第四节　地车信息传输技术

CBTC系统充分利用通信传输手段，实现控制中心设备、车站设备、轨旁设备和车载设备之间的连接和双向、大容量信息传输，支持对一列车、一组列车或者所有列车有选择地进行通信，使得地面设备可以及时地向车载控制设备传递车辆运行前方线路限速情况，后续列车可以及时了解前方列车运行情况，通过实时计算给出最佳制动曲线，从而提高区间通行能力，减少频繁减速制动，改善旅客乘车舒适度，大大提高列车运行安全性。

由于列车的移动性，不可能使用固定连接的有线网络实现地车信息传输，因此只能寻找合适的无线通信手段。

最早的无线通信出现在前工业化时期，这些系统使用狼烟、火炬、闪光镜、信号弹或者旗语，在视距内传输信息。为了能传输更复杂的消息，人们又精心设计出了用这些原始信号组成的复杂信号。为了能传得更远，人们在山顶道路旁建立了一些接力观测站。直到1838年，这些原始的通信网才被莫尔斯发明的电报网替代，接着又被电话取代。在电话发明几十年后的1895年，马可尼首次从英国怀特岛到30km之外的一条拖船之间成功进行了无线传输，现代意义下的无线通信从此诞生。从这一天开始，无线通信技术迅速发展，能够在更远的传输距离上实现更好的通信质量、更低的功耗、更小的体积和更便宜的价格，使公网和专网的无线通信、无线电视、无线网络等成为现实。

无线信道的传输特性决定了无线网络设计与有线网络设计的截然不同。随机的无线信道不是理想的传输媒介。

首先，无线频谱是稀缺资源，必须分配给不同的系统和业务使用，因此无线电频谱必须由区域性和全球性的管理机构控制，工作于给定频段的区域性全球性无线通信系统必须遵守相应管理机构对这一频段做出的种种规定。

其次，无线信道随机多变。当信号通过电磁波在无线信道中传播时，墙壁、地面、建筑物和其他物体会对电磁波形成反射、散射和绕射，从而导致信号通过多条路径到达接收机，造成多径效应，多径效应会导致信号的衰落。如果发射机、接收机或周围的物体在运动，多径反射和衰减的变化将使接收信号经历随机波动。而在有线通信中信号传输过程中仅有衰减和噪声的干扰，接收端的信号相对稳定没有多径效应和随机波动。无线信道的多径效应和事变特性限制了无线信道的频带利用率。

再次，由于无线电波能够全向传输的特性，导致一定区域范围内的无线信号可以相互干扰，为了克服干扰，必须把共享信道分成若干互不干扰的子信道，再分别分给各个用户，这大大限制了无线通信系统的容量；另外，无线电波能够全向传输的特性也使得无线通信的安全难以保证，任何人通过一部射频天线就可以轻松地截获电波。

而且，除了上述特性，无线通信对设备的要求也比有线通信高。除要求操作简单和维修方便外，还应保证在震动、冲击、高低温变化等恶劣环境中正常工作。

从上面的论述可以看出，在数据传输速率和可靠性方面，无线网络永远无法与有线网络相媲美。但是无线网络的不受连线束缚的方便特性，以及其组网迅速灵活，能应对临时突发需要的优点，促使了无线通信技术在近年来飞速发展，虽然其与有线网络有不可跨越的距离，但在巨大需求的趋势下，无线通信一直朝着速率更高，覆盖范围更加全面，服务更加便捷的方向快速发展。

数据通信系统（DCS）是地车信息传输技术的载体，由两个部分构成：冗余骨干环网（有线部分）和无线传输网络（无线部分）。无线传输网络采用由轨旁无线基站和车载无线设备组成，图3-37、图3-38所示为无线传输网络的结构及链路。

在轨旁的每一个点放置两台无线接入点（Access Point，简称AP），这两台AP分别与两个冗余的骨干网连接。这两台AP同时工作，传输相同的信息。在列车的车头、车尾分别安装一套车载的无线AP，分属于两个不同的网络，分别与轨旁的两个冗余AP相关联。这样做的目的是：列车的车头、车尾AP分别与两个骨干网连接，实现双网冗余。当一个网络因为故障不能正常工作时，系统仍能通过另一个网络收发数据。通常情况下，车头、车尾的AP不会同时切换，这样越区切换对系统的数据传输几乎没有影响。

