浅议关键技术地下轨道交通无线信息通信与关键技术学术

论文导读：，主要依靠进口。基于通信的移动闭塞系统（CBTC），是当今世界信号系统的新技术和新装备，近年来被国内地铁建设工程普遍采用。CBTC在提高铁路运输能力和提高列车安全性能方面发挥着重要作用，同时，在100km距离以内的城市地下铁路，速度一般在100km/h左右，站间距小，追求的是高频率和服务质量，所以未来地铁无线接入需要解决的关键
摘 要： 阐述了地下轨道交通（以下简称地铁）无线通信系统接入系统的需求，研究了地铁无线接入系统的特点，介绍和分析了现有无线接入技术的接入方式和具体指标，最后结合当下存在的问题讨论了未来地铁宽带无线接入可能使用的技术。
关键词： 地下轨道交通； 无线通信系统； 无线自由波； 漏泄电缆； 漏泄波导
1004?373X（2013）17?0041?04
0 引 言
城市地下轨道交通具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点，轨道交通很早就作为公共交通在城市中出现，起着越来越重要的作用。中国进入地铁高速发展时代已是不争的事实。目前，国务院已经正式批准建设地铁的城市是25个，从北京、上海到广州，从沈阳、青岛到成都，全国各大城市都处在地铁建设的热潮之中，地铁建设热潮已蔓延至内地众多城市。
在城市轨道交通信息化体系的建设进程中， 列车作为一个庞大的信息源成为铁路运营的中心载体。信号系统是保证地铁高密度、高速度、高安全运行的重要设备，目前尚未国产化，主要依靠进口。基于通信的移动闭塞系统（CBTC），是当今世界信号系统的新技术和新装备，近年来被国内地铁建设工程普遍采用。CBTC在提高铁路运输能力和提高列车安全性能方面发挥着重要作用，同时，在100 km 距离以内的城市地下铁路，速度一般在100 km/h 左右，站间距小，追求的是高频率和服务质量，所以未来地铁无线接入需要解决的关键问题是以乘客数据业务为主体的宽带无线数据通信问题。
由于CBTC原设计只考虑了地铁内部的抗干扰问题，但未考虑来自地铁外部的干扰。国内地铁突发情况出现后专家多次质疑2.4 GHz开放频段在地铁使用的安全性。另一方面，无线上网（WiFi）已成时尚，通信运营商强烈要求尽快在地铁实现这一功能，广州地铁和北京地铁等均已进行相关业务引入的准备和测试工作。然而，无线上网亦采用2.4 GHz开放频段，一旦进来可能对已有的PIS特别是CBTC带来干扰，从而严重影响地铁运营的安全性。
1 地铁宽带无线接入系统的需求
随着地下轨道交通的迅猛发展，车地之间的通信数据量也将快速扩大，地下轨道交通宽带无线接入的主要业务也将是以乘客为主体的宽带数据业务。地下轨道交通宽带接入要求主要可以概括为以下三个方面，一是可以支持现有无线通信系统，二是支持对于未来通信体制的平滑升级，三是要求能够为铁路运输的非安全数据业务提供支撑。这里，将地下轨道交通宽带无线接入系统的业务需求分为以下两类。

1.1 地铁运输通信业务需求

地下轨道交通运输系统作为一个具有较高的运行速度，集高度自动化、信息化、智能化为一体的平台，需要地下轨道交通无线调度通信技术的支撑以保证高速度列车的安全性和列车在路网中的快速性，以及实时动态跟踪信息的传输需要。这些技术都要求实时和高可靠性的无线连接贯通铁道沿线运行中的列车和铁路控制中心。
地铁运输通信业务需求主要包括列车无线通信运行列车上的人员对地面的调度员或其他人员进行的列车无线通信；列车无线调度电话调度员对沿线运行的机车进行调度指挥的列车无线调度电话；站内无线通信供站场内进行作业指挥以及业务联系用的站内无线通信和供编组站的到达场、编组场和出发场等各类作业人员如调车员、列车车辆检修员以及在专用线上进行调车作业等的流动人员按各自不同的系统进行通信联络的编组站无线电话。

