论文部分内容阅读
[摘 要]CBTC技术在我国轨道交通体系中已经从理论探讨飞跃到实际的工程实施阶段，特别在最新的地铁传输系统中广为应用。本文旨在分析WLAN、漏泄同轴电缆、裂缝波导管以及TETRA四种无线组网技术，比较他们的优缺点，并对地铁无线通信系统的技术选择提出相关建议。
[关键词]CBTC系统；无线通信技术；WLAN；TETRA
中图分类号：U231.92 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）11-0369-01
地铁CBTC系统要求不依靠轨道电路向列控车载设备传递信息，利用通信技术实现“车地通信”并实时地传递“列车定位”信息。通过车载设备、轨旁通信设备实现列车与车站或控制中心之间的信息交换，完成速度控制。系统通过建立车地之间连续、双向、高速的通信，使列车命令和状态可以在车辆和地面之间进行实时可靠的交换，并确定列车的准确位置及列车间的相对距离，保证列车的安全间隔。因此，CBTC对无线传输的系统容量、稳定性、抗干扰能力以及高速移动下的切换等都有较高的要求，目前从宽带技术的角度出发，GSM-R、WLAN、漏泄同轴电缆、裂缝波导管、WiMax等技术都可以提供CBTC系统中相应的无线数据传输服务，但这些技术本身的技术标准、技术成熟度、系统应用经验和整个产业链的发展以及部署成本等决定了它们能否最终广范应用到地铁CBTC系统中。如下以WLAN、漏泄同轴电缆、裂缝波导管及TETRA四种技术为例进行分析。
一、基于无线电台的WLAN技术
采用无线电台实现WLAN技术，体积较小，安装比较灵活，受其他因素影响小，使用开放的IEEE802.11标准，广泛采用2.4G的ISM频段。可根据现场条件和无线场强覆盖需要进行设计和安装，且安装和维护容易，但无线电台在隧道内传输受弯道和坡道影响较大，同时隧道内的反射比较严重，需要考虑多径干扰等问题。无线电台的传输距离小，为了保证在一个无线接入点（ AP， Access Point） 故障时，通信不中断，提供通信的可靠性，以及考虑到高速下的无缝切换，往往需要在同一个地点设置双网覆盖，这要求进一步缩短AP布置间距。大量的高密度的AP点的部署，导致了列车在各个AP 之间的漫游和切换特别频繁，大大降低了无线传输的连续性和可靠性。 同时相应的电缆使用量很大。
二、裂缝波导管技术
裂缝波导管采用的是一种长方形铝合金材料，在其表面每隔一段距离（ 约6 cm） 刻有一条2mm宽3cm长裂缝，能够让无线电波从此裂缝中漏泄出来，因其波导管物理特性和衰减性能很好，传输距离较远，理论最大传输距离可达到1600 m， 且沿线无线场强覆盖均匀，呈现良好的方向性分布，抗干扰能力较强。其具有漏泄同轴电缆的优点，适合于狭长的地下隧道内使用，且传输距离要优于漏泄同轴电缆，减少列车在各个AP之间的漫游和切换，大大提高了无线传输的连续性和可靠性。
裂缝波导管的安装要求较高，安装位置受到现场制约，其与列车车载天线的安装位置要求对应，故其安装精度要求也比较高，裂缝波导管可以根据现场条件安装在隧道底部钢轨旁（适用于地下、地面、高架或混合线路均可），或隧道侧墙（仅适用于全地下线路），或隧道顶部（ 仅适用于全地下线路，且三轨供电）。另外，对于波导管内部和表面的维护量较大，要防止沙尘侵入和污物覆盖等。
三、漏泄同轴电缆技术
泄漏同轴电缆LCX（Leaky Coaxial Cable） 是在同轴电缆外导体上开有一定形状和间距的糟，使电磁场的能量集中在同轴电缆的内外导线之间，部分能量可以从同轴电缆中的槽孔泄漏到空间中，并和附近的移动电台天线耦合构成无线通道。同轴电缆外导体上开的槽可以有许多形状，各种形状在传输损耗和耦合损耗方面各不相同。使用泄漏同轴电缆的通信方式是比较简明的，两条LCX 交叉环线分别负责上行及下行的车辆通信，车上天线和LCX 之间的距离很近，LCX 还连接着基地台，通过泄漏同轴，各种安全调度信息和语音信息可以在地面和车辆之间双向传递。由于电磁波在同轴电缆交叉环线内传播，场分布稳定，辐射性能可以由槽的形状位置控制、传输速率高、节省频率资源、受环境影响很小，因而对地形的适应性强，在数字化、大容量的移动车辆通信方面有独特的优势。