CBTC系统对车地通信技术传输通道的要求，分为地→车信息传输（下行无线链路）和车→地信息传输（上行无线链路）。其中，车对地（上行无线链路）的传输信息包括列车位置、列车实际速度、列车运行方向等信息，将所有数据进行编码组成的完整数据帧，单列车数据帧长大约400字节，通信周期为200～500ms。地对车（下行无线链路）的传输信息包括列车移动授权、临时限速等信息，将所有数据进行编码组成的完整数据帧，单列车数据帧长大约200字节，通信周期为200～500ms。

CBTC系统采用成熟的数据传输系统作为其信息传输通道，安全性（safety）由车载和地面设备共同保证。车地无线通信在物理和通信协议上保持相对的独立性和透明性（如采用标准的TCP/IP或UDP协议），DCS仅对传输的CBTC信息进行转发。但由于CBTC系统的安全苛求性和实时性等特点，对地车信息传输技术仍提出了不同于一般数据传输网络的要求，包括：

（1）传输时延：车地通信系统的信息传输端到端延迟时间不大于150ms。

（2）越区切换：CBTC系统单端车地无线通信漫游切换时间小于100ms，车头车尾配合实现切换无中断。

（3）丢包率：CBTC系统车地无线通信的丢包率应低于1％。

（4）可靠性：DCS的平均无故障间隔时间（MTBF）≥5×104h，且应采用双网冗余结构，以确保单个设备故障不会导致系统通信中断。

（5）安全性：系统车地无线通信系统应制定安全策略，保证网络的安全性，网络应具有多种方式和层次的访问控制安全机制。如对无线接入设备实施身份验证和授权，无线设备对传输的信息具有至少128位的数据加密，且密钥是动态变化的。

为实现上述目标，目前CBTC系统中采用的无线通信技术主要包括WLAN、LTE等。

一、WLAN技术

WLAN是一种短距离无线通信技术，它是以无线访问接入点（AP）信号为传输媒介构成的计算机局域网络，通过无线射频等技术，在空中传输数据、话音和视频信号。

为了让WLAN技术能够被广为接受和使用，IEEE（Instituteof Electrical and Electronics Engineers，电气电子工程师学会）802标准化委员会成立了IEEE 802.11无线局域网标准工作组，主要研究对象为工作在2.4GHz开放频段的无线设备和网络发展的全球标准。IEEE 802.11标准定义了单一的MAC层和多样的物理层，其物理层标准主要有IEEE 802.11b、802.11a和802.11g，以及下一代高速无线局域网通信标准IEEE 802.11n。其中，IEEE 802.11g在保持802.11a的传输速率的同时，又运行在802.11b的工作频段2.4GHz下，所以，802.11g协议可以做到在向下兼容802.11b的同时，提供更高速率的传输。而在安全性方面，802.11g要比802.11b更可靠。无线网络的无形性使得802.11g得到更广泛的应用。IEEE 802.11g结合了802.11a和802.11b的优点，目前的CBTC系统中主要采用了IEEE 802.11g标准，该标准的主要参数见表3-3。

CBTC系统中地车间的数据通信子系统是地面和车载设备之间通信的桥梁，通过它可建立列车车辆与地面设备之间的连续、双向、高速、可靠的数据通信，从而使得车辆控制信令以及车辆状态信息都可在车辆和地面设备间进行交互，这样系统主体（即地面设备）与受控对象（即列车）可紧密地连接起来。

如图3-39所示，采用WLAN技术的车地无线通信系统通常选择的无线传输媒介为自由波、裂缝波导管、漏泄电缆等三种方式。在地铁实际运行中，存在不同的运营环境（隧道、高架及车辆段），因此在不同的环境下根据需要选择其中的一种或多种传输媒介组合等方式进行无线组网。在使用多种传输媒介组合方式时，在轨旁无线设备和车载无线设备两端增加射频模块。通过射频模块对电磁波信号进行合路、功分和检波等。一般射频模块应采用无源器件，可以减少人为噪声对车地通信系统的影响。

1.自由波

自由波（freewave）是指在所有自由空间（包括空气和真空）中传播的电磁波的方式，其采用基于IEEE 802.11系列标准的WLAN无线网络作为信息传输的媒介，该方式为常见的电磁波传输方式，也是当前CBTC系统中使用最多的无线传输方式。

在这种方式下，在轨旁安装无线天线（一般为八木天线或者平板天线），AP（无线接入点）通过馈线与天线连接，用天线发送和接收无线信号。线路上的无线覆盖率通过在轨道沿线安装无线接入点得以实现。自由波传输方式属于可视距离传输模式，因此电磁波的接收机和发射机之间要求无遮挡物，否则将会增大传输损耗、多径干扰，影响整个系统的传输性能。

