地鐵CBTC無線通信傳輸方式的工程應(yīng)用

楊安玉

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063）

目前，在各城市地鐵工程中都廣泛采用了基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)。作為CBTC系統(tǒng)的子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中車-地通信無線傳輸方式（簡稱傳輸方式）多種多樣。如何根據(jù)工程情況合理采用車-地?zé)o線傳輸方式顯得尤為重要。

1 傳輸方式

CBTC系統(tǒng)的核心是列車定位，為了精確的列車定位，車-地需要雙向的信息傳輸通道。在地鐵工程中實現(xiàn)車-地?zé)o線信息實時傳輸方式主要有3種：交叉感應(yīng)環(huán)線方式（IL）、無線擴頻通信方式（RF）、衛(wèi)星GPS傳輸方式。其中無線擴頻通信傳輸方式大部分工作在2.4 G開放頻段。無線擴頻傳輸方式根據(jù)采用傳輸介質(zhì)不同可以分為：裂縫波導(dǎo)管（簡稱波導(dǎo)管）、無線自由波、漏泄同軸電纜（簡稱漏纜）等傳輸方式。

衛(wèi)星GPS傳輸方式由于在地下站無法實現(xiàn)，傳輸實時性較差，并且在能否利用GPS這個公共平臺安全傳輸列控數(shù)據(jù)及運營付費問題等方面存在一些爭議，因而在工程中應(yīng)用很少。

漏纜傳輸方式具有適應(yīng)性強，安裝、維護方便等優(yōu)點，特別適宜因土建條件限制較多的工程及改造工程。但漏纜傳輸方式現(xiàn)在國內(nèi)尚無應(yīng)用實例，鐵道部科學(xué)研究院正依托廣州地鐵改造做工程試驗，尚沒有開通先例。

目前，國內(nèi)應(yīng)用最普遍的3種傳輸方式是交叉感應(yīng)環(huán)線、波導(dǎo)管和無線自由波。很多供貨商均有對應(yīng)此類傳輸方式的成熟解決方案和成功案例。主要CBTC系統(tǒng)供貨商的傳輸方式如表1所示。

表1 主要CBTC系統(tǒng)供貨商的傳輸方式

2 傳輸方式工程應(yīng)用分析

下面分別從工程實施、抗干擾能力、無線帶寬及覆蓋范圍、運營維護等方面分析這3種傳播方式的特點及在工程應(yīng)用中的對比。

2.1 工程實施

交叉感應(yīng)環(huán)線電纜由銅絞線、外面的絕緣和非屏蔽保護外層組成。環(huán)線敷設(shè)在2根鋼軌之間的軌道板上，大約每隔25 m交叉一次，交叉距離范圍可在23.5～26.5 m之間微調(diào)。交叉感應(yīng)環(huán)線的安裝示意如圖1所示。

交叉感應(yīng)環(huán)線的安裝對工藝要求較為簡單，敷設(shè)方法靈活，可根據(jù)道床、接觸軌、道岔、列車情況確定安裝方式，可采用對稱或非對稱形式敷設(shè)。需要沿地鐵線路架空鋪設(shè)，電纜、支架施工量大。由于在線路中間對軌道的維護作業(yè)有一定影響，安裝過程中需要與軌道專業(yè)協(xié)調(diào)，現(xiàn)場配合工作量大。

交叉感應(yīng)環(huán)線除了具有波導(dǎo)管、無線自由波的傳輸定位信息功能外，還具有通過交叉點實現(xiàn)定位信息校正的功能。如果使用交叉感應(yīng)環(huán)線的傳輸方式，可以節(jié)省無源信標(biāo)的安裝和調(diào)試工程，系統(tǒng)的整體安裝工程量大大簡化。

波導(dǎo)管為中空鋁質(zhì)矩形管，頂部朝向車輛天線位置，等間隔開有2 cm寬、3 cm長的窄縫，可使無線信號沿著波導(dǎo)管的裂縫向外均勻輻射。波導(dǎo)管管體的長度總共有4種，分別為11.584、6.033、3.046和1.031 m，隨外界溫度的變化可以有±10 mm的形變。波導(dǎo)管的安裝示意如圖2所示。

