车地无线通信技术在地铁CBTC信号系统中的应用

车地无线通信技术在地铁CBTC信号系统中的应用

刘启洋陈近东

深圳市地铁集团有限公司广东深圳518100

摘要：对地铁CBTC信号系统的关键技术车地无线通信的应用现状进行了介绍，分析了车地无线通信的原理。根据实际运营情况分析，发现了车地无线通信存在的不足和问题，并结合深圳地铁3号线工程案例，提出了专用频段通用制式进行技术优化的方案。

关键词：车地无线通信；CBTC；信号系统；漏缆

1车地无线通信系统的组成

TWC分别由网络核心设备、TWC轨旁设备（WNRA、漏缆或LoS天线等）、车载无线通信设备组成，并负责地面ATC设备和车载ATC设备之间的数据通信。

BombardierCITYFLO650信号系统的数据传输系统根据环境的不同采用两种类型的无线通信系统，每种类型的天线系统都各有自身的特点。从而保证信号系统能够在任何一种情形下达到最大的无线覆盖率和最小的通讯丢失。

TWC是实现车地间通信的高可靠性、连续性的通信系统，同时也是实现车地间通信的数据传输实时性、安全性、可靠性及抗干扰能力的安全系统。两个无线接入点的距离现场范围控制在300到600米之间。其中，漏缆等同于一个通过功率分配器与同轴电缆相连的定位天线。电缆内部只有一小部分的能量转变为辐射能。选择相邻漏泄段之间的合适间距，以便为不同频段提供满意的效果。事实证明，10到50米之间的间距可满足1000MHz以内的所有情形的无线通信。而采用定向天线的两个特点是增益和前后比抑制。增益能显著地提高链路余量，而前后比抑制能有效的减小远离天线发射孔的干扰源。在隧道和站台区域以外，采用可视天线进行信息传输，WNRAA和WNRAB分别与独立的天线进行连接。天线安装在轨旁天线柱的顶部，WNRAA和WNRAB不共用天线或天线柱。这样做是为了防止遭遇雷击导致单点故障。

2车地无线通信的原理

TWC子系统是一个无线通信系统，其用于提供列车和轨旁ATP之间的无线通信。TWC采用全冗余设计，具有很高的可靠性，可以克服单点故障，数据传输速度较快。TWC子系统具有其自身的数据网络，无线网络设备提供与轨旁ATP之间的通信，并与所有的轨旁分布式数据无线装置WNRA相连接。TWC无线网络设备和轨旁ATP设置在同一房间内，TWC子系统可以被看成一个“黑盒子”，通过该系统，特定格式的数据信息能够在一定的传输速度和容错率下进行双向传输。在系统中无线通信采用2.4GHZ的扩频RF来完成。如图1，TWC子系统通信原理显示了这些设备在CITYFLO650ATC系统中的具体位置。

图1TWC无线网络示意图

无线通信处理器（RCP）位于TWC子系统的信息传输路径的始端和终端。RCP分别作为区域ATC和车载ATC设备的组成部分，将从ATO和ATP计算机提取的数据打包形成一个列车控制数据包（ATC数据包），然后将数据包发送给TWC网络核心设备或移动数据电台MDR。ATC数据包通过位于区域控制站的TWC网络核心设备进行传输，再由TWC网络核心设备向安装在轨旁的无线网络组件WNRA传输数据。该传输使用UDP/IP协议，再通过WNRA、RF设备、漏缆等，将RF信息传送给车载移动数据电台MDR。

3车地无线通信系统的应用情况

深圳地铁3号线工程范围为：深圳市地铁龙岗线（3号线）为深圳市轨道交通二期工程线路，连接福田罗湖中心区、布吉、横岗以及龙岗中心城，形成连接城市中心区和东部发展轴的客运干线。全长41.9公里，其中包括30个车站、29个区间、1座车辆段、1座停车场、2个主变电站，总投资约159亿元。高架段段起自草埔站，止于双龙站；地下段水贝至红岭站，以及西延段红岭站至益田站。

3.1无线传输丢失

在正常的运行模式下，列车接收一个移动授权限制报文，该报文可以保证列车安全的运行。该移动授权限制报文随着每个无线报文更新，一般是每秒钟更新一次。

如果由于干扰作用或暂时性无线通讯中断，列车损失一个或两个无线通信报文，列车将以允许的速度继续运行至最后一个已知的移动授权限制点，并且一旦无线通信重新建立了，列车将得到一个更新的移动授权限制报文，从而可以无干扰的继续它的运行。