在CBTC系统中实际采用的都是双网结构，如图3-40所示。在一个地点放置两台AP，每台AP用两副天线沿着轨旁两个方向进行无线覆盖。因为轨道交通线性覆盖的特点，一般采用定向天线。为了防止雷击，天线和AP之间还要加避雷器。

轨旁AP的布置位置需保证车地之间的稳定通信，是决定信号传输距离、信号强度指标的重要因素。因此，在设计布置方案时，需综合考虑地形、线形、周围的环境或所设置AP的维护性等各种条件，必要时使用计算机进行模拟，对信号传输进行分析，以保证AP被布置于最适宜的位置。

综上所述，对AP进行布置设计时，主要需注意两点：无线信道设计、设置地点。一般来说，接入点间的典型距离应为200～400m。

2.裂缝波导管

波导管是一种空芯的、内壁十分光洁的金属导管或内敷金属的管子，波导管用来传送超高频电磁波，常见横截面形状有矩形和圆形，通过它的脉冲信号可以以极小的损耗被传送到目的地。波导管内径的大小因所传输信号的波长而异。波导管在电路中呈现高通滤波器的特性：允许截止频率以上的信号通过，而截止频率以下的信号则被阻止或衰减。裂缝波导管是在波导管的纵向方向上开有周期性的槽孔，使得电磁波在波导管中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波。

在波导管中能够传播的电磁波可以归纳成两大类。其一为横电波（或磁波）——简写为TE波（或H波），磁场可以有纵向和横向的分量，但电场只有横向分量；其二为横磁波（或电波），简称为TM波（或E波）。它的电场可以有纵向和横向的分量，但磁场只有横向分量。至于电场和磁场的纵向分量都不为零的电磁波则可以看成由横电波、横磁波迭加而成。

在CBTC中所采用的波导管不同于普通意义上的波导管。CBTC中所采用的波导管是裂缝波导管，需要在波导管表面以一定的形状和间距开孔。孔的形状、尺寸和孔的间距都将对传输损耗和耦合损耗产生影响。裂缝波导的结构如图3-41所示，最内层是开槽的波导管，然后加装一层防水，最外层是防护罩。

裂缝波导管模式因其传输频带宽、传输损耗小、可靠性高、抗干扰能力强得到较广泛应用。

3.漏泄电缆

漏泄电缆是漏泄同轴电缆的简称（Leaky Coaxial Cable），通常又简称为泄漏电缆或漏缆，与普通同轴电缆的区别在于：其外导体上开有用作辐射的周期性槽孔。普通同轴电缆的功能是将射频能量从电缆的一端传输到电缆的另一端，并且希望有最大的横向屏蔽使信号能量不能穿透电缆，以避免传输过程中的损耗。但是漏泄电缆的设计目的则是特意减小横向屏蔽，使得电磁波在漏缆中纵向传输的同时通过同轴电缆外导体上所开的槽孔向外界辐射电磁波，同时外界的电磁场也可通过槽孔感应到漏缆内部并传送到接收端。

漏泄电缆的结构如图3-42所示，主要组成有：

（1）内导体：铜是内导体的主要材料，小电缆内导体是铜线或铜包铝线，而大电缆用铜管，以减少电缆重量和成本。对大电缆外导体进行轧纹，这样可获得足够好的弯曲性能。内导体对信号传输影响很大，因为衰减主要是内导体电阻损耗引起的。其电导率，尤其是表面电导率，应尽可能高。

（2）外导体：外导体通常由铜带纵向包覆而成。在外导体层上，开有纵向或横向的槽口或小孔。外导体有两个基本的作用：第一是回路导体的作用，第二是屏蔽作用。漏泄电缆的外导体还决定了其漏泄性能。

（3）绝缘介质：射频同轴电缆介质远不只是起绝缘作用，最终的传输性能主要是在绝缘之后才确定的，因此介质材料的选择和其结构非常重要。所有重要的性能，如衰减、阻抗和回波损耗，都与绝缘关系很大。

（4）护套：户外电缆最常用的护套材料是黑色线性低密度聚乙烯。当强调电缆的防火安全性时，应使用低烟无卤阻燃材料。

无线电通信信号的质量通常因为电缆外界电波电平波动情况不同而相差很大，电缆敷设方式和敷设环境对电缆辐射效果也有影响。大部分隧道内还有各种各样金属导体，比如沿两侧墙面安装的电力电缆、铁轨、水管等，这些导体将彻底改变电磁场的特性。