波導(dǎo)管由于本身材質(zhì)的影響，對外界環(huán)境的依賴性很大，最大問題就是熱脹冷縮。所以在波導(dǎo)管的安裝過程中，不能把波導(dǎo)管固定牢靠；否則，熱脹冷縮的作用極易損壞波導(dǎo)管。國內(nèi)一般的做法是采取滑動支架方式，讓波導(dǎo)管在調(diào)試和熱脹冷縮的過程中在一定范圍內(nèi)滑動。

波導(dǎo)管一般安裝在道床鋼軌內(nèi)、外側(cè)或隧道頂，需要考慮信標(biāo)、計軸、護輪軌、浮置板、轉(zhuǎn)轍機和接觸軌等設(shè)備的限界要求，土建施工配合工作量大。波導(dǎo)管的安裝對精度要求很高，在施工過程中，要求波導(dǎo)管與列車的天線距離不能偏差太大，一般在30～40 cm之間。在工程實施過程中，需使用精密安裝儀器，如激光測距儀、激光角度尺進行現(xiàn)場校正。

無線自由波的AP箱和天線一般安裝在軌旁隧道側(cè)壁或高架側(cè)面立柱。安裝簡單，精度要求低，相對獨立。對土建限界依賴性較小，對軌道及附近設(shè)備影響小，有利于今后的升級改造。最大的工程在后期系統(tǒng)調(diào)試階段，為保證有效的輻射范圍、更大的傳輸帶寬、較低的誤碼率，需要對定向天線的發(fā)射角和位置等進行調(diào)整。

2.2 抗干擾能力

交叉感應(yīng)環(huán)線傳輸方式，電纜環(huán)線鋪設(shè)于線路中間，車載機車信號天線設(shè)在機車底部，兩者距離相對而言較近，進行數(shù)據(jù)傳輸時受外界干擾較小。并且采用自身系統(tǒng)獨有的通信載頻進行信息傳輸，可以避免其他無線通信對系統(tǒng)的干擾。

目前國內(nèi)地鐵工程中，波導(dǎo)管、無線自由波一般采用的都是開放的2.4 G無線頻段。由于2.4 G無線頻段為開放頻段，地鐵環(huán)境空間中存在的其他2.4 G無線網(wǎng)絡(luò)，會對CBTC無線傳輸系統(tǒng)造成同頻干擾。如各種民用無線通信系統(tǒng)、商用無線系統(tǒng)、調(diào)度無線系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)，系統(tǒng)外部的Wi-Fi、藍牙及換乘站的鄰線無線通信的同頻干擾等。

波導(dǎo)管本質(zhì)上是一種連續(xù)性的加長型天線，車載使用對向波導(dǎo)管的定向天線。車-地通信只局限在一個很小的范圍內(nèi)，車地天線的間距一般在30～40 cm內(nèi)，最大不超過50 cm，通信距離近，受外界干擾可能性也較小。波導(dǎo)管只能在小范圍（60°孔徑內(nèi)）空間實現(xiàn)通信，對來自天線背面所有方向允許衰減范圍內(nèi)的輸入信號都認(rèn)為是干擾，對水平方向或超過60 cm圓柱體的信號衰減很快。

波導(dǎo)管雖然采用2.4 G無線頻段，由于具有上述無線傳輸特性，所以抗干擾性能力很強。

在無線自由波傳輸方式中，現(xiàn)在各個供貨商抗干擾的做法大體相似，通過使用高增益的定向天線作為信號發(fā)射源、使用不同于其他干擾源的無線擴頻技術(shù)（如OFDM擴頻）、使用各種認(rèn)證模式等。通過這些措施，在一定程度上大大提高了系統(tǒng)抗干擾性。而由于無線自由波的定向天線不像波導(dǎo)管那樣是加長型的天線，數(shù)據(jù)傳輸距離遠，又加之有上述同頻的無線信號的存在，抗干擾能力不是很理想。