1.2 乘客通信业务需求

在未来地下轨道交通运营中，地铁车地间数据传输的主要内容必将是围绕乘客信息的宽带无线接入。在乘坐地铁列车的过程中，乘客必须能够通过手机等无线终端实时与外界保持联系，而且要确切了解所处位置和目的地车次情况等信息，因此地铁列车不能成为“信息孤岛”。这就要求在高速移动条件下，地铁将无线数据业务可靠有效地提供给乘客。
随着国内城市地下轨道交通的飞速发展，尤其是隧道区间内无线通信技术应用的日臻成熟，乘客信息系统（Passenger Information System，PIS） 作为地铁通信的一个重要组成部分，正以崭新的形式渗入人们日常生活源于：本科www.7ctime.com
的各个角落。PIS是以计算机系统为核心，依托无线通信技术和多媒体网络，通过车载显示终端和车站显示终端等终端设备向乘客提供信息服务的论文导读：
系统。PIS由控制中心子系统、车站及车载子系统和网络子系统组成。控制中心子系统用以实现采集信息、处理系统内各类数据、管理和控制系统设备的功能。车站及车载子系统分为控制部分和显示部分两部分，控制部分对应的设备负责接收和下载控制中心下传命令，并在当控制中心或网络子系统发生故障时，按照已下载的节目列表和内容在对应站点的显示终端上进行自动播放；显示部分服务于控制中心实现播控。车载子系统作为车站子系统的延伸，其主要功能与车站子系统基本相同，兼具闭路电视监控系统的功能。网络子系统用以实现安全保障和无线接入功能，为地铁安全运营保驾护航。
2 地铁宽带无线接入系统的现有方式
在地下轨道交通车地通信中，无线数据通信只存在于车地之间，因此轨旁AP的覆盖范围只需覆盖钢轨列车所在的区域。目前的CBTC车地通信系统存在三种传输方式：无线自由波、漏泄波导和漏泄电缆。采用以上三种方式中一种传输方式即可实现全线覆盖，也可以采用多种方式结合传输实现全线覆盖，如根据地形因素将漏泄波导传输方式应用于高架区域，同时将无线自由波传输方式应用于隧道区域。

2.1 无线自由波

无线自由波一般工作在I频段（2.4～2.483 5 GHz）。无线自由波的无线带宽可达1 Mb/s以上，采用IEEE 802.11b/g标准的可达11.54 Mb/s。无线自由波由于自身性质，一般只能沿一个方向辐射。根据发射功率的不同，理论覆盖范围为600～800 m。在工程实际应用中，一个接入点覆盖范围为300～400 m。 在无线自由波传输方式中，为了可以在特定方向上发送或接收更强的能量，从而使AP的覆盖范围最大化，轨旁AP的天线通常采用定向天线。无线自由波采用定向天线的覆盖方式如图1所示。
在无线自由波传输方式中，为了提高系统抗干扰性，一般通过使用高增益的定向天线，使用不同于其他干扰源的无线扩频技术（如OFDM扩频）、使用各种认证模式等方式有效提高抗干扰能力。但是由于无线自由波的定向天线不像波导管那样是加长型的天线，隧道内还有上述同频的无线信号的存在，又加之数据传输距离远，抗干扰能力不甚理想。
无线自由波的优势体现在轨旁设备和运营维护比较简单，主要是保证设备的无线覆盖范围和正常工作即可。相比之下漏泄波导需要几乎每隔一段时间对现场的螺丝逐一检查，省去其运营维护的大工作量。此外，无线自由波在传输优势体现在带宽上。从无线带宽方面考虑，特别是在上下行并行的高架站，则优势更为明显。反观其缺陷则主要体现在抗干扰能力欠佳。

2.2 漏泄电缆

泄漏通信主要由非屏蔽的高频电缆——漏泄电缆、基台（或转发设备）、功率分配器、中继器等组成。漏泄电缆作为一种高频电缆专门用于泄漏通信，电缆外导体开有稀疏编织或泄漏槽，在漏泄电缆内部传输的一部分信号就通过稀疏编织或泄漏槽的孔泄漏到电缆外部空间，为移动的接收机提供信号，从而将无线电信号成功送入空间；同理，外部移动信号也可以通过稀疏编织或泄漏槽这一结构从外导体进入漏缆内部，添加相关设备后，可以和基站组成漏泄通信系统。
漏缆的分布方式必须契合地铁隧道的客观条件。由于漏泄电缆外层的非完全屏蔽结构，实际应用中它沿布设线路不断对外辐射电磁波。简而言之，漏泄电缆就如同连续分布的横向线状天线。与一般的分布式的点源天线比较，有以下几个优点：
（1）信号均匀分布，有效减小信号阴影及遮挡。漏泄电缆与分布式天线的比较好比日光灯之于灯泡。漏泄电缆在每一点都有信号反射，使得整个隧道内的接收信号强度均匀缓变。而点源天线信号强度随着对天线的远离下降幅度逐渐增大。
（2）信号波动范围减少，采用漏缆方式与采用其他天线相比之下信号随距离变化程度更小，更稳定。
（3）可同时覆盖多服务，有效减小架设多个天线系统工程安装的复杂性。漏泄电缆本质上是一个宽带系统，考虑到在隧道中经常使用一些无线系统（如寻呼系统、广播、论文导读：能性也较小。波导管只能在小范围（60°孔径内）空间实现通信，对来自天线背面所有方向允许衰减范围内的输入信号都会被认定为干扰，且对水平方向或超过60cm圆柱体的信号衰减很快。波导管虽然采用2.4GHz频段，但由于具有上述无线传输特性，所以具有很强的抗干扰性能力。波导管的无线带宽可以达到11～54Mb/s。不仅可以传输车?地控制
移动电话），多种不同的无线系统可以共享同一漏缆，从而有效减小工程难度。
根据上文的论述，地铁沿线隧道自身特点，限制了无线覆盖技术的实施：
（1）地铁沿线隧道一般较为狭窄，隧道被列车填充后剩余空间狭小；
（2）由于安全原因，一般禁止在隧道内安装天线；
（3）地铁列车的车体穿透损耗很高。
显然，无线自由波接入方式的转发天线安装面对一定困难，且信号的均匀分布亦无法保证，因此，在地铁隧道中采用漏泄电缆的覆盖方式较多。