漏缆电性能的主要指标有纵向衰减常数和耦合损耗。

（1）纵向衰减常数是考核电磁波在电缆内部所传输能量损失的最重要特性。普通同轴电缆内部的信号在一定频率下，随传输距离而变弱。衰减性能主要取决于绝缘层的类型及电缆的大小。而对于漏缆来说，周边环境也会影响衰减性能，因为电缆内部少部分能量在外导体附近的外界环境中传播，因此衰减性能也受制于外导体槽孔的排列方式。

（2）耦合损耗描述的是电缆外部因耦合产生且被外界天线接收能量大小的指标，它定义为：特定距离下，被外界天线接收的能量与电缆中传输的能量之比。由于影响是相互的，也可用类似的方法分析信号从外界天线向电缆的传输。耦合损耗受电缆槽孔形式及外界环境对信号的干扰或反射影响。宽频范围内，辐射越强意味着耦合损耗越低。

上述三种无线传输媒介优缺点对比见表3-4。

续上表

二、LTE技术

长期演进技术（Long Term Evolution，简称LTE）是基于正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，简称OFDMA）技术、由第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，简称3GPP）组织制定的全球通用标准，也是中国拥有核心自主知识产权的准4G国际通信标准技术，是一种专门为移动高宽带应用而设计的无线通信标准，包括FDD和TDD两种模式，用于成对频谱和非成对频谱。作为一种先进的无线通信技术，分时长期演进（Time Division Long Term Evolution，简称TD-LTE）是由3GPP组织涵盖的全球各大企业及运营商共同制定的。TD-LTE技术在设计时就考虑了满足高吞吐率的需求，在20MHz带宽组网情况下，峰值速率下行可达100Mbit/s，上行可达50Mbit/s。同时要求采用扁平化架构，降低控制和用户平面时延。TD-LTE采用了OFDM、MIMO、HARQ等先进技术有效提高数据速率、频谱效率和抗干扰性，提供综合业务承载的优先级调度和高速移动性支持，并通过抗干扰技术和安全机制保证无线数据业务的安全可靠传输。

TD-LTE传输技术相比于WLAN无线传输技术有着完善的QoS传输管理策略设计，同时在数据链路层也采用了区别于WLAN自由竞争的接入策略，专门设计了控制平面和信令来处理多用户接入中出现的各种问题，因此数据传输稳定性较WLAN技术有较大的提升。可以实现CBTC信息、列车状态监测信息、视频监控（CCTV）、PIS（含紧急文本）等信息及时、准确地传输，为城市轨道交通系统的安全、高效运营提供有力支撑。

TD-LTE技术能更好地匹配轨道交通车地生产业务数据的传输，其优点如下：

（1）传输时延小，LTE技术采用扁平化网络结构，降低传输时延，理论端到端时延小于100ms，满足数据传输实时性要求。

（2）频谱利用率高，15MHz频宽下可提供上行10Mbit/s，下行10Mbit/s的吞吐量。

（3）移动性支持好，采用自动频率校正技术确保高速移动场景下的无线链路质量，能满足列车运行速度350km/h以下的移动性要求。

（4）多业务并发，采用空口调度算法和QoS配置等多种方法保证业务质量，可满足轨道交通多种业务并发需求，满足不同业务的传输质量要求。

（5）抗干扰能力强，LTE采用小区干扰协调技术进行小区间的干扰协调和IRC干扰抑制合并技术，提供系统的抗干扰能力。LTE车地综合承载示意如图3-43所示。

针对TD-LTE在城市轨道交通中的运用，国内外也已经做了大量工作，华为公司提出一种链式的邻近小区优先级算法，这种算法充分考虑铁路系统中线性覆盖的特点，很好地解决乒乓切换的问题。北京交通大学吴昊等人，研究一种移动中继站点协助的切换算法，提出将双天线方法运用于基于LTE的铁路车地通信系统中。北京邮电大学的博士论文研究轨道交通LTE系统中一种预加载目标小区的切换算法来减少切换延迟。

截至2014年2月，TD-LTE在全球已签署75个商用合同，其中29个网络已正式商用发布，另有40多家运营商正在建设和部署之中，TD-LTE全球累计用户数接近一千万。中国移动TD-LTE网络也已在2013年底正式商用。从当前TD-LTE网络商用情况来看，TD-LTE网络的产业现状已经成熟，网络覆盖、连续覆盖与切换等性能指标都已达到预期要求。