约了人力 成本。

2．大幅减少了对真实CBTC无线信号环境的占用时间。由于轨道 交通行业的特殊性、整体工程项目的进度要求，各个专业只能通过协 调时间，穿插使用实际线路环境。有了CBTC无线信号环境仿真系统， 只有在采集阶段需要占用实际环境，采集完成后就可以在试验室中进 行试验而减少了对实际环境的占用时间。

附图说明

图1为CBTC系统中列车与地面的通信方式示意图；

图2为本发明CBTC无线信号仿真系统中无线信号采集设备的结 构示意图；

图3为本发明CBTC无线信号仿真系统中无线信号仿真设备的结 构示意图；

图4为本发明CBTC无线信号仿真方法中采集实际轨道交通线路 上无线信号典型参数步骤的流程图；

图5为本发明CBTC无线信号仿真方法中将采集到的信号场强与 位置的关系函数数据转换为信号的衰减值与时间的关系函数数据步 骤的流程图；

图6为本发明CBTC无线信号仿真方法中根据信号的衰减值与时 间的关系函数数据仿真CBTC无线信号环境步骤的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不限制本发明的保护范围。

本发明的CBTC无线信号仿真系统，包括CBTC无线信号采集设 备和CBTC无线信号仿真设备，如图2所示，CBTC无线信号采集设备 包括无线网络设备11和第二控制器12，本实例中无线网络设备11为一 台配置成网桥模式的AP，第二控制器12为一台笔记本电脑。无线网 络设备11用于与实际轨道交通线路上的AP建立网络连接、完成越区 切换；第二控制器12用于通过无线网络设备11采集实际轨道交通线路 上各种典型线路真实无线信号的综合分布情况，记录采集的CBTC无 线信号数据。实际轨道交通线路上各种典型线路包括隧道弯道、隧道 岔区和站台区域。

如图3所示，CBTC无线信号仿真设备，包括AP 21、第一控制器 22、以太网交换机23和可编程无线信号衰减器24，本实例中包括多个 AP 21，配置成接入点模式，数量的多少可根据实际需要调整，最少 两个，多了不限；第一控制器22为一台笔记本电脑。第一控制器22 和AP 21通过以太网交换机23连通，AP用于根据CBTC无线信号采集 设备采集到的实际的CBTC无线信号数据仿真每个信号源的无线信 号；第一控制器22用于将实际的CBTC无线信号中的业务数据通过网 络发送给AP 21，同时根据实际的CBTC无线信号中的信号参数控制可 编程无线信号衰减器24对AP 21的仿真无线信号进行衰减；可编程无 线信号衰减器可根据一定的规则、程序（如转换后的“衰减值/时间” 函数）对无线信号进行衰减，使信号的场强降低，可编程无线信号衰 减器24用于根据第一控制器的控制对AP发来的仿真无线信号进行衰 减。每个AP 21的无线射频端口连接到可编程无线信号衰减器24的输 入端。

本发明的CBTC无线信号仿真方法，包括如下步骤：

1）采集真实环境下无线信号典型参数。

使用采集设备，参照图2中采集过程硬件连接图连接硬件设备。 在轨道交通线路中典型区段上（隧道弯道、隧道岔区、站台区域等） 模拟列车运行移动采集设备，由第二控制器12控制无线网络设备11 扫描2.4GHz-2.4835GHz频段，采集该范围内所有信号，包括信号源 的设备名称、信号所在信道、信号的场强与位置的关系函数。这样 就能有效的采集到该区段中，信号、噪声、同频干扰的情况。

由于实际的无线信号的场强-位置函数是模拟的连续的，而经过 采集处理后变成数字的非连续的，根据采样定理，考虑到对于无线 信号还原时失真度的要求及采集系统实际性能，采集周期应控制在 毫秒级。

采集完成后将采集数据存储文件，流程参见图4。

2）将采集到的信号场强与位置的关系函数数据转换为可编程无 线信号衰减器使用的衰减值与时间的关系函数数据。用来将采集的 数据转化为可编程无线信号衰减器可用的数据。具体方法为：1，转 化AP 21发射功率，例如AP 21的发射功率为30mW，根据公式其 dBm值为10*lg(30)dBm=14.77dBm；2，计算衰减值，例如采集到 的某个信号为：-64dBm/10240米，AP发射功率为14.77dBm，因此 衰减值为：14.77-(-64)dBm=78.77dBm，而列车速度为10米/秒，因 此转化完的数据为：78.77dBm/1024秒。流程参见图5。

3）仿真无线信号环境

使用仿真设备，参照图3中仿真过程硬件连接图连接硬件设备。

配置所有AP 21的配置信息，包括发射功率、信道等，使之与 实际环境相同，每一个AP用来仿真每一个采集到的信号源（包括 有用信号、噪声、同频干扰等）。使AP正常发送信号，并将每个AP 的无线射频端口连接到可编程无线信号衰减器的输入端。

由第一控制器22读取采集到的无线信号数据，根据每个信号的 信息及衰减值与时间关系函数，使用可编程无线信号衰减器对每个 信号按照衰减值与时间关系函数衰减，这样，在可编程无线信号衰 减器的输出端输出的即为仿真出的轨道交通线路上典型区段（隧道 弯道、隧道岔区、站台区域等）的CBTC无线信号环境。流程参见 图6。