2.3 無線帶寬及覆蓋范圍

無線信號的帶寬越大，傳輸?shù)男畔⒃蕉?；覆蓋范圍越遠，列車在不同接入點間的漫游切換越少，系統(tǒng)越穩(wěn)定。

交叉感應(yīng)環(huán)線車至地通信600 bit/s（56 kHz），地至車通信1 200 bit/s（36 kHz），傳輸速率低，采用對稱式的感應(yīng)環(huán)線安裝方式，每組感應(yīng)環(huán)線覆蓋距離可達1 000 m以上，覆蓋距離遠。

波導(dǎo)管和無線自由波一般工作在ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療）頻段（2.4～2.483 5 GHz）。波導(dǎo)管的無線帶寬可達11～54 Mbit/s。除了可以傳輸車-地控制信息外，還可以傳輸報警信息及視頻信號等，無線帶寬大且場強覆蓋均勻。一個無線接入點可以覆蓋左右兩側(cè)最大800 m范圍（最大到1 600 m范圍），而且在高架站可以覆蓋上下行2個線路。在工程實施中，為保證信號強度和可靠性，一般不超過500 m。

無線自由波的無線帶寬可達1 Mbit/s以上，采用IEEE 802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)的可達11、54 Mbit/s。無線自由波由于抗干擾的措施，且在空氣中傳播，衰耗大，一般只能沿1個方向輻射。根據(jù)不同廠家的發(fā)射功率，理論覆蓋范圍可達600～800 m，在工程應(yīng)用中，不同接入點無線信號相互重疊覆蓋，一個接入點一般覆蓋300～400 m。

從無線帶寬上比較，波導(dǎo)管和無線自由波在傳輸帶寬上具有優(yōu)勢，波導(dǎo)管在覆蓋范圍上更具優(yōu)勢，特別是在上下行并行的高架站，則優(yōu)勢更為明顯。

2.4 運營維護

交叉感應(yīng)環(huán)線每隔一段時間要對室內(nèi)環(huán)線饋電設(shè)備進行調(diào)整，保證數(shù)據(jù)通信傳輸質(zhì)量，同時要隔段時間對環(huán)線電纜、磨損、變形損壞等情況進行例行檢查，若環(huán)線電纜下垂超過75 mm，則必須進行拉直校正。否則，會影響車載天線的敏感度。軌道換軌等維護需要信號專業(yè)配合，對環(huán)線交叉點重新定位，且對定位坐標(biāo)精確要求較高。

波導(dǎo)管由于采用固定支架加滑動支架安裝方式，所以需要很多螺絲固定。由于列車的震動，這些螺絲很容易松動，檢修時需對每個螺絲檢查、固定，以保證波導(dǎo)管安裝的穩(wěn)定。這導(dǎo)致運營維護工作量巨大，幾乎每隔一段時間，就要對現(xiàn)場的螺絲逐一檢查。

無線自由波的軌旁設(shè)備簡單，運營維護比較簡單，主要是保證設(shè)備的正常工作和無線覆蓋范圍。

3 結(jié)束語

在工程應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合這幾種車-地?zé)o線通信傳播方式的特點和工程實際情況靈活應(yīng)用，確定合理的傳播方式。

如果系統(tǒng)受外界無線通信干擾比較大，抗干擾措施不容易實施時，可以選擇交叉感應(yīng)環(huán)線、波導(dǎo)管的傳播方式；如果系統(tǒng)為既有系統(tǒng)改造升級，土建工程難以滿足信號系統(tǒng)安裝要求時，可以選用交叉感應(yīng)環(huán)線、無線自由波傳播方式。如果從運營維護方便考慮，可以選擇無線自由波的傳輸方式。

還可以根據(jù)現(xiàn)場情況，在一個工程中選擇多種傳播方式并用的方法。比如北京亦莊線就根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在高架站采用波導(dǎo)管傳輸方式，在地下站采用無線自由波傳輸方式。

[1] IEEE．IEEE Std 1474.1-2004 IEEE standard for Communications-Based Train Control(CBTC) performance and functional requirements[s].,2005.

[2] 李晉，付嵩.CBTC無線傳輸方式性能分析及現(xiàn)場測試[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2011(3)：8-11.