泄漏同轴电缆上的开槽有着严格的尺寸要求，而且它的收发、中继设备比较复杂，用它来组成通信无线传输媒介采用的是基于2.4GHz的ISM频带漏泄同轴电缆，漏缆的传输特性和衰减性能较好，传输距离较远，最大传输距离达到600 m，且沿线无线场强覆盖均匀，呈现良好的方向性分布，抗干扰能力较强，适合于狭长的地下隧道内使用，减少列车在各个AP之间的漫游和切换，提高了无线传输的连续性和可靠性。另外，漏泄同轴电缆的安装要求不是很高，可以根据现场条件安装隧道侧墙（ 仅适用于全地下线路），或隧道顶部（仅适用于全地下线路，且三轨供电）。漏泄信道，初期投入很高，这是它的不足之处。同轴电缆对于地面和高架线路安装比较困难，且美观效果较差。因漏泄同轴电缆的安装位置较高，不会影响一般轨旁维护工作，其自身安装调试完成后维护工作量很小。并且漏缆分布系统对解决GSM-R 系统在隧道等弱场强区段的覆盖是一种非常重要的手段。
四、TETRA多基站小区制系统
TETRA无线系统多基站小区制覆盖方案在地铁系统中为主要采用方案，该方案通过在控制中心设置集群交换机和调度台，在地铁沿线各基站、车辆段设置集群基站，在车辆段设车辆段调度台。交换控制设备与基站之间通过有线传输通道连接，地鐵沿线架设中继器和漏泄同轴电缆实现车站站台及隧道内的场强覆盖；各地下站站厅用小天线覆盖。各基站均采用2载频基站共8个信道。此方案较复杂，但从系统容量、稳定性及高速移动切换性能等多方面表现优异。
参考文献
[1] 吴汶麒.城市轨道交通信号与通信系统[M].北京：中国铁道出版社， 2008.
[2] 林海香.基于通信的列车控制技术（CBTC） 的研究与应用[D].兰州：兰州交通大学，2007.
[关键词]CBTC系统；无线通信技术；WLAN；TETRA
中图分类号：U231.92 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）11-0369-01
地铁CBTC系统要求不依靠轨道电路向列控车载设备传递信息，利用通信技术实现“车地通信”并实时地传递“列车定位”信息。通过车载设备、轨旁通信设备实现列车与车站或控制中心之间的信息交换，完成速度控制。系统通过建立车地之间连续、双向、高速的通信，使列车命令和状态可以在车辆和地面之间进行实时可靠的交换，并确定列车的准确位置及列车间的相对距离，保证列车的安全间隔。因此，CBTC对无线传输的系统容量、稳定性、抗干扰能力以及高速移动下的切换等都有较高的要求，目前从宽带技术的角度出发，GSM-R、WLAN、漏泄同轴电缆、裂缝波导管、WiMax等技术都可以提供CBTC系统中相应的无线数据传输服务，但这些技术本身的技术标准、技术成熟度、系统应用经验和整个产业链的发展以及部署成本等决定了它们能否最终广范应用到地铁CBTC系统中。如下以WLAN、漏泄同轴电缆、裂缝波导管及TETRA四种技术为例进行分析。
一、基于无线电台的WLAN技术
采用无线电台实现WLAN技术，体积较小，安装比较灵活，受其他因素影响小，使用开放的IEEE802.11标准，广泛采用2.4G的ISM频段。可根据现场条件和无线场强覆盖需要进行设计和安装，且安装和维护容易，但无线电台在隧道内传输受弯道和坡道影响较大，同时隧道内的反射比较严重，需要考虑多径干扰等问题。无线电台的传输距离小，为了保证在一个无线接入点（ AP， Access Point） 故障时，通信不中断，提供通信的可靠性，以及考虑到高速下的无缝切换，往往需要在同一个地点设置双网覆盖，这要求进一步缩短AP布置间距。大量的高密度的AP点的部署，导致了列车在各个AP 之间的漫游和切换特别频繁，大大降低了无线传输的连续性和可靠性。 同时相应的电缆使用量很大。
