第四節　地車信息傳輸技術

CBTC系統充分利用通信傳輸手段，實現控制中心設備、車站設備、軌旁設備和車載設備之間的連接和雙向、大容量信息傳輸，支持對一列車、一組列車或者所有列車有選擇地進行通信，使得地面設備可以及時地向車載控制設備傳遞車輛運行前方線路限速情況，后續列車可以及時了解前方列車運行情況，通過實時計算給出最佳制動曲線，從而提高區間通行能力，減少頻繁減速制動，改善旅客乘車舒適度，大大提高列車運行安全性。

由于列車的移動性，不可能使用固定連接的有線網絡實現地車信息傳輸，因此只能尋找合適的無線通信手段。

最早的無線通信出現在前工業化時期，這些系統使用狼煙、火炬、閃光鏡、信號彈或者旗語，在視距內傳輸信息。為了能傳輸更復雜的消息，人們又精心設計出了用這些原始信號組成的復雜信號。為了能傳得更遠，人們在山頂道路旁建立了一些接力觀測站。直到1838年，這些原始的通信網才被莫爾斯發明的電報網替代，接著又被電話取代。在電話發明幾十年后的1895年，馬可尼首次從英國懷特島到30km之外的一條拖船之間成功進行了無線傳輸，現代意義下的無線通信從此誕生。從這一天開始，無線通信技術迅速發展，能夠在更遠的傳輸距離上實現更好的通信質量、更低的功耗、更小的體積和更便宜的價格，使公網和專網的無線通信、無線電視、無線網絡等成為現實。

無線信道的傳輸特性決定了無線網絡設計與有線網絡設計的截然不同。隨機的無線信道不是理想的傳輸媒介。

首先，無線頻譜是稀缺資源，必須分配給不同的系統和業務使用，因此無線電頻譜必須由區域性和全球性的管理機構控制，工作于給定頻段的區域性全球性無線通信系統必須遵守相應管理機構對這一頻段做出的種種規定。

其次，無線信道隨機多變。當信號通過電磁波在無線信道中傳播時，墻壁、地面、建筑物和其他物體會對電磁波形成反射、散射和繞射，從而導致信號通過多條路徑到達接收機，造成多徑效應，多徑效應會導致信號的衰落。如果發射機、接收機或周圍的物體在運動，多徑反射和衰減的變化將使接收信號經歷隨機波動。而在有線通信中信號傳輸過程中僅有衰減和噪聲的干擾，接收端的信號相對穩定沒有多徑效應和隨機波動。無線信道的多徑效應和事變特性限制了無線信道的頻帶利用率。

再次，由于無線電波能夠全向傳輸的特性，導致一定區域范圍內的無線信號可以相互干擾，為了克服干擾，必須把共享信道分成若干互不干擾的子信道，再分別分給各個用戶，這大大限制了無線通信系統的容量；另外，無線電波能夠全向傳輸的特性也使得無線通信的安全難以保證，任何人通過一部射頻天線就可以輕松地截獲電波。

而且，除了上述特性，無線通信對設備的要求也比有線通信高。除要求操作簡單和維修方便外，還應保證在震動、沖擊、高低溫變化等惡劣環境中正常工作。

從上面的論述可以看出，在數據傳輸速率和可靠性方面，無線網絡永遠無法與有線網絡相媲美。但是無線網絡的不受連線束縛的方便特性，以及其組網迅速靈活，能應對臨時突發需要的優點，促使了無線通信技術在近年來飛速發展，雖然其與有線網絡有不可跨越的距離，但在巨大需求的趨勢下，無線通信一直朝著速率更高，覆蓋范圍更加全面，服務更加便捷的方向快速發展。

數據通信系統（DCS）是地車信息傳輸技術的載體，由兩個部分構成：冗余骨干環網（有線部分）和無線傳輸網絡（無線部分）。無線傳輸網絡采用由軌旁無線基站和車載無線設備組成，圖3-37、圖3-38所示為無線傳輸網絡的結構及鏈路。

在軌旁的每一個點放置兩臺無線接入點（Access Point，簡稱AP），這兩臺AP分別與兩個冗余的骨干網連接。這兩臺AP同時工作，傳輸相同的信息。在列車的車頭、車尾分別安裝一套車載的無線AP，分屬于兩個不同的網絡，分別與軌旁的兩個冗余AP相關聯。這樣做的目的是：列車的車頭、車尾AP分別與兩個骨干網連接，實現雙網冗余。當一個網絡因為故障不能正常工作時，系統仍能通過另一個網絡收發數據。通常情況下，車頭、車尾的AP不會同時切換，這樣越區切換對系統的數據傳輸幾乎沒有影響。