如果由于某些原因，无线通讯中断变成永久性的，列车在运行至上一个已知的移动授权限制点之前，采用常用制动停车，列车司机可以切换至人工驾驶模式继续运行。

3.2无线网络健康诊断及故障恢复

Bombardier无线通信子系统按照频率将线路分为不同的无线区域，每个无线区域均设置一对冗余的无线电台用于车-地通信。

RATP中的无线通信处理器（RCP）用于接收RATP的信息，并发送给轨旁的无线电台，同时监测无线电台的信息的正确性，将报警信息发送至控制中心，以检测无线网络的健康状态。具体的过程如下：①RCP交替使用冗余的无线电台中的任意一个电台向列车发送ATC报文。②RCP指定的轨旁无线电台将向列车发送ATC报文，并向RCP反馈相应回执信息。③RCP将对其范围内所有轨旁无线电台的状态进行轮询，以得到所有的无线电台的状态信息。在这个过程中，RCP将对每个轨旁无线电台的成功发送或接收次数进行记数。该计数的情况会实时地传送到控制中心。④当一个无线电台的成功计数低于另一个电台达到一个预定的阈值时，RCP就会认为该无线电台失效或正在失效，这时，RCP将该失效电台设置为被动模式，该失效电台将不会再发送ATC报文或响应RCP的命令，同时另一个无线电台将切换至长期激活模式，向列车发送ATC报文和响应RCP的命令。OCC同时也将知晓无线电台的失效或激活状态。⑤切换状态后，每对冗余的无线电台将有一个一直处于长期激活模式，另一个处于被动模式，直至RCP重启动每对冗余的无线电台或其中一个无线电台。⑥无线电台重启动后，这一对冗余的无线电台将重新回到交替模式下工作，交替传送和反馈信息。

由此可见，整个无线网络的健康状况可以在中央控制室实时监测，一目了然，从而在某个无线接入点出现故障时：1）如果是软件故障，可及时发出对该电台的重新启动命令即可清除故障；2）如果是硬件故障，则中央控制室可及时通知维修人员前往排解，从而大大提高了整个系统的可用性。

4车地无线通信系统在工程运用中存在的问题

4.1由于在开放空间采用的是WLAN传送信号控制系统的安全信息，虽然对该车地无线网络系统应用了双网传输、固定频点、提供加密等安全措施保障，但2.4GHz的WLAN作为一段免费公用频段，它会随着3G和LTE的不断发展，产生大量的AP和无线终端进行干扰，例如笔记本、智能手机、简易移动热点等设备。这些设备在此频点不受任何管制，随意性强，众多设备能将自身设置成2.4?GHz的热点设备。如果这样的工作模式被地铁乘客应用到地铁列车内，尤其在车头或车尾位置，必将对CBTC的车地无线通信产生严重的同频干扰或邻频干扰，阻碍车地安全信息的实时交换，进而引发列车冲突甚至紧急停车事故。这样的情况在多座城市的轨道交通中出现，并对城市轨道交通产生了不同程度的影响。所以，对于频段、频点的再次规划已经成为一种趋势。

4.2深圳地铁的信号系统均按线建设，同时地铁列车控制管理也是按线划分的。由于目前深圳地铁每条线一般不超过80列列车，即不超过160个移动终端，所以列车的移动终端比较少，其通信需求仅仅是数据通信，只是在固定的整条线路和车辆段内运行。进而，每个无线小区内的移送终端少，但若小区设置过小，小区容量随之小，且小区之间切换频繁，在小区切换时，数据传送的安全、准时都会受到不同程度的影响。同时，CBTC的车-地通信是车对地和地对车实时通信，即需要全双工稳定的通信信道。

4.3隧道里采用2.4GHZ频段内的频率，会导致无线信号在隧道墙壁上发生多次反射，即产生“多路径”效应。虽然漏缆安装的地方离车载天线的距离几乎保持一致，但在线路的某些地方，从发射器发出的直达信号和从墙壁反射回来的信号可能会叠加在一起，增大了无线信号；而在线路的其他一些地方，从墙壁反射回来的信号反而会减弱直达信号，导致无线传输的丢失或所谓的“黑洞”。“黑洞”的产生机制非常复杂，它们取决于隧道的特性、墙壁的条件、通风竖井的位置和车站站台等，因此，在设计阶段对“黑洞”效应进行预测几乎是不可能的。一些车地无线通信丢失的故障就无法进行分析和判断，造成技术分析的盲区。如果在发射器和接收列车之间存在另一列列车，也可能会阻断该信号，因此，在考虑“多路径”效应时，还得考虑动态因素，无疑增加了可变因素。

5结束语

随着CBTC信号系统的应用成为一种趋势，相对于泄露电缆、波导管等其他车地无线通信方式逐渐暴露出一些工程实用问题需要进行长期演进。根据信号系统数据传输的具体特点和国际对LTE的政策导向，以及设备供货商提供的系统解决方案来看，选择LTE更为合适。

从目前正在运行的深圳地铁实际情况来看，虽然各条线路的车地无线通信制式存在较大的差异，但是建立互联互通车地无线通信网络方案已经开始陆续编制规划，从而实现真正意义上的城市轨道交通网络化。现在深圳地铁将各条线路的运营控制中心连接起来形成NOCC便于统一管理。为LTE的上层传输网络的建立提供了良好的参照模式，从而进一步研究LTE核心网的布置、LTE网络的互联互通以及列车的互联互通，形成无线通信的整体完美对接的局面。

对于任一无线系统，频段、频点是其最根本的。CBTC下的LTE等专频车地无线通信模式具有很好的应用前景，值得进一步研究和工程试验。

参考文献：

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