2.3 漏泄波导

漏泄波导以中空铝质矩形管作为波导管，其顶部指向车辆天线位置。为了使无线信号得以沿波导管向外辐射，波导管上等间隔开有长3 cm，宽2 cm的窄缝。波导管管体长度分为以下四种：1.031 m，3.046 m，6.033 m和11.584 m，根据外温变化允许有±10 mm的形变。波导管示意如图2所示。
波导管由于本身材质的原因，其热胀冷缩导致的滑动在其工程应用中成为棘手难题。为了让波导管在调试和热胀冷缩的过程中的滑动范围处在可控范围内，国内大都采取的是滑动支架方式。
在目前国内地铁工程建设中，波导管和无线自由波一般采用的都是2.4 GHz频段。由于2.4 GHz无线频段为免费开放频段，地铁空间中存在的各种民用无线通信系统、无线WiFi发射机等其他类型的2.4 GHz无线网络，都会对CBTC无线传输系统造成同频干扰。
波导管本质上是一种连续性的加长型天线，车载使用对向波导管的定向天线。车-地通信只局限在一个较小的范围内，通信距离近，因而受外界干扰可能性也较小。波导管只能在小范围（60°孔径内）空间实现通信，对来自天线背面所有方向允许衰减范围内的输入信号都会被认定为干扰，且对水平方向或超过60 cm圆柱体的信号衰减很快。波导管虽然采用2.4 GHz频段，但由于具有上述无线传输特性，所以具有很强的抗干扰性能力。波导管的无线带宽可以达到11～54 Mb/s。不仅可以传输车?地控制信息外，而且可以传输视频信号信息等，场强覆盖均匀且无线带宽大。反观其缺陷，波导管由于采用固定支架配合滑动支架安装方式，所以需要很多螺丝进行固定。由于列车行进引起的震动，这些螺丝易松动，检修时需对每个螺丝检查固定，以确保波导管安装的稳定性。这也产生了巨大的运营维护工作量。
漏泄波导的区域示意图如图3所示。漏泄波导通常被安装在隧道的顶端或钢轨的两旁，当地面AP发射出的电磁波沿漏泄波导传输时，在漏泄波导内传输的电磁波由漏泄波导槽孔辐射到周围空间，在其外部产生漏泄电场，列车通过车载平板天线（天线与波导管上表面距离约为30～50 cm）获取信息能量，从而实现与地面的通信。同样，列车通过天线发出的电磁波，在漏泄波导外部产生漏泄电场，也会耦合到漏泄波导中，实现与控制中心通信。从图3可以看出，车地通信中断出现在两个AP覆盖区域相接位置，并且与此同时两个AP间的切换也将这个区域发生（切换通信中断距离通常在1 m以内）。可见在高架区域应用漏泄波导覆盖，可以有效提高城市地下轨道交通系统车地通信系统性能。波导管的优势主要体现在抗干扰能力强，但是由于本身材质的影响，对外界环境的依赖性很大也成为其缺点，并给运营维护造成很大负担。

2.4 现有接入方式分析/技术指标

2.4.1 现有接入方式

现有主源于：大学论文格式范文www.7ctime.com
要接入方式（传输媒介）及对应地铁线路、用途、集成厂商见表1。

2.