CBTC系統對車地通信技術傳輸通道的要求，分為地→車信息傳輸（下行無線鏈路）和車→地信息傳輸（上行無線鏈路）。其中，車對地（上行無線鏈路）的傳輸信息包括列車位置、列車實際速度、列車運行方向等信息，將所有數據進行編碼組成的完整數據幀，單列車數據幀長大約400字節，通信周期為200～500ms。地對車（下行無線鏈路）的傳輸信息包括列車移動授權、臨時限速等信息，將所有數據進行編碼組成的完整數據幀，單列車數據幀長大約200字節，通信周期為200～500ms。

CBTC系統采用成熟的數據傳輸系統作為其信息傳輸通道，安全性（safety）由車載和地面設備共同保證。車地無線通信在物理和通信協議上保持相對的獨立性和透明性（如采用標準的TCP/IP或UDP協議），DCS僅對傳輸的CBTC信息進行轉發。但由于CBTC系統的安全苛求性和實時性等特點，對地車信息傳輸技術仍提出了不同于一般數據傳輸網絡的要求，包括：

（1）傳輸時延：車地通信系統的信息傳輸端到端延遲時間不大于150ms。

（2）越區切換：CBTC系統單端車地無線通信漫游切換時間小于100ms，車頭車尾配合實現切換無中斷。

（3）丟包率：CBTC系統車地無線通信的丟包率應低于1％。

（4）可靠性：DCS的平均無故障間隔時間（MTBF）≥5×104h，且應采用雙網冗余結構，以確保單個設備故障不會導致系統通信中斷。

（5）安全性：系統車地無線通信系統應制定安全策略，保證網絡的安全性，網絡應具有多種方式和層次的訪問控制安全機制。如對無線接入設備實施身份驗證和授權，無線設備對傳輸的信息具有至少128位的數據加密，且密鑰是動態變化的。

為實現上述目標，目前CBTC系統中采用的無線通信技術主要包括WLAN、LTE等。

一、WLAN技術

WLAN是一種短距離無線通信技術，它是以無線訪問接入點（AP）信號為傳輸媒介構成的計算機局域網絡，通過無線射頻等技術，在空中傳輸數據、話音和視頻信號。

為了讓WLAN技術能夠被廣為接受和使用，IEEE（Instituteof Electrical and Electronics Engineers，電氣電子工程師學會）802標準化委員會成立了IEEE 802.11無線局域網標準工作組，主要研究對象為工作在2.4GHz開放頻段的無線設備和網絡發展的全球標準。IEEE 802.11標準定義了單一的MAC層和多樣的物理層，其物理層標準主要有IEEE 802.11b、802.11a和802.11g，以及下一代高速無線局域網通信標準IEEE 802.11n。其中，IEEE 802.11g在保持802.11a的傳輸速率的同時，又運行在802.11b的工作頻段2.4GHz下，所以，802.11g協議可以做到在向下兼容802.11b的同時，提供更高速率的傳輸。而在安全性方面，802.11g要比802.11b更可靠。無線網絡的無形性使得802.11g得到更廣泛的應用。IEEE 802.11g結合了802.11a和802.11b的優點，目前的CBTC系統中主要采用了IEEE 802.11g標準，該標準的主要參數見表3-3。

CBTC系統中地車間的數據通信子系統是地面和車載設備之間通信的橋梁，通過它可建立列車車輛與地面設備之間的連續、雙向、高速、可靠的數據通信，從而使得車輛控制信令以及車輛狀態信息都可在車輛和地面設備間進行交互，這樣系統主體（即地面設備）與受控對象（即列車）可緊密地連接起來。

如圖3-39所示，采用WLAN技術的車地無線通信系統通常選擇的無線傳輸媒介為自由波、裂縫波導管、漏泄電纜等三種方式。在地鐵實際運行中，存在不同的運營環境（隧道、高架及車輛段），因此在不同的環境下根據需要選擇其中的一種或多種傳輸媒介組合等方式進行無線組網。在使用多種傳輸媒介組合方式時，在軌旁無線設備和車載無線設備兩端增加射頻模塊。通過射頻模塊對電磁波信號進行合路、功分和檢波等。一般射頻模塊應采用無源器件，可以減少人為噪聲對車地通信系統的影響。

1.自由波

自由波（freewave）是指在所有自由空間（包括空氣和真空）中傳播的電磁波的方式，其采用基于IEEE 802.11系列標準的WLAN無線網絡作為信息傳輸的媒介，該方式為常見的電磁波傳輸方式，也是當前CBTC系統中使用最多的無線傳輸方式。

在這種方式下，在軌旁安裝無線天線（一般為八木天線或者平板天線），AP（無線接入點）通過饋線與天線連接，用天線發送和接收無線信號。線路上的無線覆蓋率通過在軌道沿線安裝無線接入點得以實現。自由波傳輸方式屬于可視距離傳輸模式，因此電磁波的接收機和發射機之間要求無遮擋物，否則將會增大傳輸損耗、多徑干擾，影響整個系統的傳輸性能。