二、裂缝波导管技术
裂缝波导管采用的是一种长方形铝合金材料，在其表面每隔一段距离（ 约6 cm） 刻有一条2mm宽3cm长裂缝，能够让无线电波从此裂缝中漏泄出来，因其波导管物理特性和衰减性能很好，传输距离较远，理论最大传输距离可达到1600 m， 且沿线无线场强覆盖均匀，呈现良好的方向性分布，抗干扰能力较强。其具有漏泄同轴电缆的优点，适合于狭长的地下隧道内使用，且传输距离要优于漏泄同轴电缆，减少列车在各个AP之间的漫游和切换，大大提高了无线传输的连续性和可靠性。
裂缝波导管的安装要求较高，安装位置受到现场制约，其与列车车载天线的安装位置要求对应，故其安装精度要求也比较高，裂缝波导管可以根据现场条件安装在隧道底部钢轨旁（适用于地下、地面、高架或混合线路均可），或隧道侧墙（仅适用于全地下线路），或隧道顶部（ 仅适用于全地下线路，且三轨供电）。另外，对于波导管内部和表面的维护量较大，要防止沙尘侵入和污物覆盖等。
三、漏泄同轴电缆技术
泄漏同轴电缆LCX（Leaky Coaxial Cable） 是在同轴电缆外导体上开有一定形状和间距的糟，使电磁场的能量集中在同轴电缆的内外导线之间，部分能量可以从同轴电缆中的槽孔泄漏到空间中，并和附近的移动电台天线耦合构成无线通道。同轴电缆外导体上开的槽可以有许多形状，各种形状在传输损耗和耦合损耗方面各不相同。使用泄漏同轴电缆的通信方式是比较简明的，两条LCX 交叉环线分别负责上行及下行的车辆通信，车上天线和LCX 之间的距离很近，LCX 还连接着基地台，通过泄漏同轴，各种安全调度信息和语音信息可以在地面和车辆之间双向传递。由于电磁波在同轴电缆交叉环线内传播，场分布稳定，辐射性能可以由槽的形状位置控制、传输速率高、节省频率资源、受环境影响很小，因而对地形的适应性强，在数字化、大容量的移动车辆通信方面有独特的优势。
泄漏同轴电缆上的开槽有着严格的尺寸要求，而且它的收发、中继设备比较复杂，用它来组成通信无线传输媒介采用的是基于2.4GHz的ISM频带漏泄同轴电缆，漏缆的传输特性和衰减性能较好，传输距离较远，最大传输距离达到600 m，且沿线无线场强覆盖均匀，呈现良好的方向性分布，抗干扰能力较强，适合于狭长的地下隧道内使用，减少列车在各个AP之间的漫游和切换，提高了无线传输的连续性和可靠性。另外，漏泄同轴电缆的安装要求不是很高，可以根据现场条件安装隧道侧墙（ 仅适用于全地下线路），或隧道顶部（仅适用于全地下线路，且三轨供电）。漏泄信道，初期投入很高，这是它的不足之处。同轴电缆对于地面和高架线路安装比较困难，且美观效果较差。因漏泄同轴电缆的安装位置较高，不会影响一般轨旁维护工作，其自身安装调试完成后维护工作量很小。并且漏缆分布系统对解决GSM-R 系统在隧道等弱场强区段的覆盖是一种非常重要的手段。
四、TETRA多基站小区制系统
TETRA无线系统多基站小区制覆盖方案在地铁系统中为主要采用方案，该方案通过在控制中心设置集群交换机和调度台，在地铁沿线各基站、车辆段设置集群基站，在车辆段设车辆段调度台。交换控制设备与基站之间通过有线传输通道连接，地鐵沿线架设中继器和漏泄同轴电缆实现车站站台及隧道内的场强覆盖；各地下站站厅用小天线覆盖。各基站均采用2载频基站共8个信道。此方案较复杂，但从系统容量、稳定性及高速移动切换性能等多方面表现优异。
参考文献
[1] 吴汶麒.城市轨道交通信号与通信系统[M].北京：中国铁道出版社， 2008.
[2] 林海香.基于通信的列车控制技术（CBTC） 的研究与应用[D].兰州：兰州交通大学，2007.