4.2 技术指标

（1）漏泄波导的技术指标 ①无线传输系统独立于信号系统并且对应用完全透明；
②采用波导管的无线传输，确保车（CC）到地（轨旁子系统）之间端到端的通信；
③提供的信道质量显著优于无线自由覆盖解决方案；
④使用80

2.11a/g标准协议论文导读：

；
⑤使用80

2.3以太网接口的学位论文www.7ctime.com

IP 协议；
⑥漏泄波导管传输损耗L2：10 dB。
表2是漏泄波导管主要参数。在

2.4～5 GHz范围内，漏泄波导的传输损耗为0.02 dB/m。

2.4 GHz频段漏泄波导管到列车天线的垂直距离为0.5 m，二者之间的耦合损耗实测为65 dB。
（2）漏泄电缆的技术指标
在2.4～2.5 GHz范围内，1?1/4″漏泄电缆的传输损耗高达0.07 dB/m（是漏泄波导的3.5倍），而1?5/8″漏泄电缆的传输损耗高达0.06 dB/m（是漏泄波导的3倍）。
2.4 GHz频段漏泄电缆到列车天线的垂直距离为0.5 m，二者之间的耦合损耗实测为62 dB。
（3）无线传输的技术指标
无线传输的技术指标主要体现在影响传输距离和无线覆盖方面的参数。
影响传输距离的主要参数如下：
工作频率：2.400～2 483.5 MHz。波导天线增益：8 dB。信噪比：最小15 dB。发射功率：802.11b（2.4 GHz）：+6，9，12，15，18，21，24 dBm；802.11a（5.8 GHz）&g（2.4 GHz）：+6，9，12，15，17 dBm。最低接收电平：802.11b（2.4 GHz）：-92 dBm（1 Mb/s），-90，-86，-84 dBm（11 Mb/s）；802.11a（5.8 GHz）&g（2.4 GHz）：-90 dBm（6 Mb/s），-88，-86，-84，-82，-79，-73，-70 dBm（54 Mb/s）。接入点间最大距离：800 m（根据环境条件不同，最大距离在600～800 m之间变化）。列车速度：最大120 km/h。轨旁波导管的衰减：9 dB。AP接入点与波导管间衰减：8 dB。CBTC业务无线链接吞吐量：6 Mb/s。
影响无线覆盖的主要参数如下：
车载天线增益G：8 dB；车载设备发射功率P：≤12 dBm（16 mW）。
3 未来可能的接入方式
从目前及发展看，在轨道交通列车控制系统中应用无线CBTC是大势所趋。在城市轨道交通建设中，应用无线CBTC系统，必将越来越普及。发展的同时也带来了新的问题，即在当前的无线环境及今后越来越恶劣的无线电磁环境下，如何保证无线 CBTC系统应用的安全性和可靠性问题，如何保证无线CBTC系统的有效可靠运行，乃是包括无线电管理部门在内的各管理部门、各技术研究单位、各应用单位以及各研发生产厂商，所必须共同面对并精诚努力才能解决的重大问题。
分析论证的结果表明，各种技术应用都有其适用性和局限性，目前2.4 GHz/I为公用频段，不能彻底地避免CBTC被干扰的可能。只有管理和技术相结合，前瞻性地制订相关的技术标准，才能使得轨道交通列车控制系统的可靠性得到保证，使得国内产业化的进程得以提速。因此，配置专用频率才是一个能较彻底的解决方法。例如，在法国已经将此方式作为地方政策，在局部地区（巴黎地区），在5.8 GHz频段配置了一个专用工作频段专用于无线CBTC系统。这不是以一个地区之力即能解决的问题，而是涉及到国家对频谱使用的业务划分。难度虽然很大，但站在地铁的运行安全的制高点来看，值得关注，值得一试。
参考文献
赵伟东.地铁乘客信息系统中无线通信的应用[J].技术与市场，2012，19（3）：8?13.
杨秀.地铁专用无线通信系统方案比选[J].都市快轨交通，2004，17（1）：60?62.
[3] 蒋海林，步兵.基于位置的CBTC系统无线局域网切换机制[J].铁道学报，2011，33（10）：51?56.
[4] 陶成，刘留，邱佳慧，等.高速铁路宽带无线接入系统架构与关键技术[J].电信科学，2010（6）：95?101.
[5] 杨安玉.地铁CBTC无线通信传输方式的工程应用[J].铁路通信信号工程技术，2012，9（4）：51?53.
[6] 张国光.泄漏通信电缆传输无线信号的过程[N].电子报，2008?06?15.
[7] 高光瑞，汪彬.浅谈无线通信在地铁乘客信息系统中的应用[J].通信管理与技术，2011（3）：28?33.
[8] 冯帅，杨晓冬，李文兴，等.关于扩展泄漏同轴电缆带宽的研究[J].应用科技，2006，33论文导读：（11）：37?40.王金贵.漏泄电缆在地铁CBTC信号系统中的应用.铁路通信信号工程技术，2010，7（5）：54?5

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（11）：37?40.
[9] 王金贵.漏泄电缆在地铁CBTC信号系统中的应用[J].铁路通信信号工程技术，2010，7（5）：54?57.