在CBTC系統中實際采用的都是雙網結構，如圖3-40所示。在一個地點放置兩臺AP，每臺AP用兩副天線沿著軌旁兩個方向進行無線覆蓋。因為軌道交通線性覆蓋的特點，一般采用定向天線。為了防止雷擊，天線和AP之間還要加避雷器。

軌旁AP的布置位置需保證車地之間的穩定通信，是決定信號傳輸距離、信號強度指標的重要因素。因此，在設計布置方案時，需綜合考慮地形、線形、周圍的環境或所設置AP的維護性等各種條件，必要時使用計算機進行模擬，對信號傳輸進行分析，以保證AP被布置于最適宜的位置。

綜上所述，對AP進行布置設計時，主要需注意兩點：無線信道設計、設置地點。一般來說，接入點間的典型距離應為200～400m。

2.裂縫波導管

波導管是一種空芯的、內壁十分光潔的金屬導管或內敷金屬的管子，波導管用來傳送超高頻電磁波，常見橫截面形狀有矩形和圓形，通過它的脈沖信號可以以極小的損耗被傳送到目的地。波導管內徑的大小因所傳輸信號的波長而異。波導管在電路中呈現高通濾波器的特性：允許截止頻率以上的信號通過，而截止頻率以下的信號則被阻止或衰減。裂縫波導管是在波導管的縱向方向上開有周期性的槽孔，使得電磁波在波導管中縱向傳輸的同時通過槽孔向外界輻射電磁波。

在波導管中能夠傳播的電磁波可以歸納成兩大類。其一為橫電波（或磁波）——簡寫為TE波（或H波），磁場可以有縱向和橫向的分量，但電場只有橫向分量；其二為橫磁波（或電波），簡稱為TM波（或E波）。它的電場可以有縱向和橫向的分量，但磁場只有橫向分量。至于電場和磁場的縱向分量都不為零的電磁波則可以看成由橫電波、橫磁波迭加而成。

在CBTC中所采用的波導管不同于普通意義上的波導管。CBTC中所采用的波導管是裂縫波導管，需要在波導管表面以一定的形狀和間距開孔。孔的形狀、尺寸和孔的間距都將對傳輸損耗和耦合損耗產生影響。裂縫波導的結構如圖3-41所示，最內層是開槽的波導管，然后加裝一層防水，最外層是防護罩。

裂縫波導管模式因其傳輸頻帶寬、傳輸損耗小、可靠性高、抗干擾能力強得到較廣泛應用。

3.漏泄電纜

漏泄電纜是漏泄同軸電纜的簡稱（Leaky Coaxial Cable），通常又簡稱為泄漏電纜或漏纜，與普通同軸電纜的區別在于：其外導體上開有用作輻射的周期性槽孔。普通同軸電纜的功能是將射頻能量從電纜的一端傳輸到電纜的另一端，并且希望有最大的橫向屏蔽使信號能量不能穿透電纜，以避免傳輸過程中的損耗。但是漏泄電纜的設計目的則是特意減小橫向屏蔽，使得電磁波在漏纜中縱向傳輸的同時通過同軸電纜外導體上所開的槽孔向外界輻射電磁波，同時外界的電磁場也可通過槽孔感應到漏纜內部并傳送到接收端。

漏泄電纜的結構如圖3-42所示，主要組成有：

（1）內導體：銅是內導體的主要材料，小電纜內導體是銅線或銅包鋁線，而大電纜用銅管，以減少電纜重量和成本。對大電纜外導體進行軋紋，這樣可獲得足夠好的彎曲性能。內導體對信號傳輸影響很大，因為衰減主要是內導體電阻損耗引起的。其電導率，尤其是表面電導率，應盡可能高。

（2）外導體：外導體通常由銅帶縱向包覆而成。在外導體層上，開有縱向或橫向的槽口或小孔。外導體有兩個基本的作用：第一是回路導體的作用，第二是屏蔽作用。漏泄電纜的外導體還決定了其漏泄性能。

（3）絕緣介質：射頻同軸電纜介質遠不只是起絕緣作用，最終的傳輸性能主要是在絕緣之后才確定的，因此介質材料的選擇和其結構非常重要。所有重要的性能，如衰減、阻抗和回波損耗，都與絕緣關系很大。

（4）護套：戶外電纜最常用的護套材料是黑色線性低密度聚乙烯。當強調電纜的防火安全性時，應使用低煙無鹵阻燃材料。

無線電通信信號的質量通常因為電纜外界電波電平波動情況不同而相差很大，電纜敷設方式和敷設環境對電纜輻射效果也有影響。大部分隧道內還有各種各樣金屬導體，比如沿兩側墻面安裝的電力電纜、鐵軌、水管等，這些導體將徹底改變電磁場的特性。

