地鐵CBTC無線通信傳輸方式的工程應用

楊安玉

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，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。作為CBTC系統的子系統，數據傳輸系統中車-地通信無線傳輸方式（簡稱傳輸方式）多種多樣。如何根據工程情況合理采用車-地無線傳輸方式顯得尤為重要。

1 傳輸方式

CBTC系統的核心是列車定位，為了精確的列車定位，車-地需要雙向的信息傳輸通道。在地鐵工程中實現車-地無線信息實時傳輸方式主要有3種：交叉感應環線方式（IL）、無線擴頻通信方式（RF）、衛星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采用傳輸介質不同可以分為：裂縫波導管（簡稱波導管）、無線自由波、漏泄同軸電纜（簡稱漏纜）等傳輸方式。

衛星GPS傳輸方式由于在地下站無法實現，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據及運營付費問題等方面存在一些爭議，因而在工程中應用很少。

漏纜傳輸方式具有適應性強，安裝、維護方便等優點，特別適宜因土建條件限制較多的工程及改造工程。但漏纜傳輸方式現在國內尚無應用實例，鐵道部科學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，國內應用最普遍的3種傳輸方式是交叉感應環線、波導管和無線自由波。很多供貨商均有對應此類傳輸方式的成熟解決方案和成功案例。主要CBTC系統供貨商的傳輸方式如表1所示。

表1 主要CBTC系統供貨商的傳輸方式

2 傳輸方式工程應用分析

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用中的對比。

2.1 工程實施

交叉感應環線電纜由銅絞線、外面的絕緣和非屏蔽保護外層組成。環線敷設在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。交叉感應環線的安裝示意如圖1所示。

交叉感應環線的安裝對工藝要求較為簡單，敷設方法靈活，可根據道床、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。需要沿地鐵線路架空鋪設，電纜、支架施工量大。由于在線路中間對軌道的維護作業有一定影響，安裝過程中需要與軌道專業協調，現場配合工作量大。

交叉感應環線除了具有波導管、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定位信息校正的功能。如果使用交叉感應環線的傳輸方式，可以節省無源信標的安裝和調試工程，系統的整體安裝工程量大大簡化。

波導管為中空鋁質矩形管，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管的裂縫向外均勻輻射。波導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。波導管的安裝示意如圖2所示。

波導管由于本身材質的影響，對外界環境的依賴性很大，最大問題就是熱脹冷縮。所以在波導管的安裝過程中，不能把波導管固定牢靠；否則，熱脹冷縮的作用極易損壞波導管。國內一般的做法是采取滑動支架方式，讓波導管在調試和熱脹冷縮的過程中在一定范圍內滑動。

波導管一般安裝在道床鋼軌內、外側或隧道頂，需要考慮信標、計軸、護輪軌、浮置板、轉轍機和接觸軌等設備的限界要求，土建施工配合工作量大。波導管的安裝對精度要求很高，在施工過程中，要求波導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、激光角度尺進行現場校正。

無線自由波的AP箱和天線一般安裝在軌旁隧道側壁或高架側面立柱。安裝簡單，精度要求低，相對獨立。對土建限界依賴性較小，對軌道及附近設備影響小，有利于今后的升級改造。最大的工程在后期系統調試階段，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射角和位置等進行調整。

2.2 抗干擾能力

交叉感應環線傳輸方式，電纜環線鋪設于線路中間，車載機車信號天線設在機車底部，兩者距離相對而言較近，進行數據傳輸時受外界干擾較小。并且采用自身系統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的干擾。

目前國內地鐵工程中，波導管、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，地鐵環境空間中存在的其他2.4 G無線網絡，會對CBTC無線傳輸系統造成同頻干擾。如各種民用無線通信系統、商用無線系統、調度無線系統和PIS系統，系統外部的Wi-Fi、藍牙及換乘站的鄰線無線通信的同頻干擾等。

波導管本質上是一種連續性的加長型天線，車載使用對向波導管的定向天線。車-地通信只局限在一個很小的范圍內，車地天線的間距一般在30～40 cm內，最大不超過50 cm，通信距離近，受外界干擾可能性也較小。波導管只能在小范圍（60°孔徑內）空間實現通信，對來自天線背面所有方向允許衰減范圍內的輸入信號都認為是干擾，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射源、使用不同于其他干擾源的無線擴頻技術（如OFDM擴頻）、使用各種認證模式等。通過這些措施，在一定程度上大大提高了系統抗干擾性。而由于無線自由波的定向天線不像波導管那樣是加長型的天線，數據傳輸距離遠，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，傳輸的信息越多；覆蓋范圍越遠，列車在不同接入點間的漫游切換越少，系統越穩定。

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

波導管和無線自由波一般工作在ISM（工業、科學、醫療）頻段（2.4～2.483 5 GHz）。波導管的無線帶寬可達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標準的可達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。根據不同廠家的發射功率，理論覆蓋范圍可達600～800 m，在工程應用中，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，波導管和無線自由波在傳輸帶寬上具有優勢，波導管在覆蓋范圍上更具優勢，特別是在上下行并行的高架站，則優勢更為明顯。

2.4 運營維護

交叉感應環線每隔一段時間要對室內環線饋電設備進行調整，保證數據通信傳輸質量，同時要隔段時間對環線電纜、磨損、變形損壞等情況進行例行檢查，若環線電纜下垂超過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配合，對環線交叉點重新定位，且對定位坐標精確要求較高。

波導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，以保證波導管安裝的穩定。這導致運營維護工作量巨大，幾乎每隔一段時間，就要對現場的螺絲逐一檢查。

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

3 結束語

在工程應用中，應結合這幾種車-地無線通信傳播方式的特點和工程實際情況靈活應用，確定合理的傳播方式。

如果系統受外界無線通信干擾比較大，抗干擾措施不容易實施時，可以選擇交叉感應環線、波導管的傳播方式；如果系統為既有系統改造升級，土建工程難以滿足信號系統安裝要求時，可以選用交叉感應環線、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。

還可以根據現場情況，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現場實際情況，在高架站采用波導管傳輸方式，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場測試[J].現代城市軌道交通，2011(3)：8-11.