論Wi-Fi在地鐵CBTC系統(tǒng)中的工程應(yīng)用

陳濟(jì)舟

（北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

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論Wi-Fi在地鐵CBTC系統(tǒng)中的工程應(yīng)用

陳濟(jì)舟

（北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

介紹在地鐵工程中用于CBTC系統(tǒng)列車控制與精確定位的車地實(shí)時傳輸通道，其主要有2種：交叉感應(yīng)環(huán)線方式（IL）、無線WIFI通信方式（RF）。分析國內(nèi)主流無線傳輸方式（裂縫波導(dǎo)管、天線、漏泄同軸電纜）在工程實(shí)施中的優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的安裝、信號傳輸及維護(hù)保養(yǎng)等方面問題提出解決思路。

CBTC；交叉感應(yīng)環(huán)線；天線；波導(dǎo)管

1　概述

目前，城市軌道交通基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）大量采用IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)ISM2.4 GHz頻段，使用WLAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車控制信息的傳輸，完成列車與軌旁設(shè)備的通信功能，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)工程實(shí)際情況合理的選擇車地?zé)o線傳輸方式顯得尤為重要。

2　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，車地之間就需要雙向的信息傳輸通道。在目前地鐵工程中實(shí)現(xiàn)車地?zé)o線信息實(shí)時傳輸方式主要有2種：交叉感應(yīng)環(huán)線方式（IL）、無線Wi-Fi通信方式（RF）。其中無線擴(kuò)頻通信傳輸方式大部分工作在2.4 G開放頻段。無線擴(kuò)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）、天線、漏泄同軸電纜（簡稱漏纜）等傳輸方式。

漏纜傳輸方式具有適應(yīng)性強(qiáng)，安裝、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，特別適宜因土建條件限制較多的工程及改造工程，但車輛安裝位置受漏纜安裝位置要求較高，因此漏纜傳輸方式現(xiàn)在國內(nèi)僅有少量的應(yīng)用案例。

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)管和天線。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l所示。

3　傳輸方式工程應(yīng)用分析

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

3.1 工程實(shí)施

1）交叉感應(yīng)環(huán)線電纜由銅絞線、外部絕緣和非屏蔽保護(hù)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、列車情況綜合決定其安裝方式，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、支架施工量較大。由于安裝在線路中間，所以對軌道的維護(hù)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)線不僅具有波導(dǎo)管和天線的傳輸列車運(yùn)行信息功能，還具有通過交叉點(diǎn)實(shí)現(xiàn)列車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，可節(jié)省大量無源信標(biāo)的安裝和調(diào)試工作，系統(tǒng)整體安裝工程量會大大簡化。

2）波導(dǎo)管是一種空心、內(nèi)壁十分光潔的金屬導(dǎo)管或內(nèi)敷金屬的管子；波導(dǎo)管用來傳送超高頻電磁波，通過脈沖信號可以以極小的損耗被傳送到目的地。

波導(dǎo)管一般為中空鋁質(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)管由于受自身材質(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，受熱脹冷縮的作用會損壞波導(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(jì)軸、護(hù)輪軌、浮置板、轉(zhuǎn)轍機(jī)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(shí)施過程中，需使用精密安裝儀器，如激光測距儀、激光角度尺等設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場校正。

3）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)面立柱中。安裝簡單，精度要求低，相對獨(dú)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。工程后期的系統(tǒng)調(diào)試階段是應(yīng)用重點(diǎn)，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(jìn)行調(diào)整。

3.2抗干擾能力

在交叉感應(yīng)環(huán)線傳輸方式中，電纜環(huán)線鋪設(shè)于線路中間，車載機(jī)車信號天線設(shè)在機(jī)車底部，兩者距離相對較近，進(jìn)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(dú)有的通信載頻進(jìn)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，地鐵運(yùn)行空間中存在其他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(lán)牙和換乘站的鄰線通信設(shè)備的同頻干擾等。

在波導(dǎo)管傳輸方式中，其工作本質(zhì)是一種連續(xù)性的加長型天線，車載安裝對向波導(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，受外界干擾可能性較小。波導(dǎo)管只能在小范圍（60°孔徑內(nèi)）空間實(shí)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(qiáng)。

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(kuò)頻技術(shù)（如OFDM擴(kuò)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(yuǎn)，又加之有上述眾多同頻的無線信號存在，抗干擾能力不是很理想。

3.3無線帶寬及覆蓋范圍

根據(jù)一般無線傳輸工作原理，無線信號帶寬越大，傳輸信息越多；而信號覆蓋范圍越遠(yuǎn)，列車在不同接入點(diǎn)間的漫游切換次數(shù)越少，系統(tǒng)也就越穩(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(dá)1 000 m以上，覆蓋距離較遠(yuǎn)。

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 kHz）。波導(dǎo)管無線帶寬可達(dá)11～54 Mbit/s。除可以傳輸車地控制信息外，還可傳輸報警信息及視頻信號等，無線帶寬大且場強(qiáng)覆蓋均勻。一個無線接入點(diǎn)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(shí)施中，為保證信號強(qiáng)度和可靠性，一般不超過500 m。

無線自由波的無線帶寬可達(dá)1 Mbit/s以上，采用IEEE802.1lb/g標(biāo)準(zhǔn)的可達(dá)11～54 Mbit/s。無線自由波由于抗干擾能力弱，且在空氣中傳播，衰耗大，一般也只能沿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(dá)600～800 m，在工程應(yīng)用中，不同接入點(diǎn)無線信號相互重疊覆蓋，一個接入點(diǎn)一般覆蓋220～250 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。

3.4運(yùn)營維護(hù)

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(jìn)行調(diào)整，保證數(shù)據(jù)通信傳輸質(zhì)量，同時要定期對環(huán)線電纜、磨損、變形損壞等情況進(jìn)行檢查，若環(huán)線電纜下垂超過75 mm，則必須進(jìn)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(hù)需要信號專業(yè)配合，對環(huán)線交叉點(diǎn)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)管安裝穩(wěn)定。這導(dǎo)致運(yùn)營維護(hù)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(yùn)營維護(hù)比較容易，主要是保證設(shè)備的正常工作和無線覆蓋范圍。

4　結(jié)論

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(diǎn)和工程的實(shí)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(shí)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(yùn)營維護(hù)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。例如，北京地鐵亦莊線根據(jù)現(xiàn)場實(shí)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。

The paper introduces two train-ground transmission modes for train control and precise location in CBTC system， including cross inductive loop mode （IL） and WIFI communication mode （RF）， analyzes advantages and disadvantages of main wireless transmission modes （slotted waveguide， antenna， leaky coaxial cable） in construction， and puts forward the solutions to the problems in the installation， signal transmission and maintenance in actual application.

CBTC； cross inductive loop； antenna； waveguide

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.02.015

2014-11-20）