漏纜電性能的主要指標有縱向衰減常數和耦合損耗。

（1）縱向衰減常數是考核電磁波在電纜內部所傳輸能量損失的最重要特性。普通同軸電纜內部的信號在一定頻率下，隨傳輸距離而變弱。衰減性能主要取決于絕緣層的類型及電纜的大小。而對于漏纜來說，周邊環境也會影響衰減性能，因為電纜內部少部分能量在外導體附近的外界環境中傳播，因此衰減性能也受制于外導體槽孔的排列方式。

（2）耦合損耗描述的是電纜外部因耦合產生且被外界天線接收能量大小的指標，它定義為：特定距離下，被外界天線接收的能量與電纜中傳輸的能量之比。由于影響是相互的，也可用類似的方法分析信號從外界天線向電纜的傳輸。耦合損耗受電纜槽孔形式及外界環境對信號的干擾或反射影響。寬頻范圍內，輻射越強意味著耦合損耗越低。

上述三種無線傳輸媒介優缺點對比見表3-4。

續上表

二、LTE技術

長期演進技術（Long Term Evolution，簡稱LTE）是基于正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，簡稱OFDMA）技術、由第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，簡稱3GPP）組織制定的全球通用標準，也是中國擁有核心自主知識產權的準4G國際通信標準技術，是一種專門為移動高寬帶應用而設計的無線通信標準，包括FDD和TDD兩種模式，用于成對頻譜和非成對頻譜。作為一種先進的無線通信技術，分時長期演進（Time Division Long Term Evolution，簡稱TD-LTE）是由3GPP組織涵蓋的全球各大企業及運營商共同制定的。TD-LTE技術在設計時就考慮了滿足高吞吐率的需求，在20MHz帶寬組網情況下，峰值速率下行可達100Mbit/s，上行可達50Mbit/s。同時要求采用扁平化架構，降低控制和用戶平面時延。TD-LTE采用了OFDM、MIMO、HARQ等先進技術有效提高數據速率、頻譜效率和抗干擾性，提供綜合業務承載的優先級調度和高速移動性支持，并通過抗干擾技術和安全機制保證無線數據業務的安全可靠傳輸。

TD-LTE傳輸技術相比于WLAN無線傳輸技術有著完善的QoS傳輸管理策略設計，同時在數據鏈路層也采用了區別于WLAN自由競爭的接入策略，專門設計了控制平面和信令來處理多用戶接入中出現的各種問題，因此數據傳輸穩定性較WLAN技術有較大的提升。可以實現CBTC信息、列車狀態監測信息、視頻監控（CCTV）、PIS（含緊急文本）等信息及時、準確地傳輸，為城市軌道交通系統的安全、高效運營提供有力支撐。

TD-LTE技術能更好地匹配軌道交通車地生產業務數據的傳輸，其優點如下：

（1）傳輸時延小，LTE技術采用扁平化網絡結構，降低傳輸時延，理論端到端時延小于100ms，滿足數據傳輸實時性要求。

（2）頻譜利用率高，15MHz頻寬下可提供上行10Mbit/s，下行10Mbit/s的吞吐量。

（3）移動性支持好，采用自動頻率校正技術確保高速移動場景下的無線鏈路質量，能滿足列車運行速度350km/h以下的移動性要求。

（4）多業務并發，采用空口調度算法和QoS配置等多種方法保證業務質量，可滿足軌道交通多種業務并發需求，滿足不同業務的傳輸質量要求。

（5）抗干擾能力強，LTE采用小區干擾協調技術進行小區間的干擾協調和IRC干擾抑制合并技術，提供系統的抗干擾能力。LTE車地綜合承載示意如圖3-43所示。

針對TD-LTE在城市軌道交通中的運用，國內外也已經做了大量工作，華為公司提出一種鏈式的鄰近小區優先級算法，這種算法充分考慮鐵路系統中線性覆蓋的特點，很好地解決乒乓切換的問題。北京交通大學吳昊等人，研究一種移動中繼站點協助的切換算法，提出將雙天線方法運用于基于LTE的鐵路車地通信系統中。北京郵電大學的博士論文研究軌道交通LTE系統中一種預加載目標小區的切換算法來減少切換延遲。

截至2014年2月，TD-LTE在全球已簽署75個商用合同，其中29個網絡已正式商用發布，另有40多家運營商正在建設和部署之中，TD-LTE全球累計用戶數接近一千萬。中國移動TD-LTE網絡也已在2013年底正式商用。從當前TD-LTE網絡商用情況來看，TD-LTE網絡的產業現狀已經成熟，網絡覆蓋、連續覆蓋與切換等性能指標都已達到預期要求。