地下軌道交通無線信息通信與關鍵技術

摘 要： 闡述了地下軌道交通（以下簡稱地鐵）無線通信系統接入系統的需求，研究了地鐵無線接入系統的特點，介紹和分析了現有無線接入技術的接入方式和具體指標，最后結合當下存在的問題討論了未來地鐵寬帶無線接入可能使用的技術。

關鍵詞： 地下軌道交通； 無線通信系統； 無線自由波； 漏泄電纜； 漏泄波導

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）17?0041?04

0 引 言

城市地下軌道交通具有運量大、速度快、安全、準點、保護環境、節約能源和用地等特點，軌道交通很早就作為公共交通在城市中出現，起著越來越重要的作用。中國進入地鐵高速發展時代已是不爭的事實。目前，國務院已經正式批準建設地鐵的城市是25個，從北京、上海到廣州，從沈陽、青島到成都，全國各大城市都處在地鐵建設的熱潮之中，地鐵建設熱潮已蔓延至內地眾多城市。

在城市軌道交通信息化體系的建設進程中， 列車作為一個龐大的信息源成為鐵路運營的中心載體。信號系統是保證地鐵高密度、高速度、高安全運行的重要設備，目前尚未國產化，主要依靠進口。基于通信的移動閉塞系統（CBTC），是當今世界信號系統的新技術和新裝備，近年來被國內地鐵建設工程普遍采用。CBTC在提高鐵路運輸能力和提高列車安全性能方面發揮著重要作用，同時，在100 km 距離以內的城市地下鐵路，速度一般在100 km/h 左右，站間距小，追求的是高頻率和服務質量，所以未來地鐵無線接入需要解決的關鍵問題是以乘客數據業務為主體的寬帶無線數據通信問題。

由于CBTC原設計只考慮了地鐵內部的抗干擾問題，但未考慮來自地鐵外部的干擾。國內地鐵突發情況出現后專家多次質疑2.4 GHz開放頻段在地鐵使用的安全性。另一方面，無線上網（WiFi）已成時尚，通信運營商強烈要求盡快在地鐵實現這一功能，廣州地鐵和北京地鐵等均已進行相關業務引入的準備和測試工作。然而，無線上網亦采用2.4 GHz開放頻段，一旦進來可能對已有的PIS特別是CBTC帶來干擾，從而嚴重影響地鐵運營的安全性。

1 地鐵寬帶無線接入系統的需求

隨著地下軌道交通的迅猛發展，車地之間的通信數據量也將快速擴大，地下軌道交通寬帶無線接入的主要業務也將是以乘客為主體的寬帶數據業務。地下軌道交通寬帶接入要求主要可以概括為以下三個方面，一是可以支持現有無線通信系統，二是支持對于未來通信體制的平滑升級，三是要求能夠為鐵路運輸的非安全數據業務提供支撐。這里，將地下軌道交通寬帶無線接入系統的業務需求分為以下兩類。

1.1 地鐵運輸通信業務需求

地下軌道交通運輸系統作為一個具有較高的運行速度，集高度自動化、信息化、智能化為一體的平臺，需要地下軌道交通無線調度通信技術的支撐以保證高速度列車的安全性和列車在路網中的快速性，以及實時動態跟蹤信息的傳輸需要。這些技術都要求實時和高可靠性的無線連接貫通鐵道沿線運行中的列車和鐵路控制中心。

地鐵運輸通信業務需求主要包括列車無線通信運行列車上的人員對地面的調度員或其他人員進行的列車無線通信；列車無線調度電話調度員對沿線運行的機車進行調度指揮的列車無線調度電話；站內無線通信供站場內進行作業指揮以及業務聯系用的站內無線通信和供編組站的到達場、編組場和出發場等各類作業人員如調車員、列車車輛檢修員以及在專用線上進行調車作業等的流動人員按各自不同的系統進行通信聯絡的編組站無線電話。

1.2 乘客通信業務需求

在未來地下軌道交通運營中，地鐵車地間數據傳輸的主要內容必將是圍繞乘客信息的寬帶無線接入。在乘坐地鐵列車的過程中，乘客必須能夠通過手機等無線終端實時與外界保持聯系，而且要確切了解所處位置和目的地車次情況等信息，因此地鐵列車不能成為“信息孤島”。這就要求在高速移動條件下，地鐵將無線數據業務可靠有效地提供給乘客。

隨著國內城市地下軌道交通的飛速發展，尤其是隧道區間內無線通信技術應用的日臻成熟，乘客信息系統（Passenger Information System，PIS） 作為地鐵通信的一個重要組成部分，正以嶄新的形式滲入人們日常生活的各個角落。PIS是以計算機系統為核心，依托無線通信技術和多媒體網絡，通過車載顯示終端和車站顯示終端等終端設備向乘客提供信息服務的系統。PIS由控制中心子系統、車站及車載子系統和網絡子系統組成。控制中心子系統用以實現采集信息、處理系統內各類數據、管理和控制系統設備的功能。車站及車載子系統分為控制部分和顯示部分兩部分，控制部分對應的設備負責接收和下載控制中心下傳命令，并在當控制中心或網絡子系統發生故障時，按照已下載的節目列表和內容在對應站點的顯示終端上進行自動播放；顯示部分服務于控制中心實現播控。車載子系統作為車站子系統的延伸，其主要功能與車站子系統基本相同，兼具閉路電視監控系統的功能。網絡子系統用以實現安全保障和無線接入功能，為地鐵安全運營保駕護航。

2 地鐵寬帶無線接入系統的現有方式

在地下軌道交通車地通信中，無線數據通信只存在于車地之間，因此軌旁AP的覆蓋范圍只需覆蓋鋼軌列車所在的區域。目前的CBTC車地通信系統存在三種傳輸方式：無線自由波、漏泄波導和漏泄電纜。采用以上三種方式中一種傳輸方式即可實現全線覆蓋，也可以采用多種方式結合傳輸實現全線覆蓋，如根據地形因素將漏泄波導傳輸方式應用于高架區域，同時將無線自由波傳輸方式應用于隧道區域。

2.1 無線自由波

無線自由波一般工作在ISM頻段（2.4～2.483 5 GHz）。無線自由波的無線帶寬可達1 Mb/s以上，采用IEEE 802.11b/g標準的可達11.54 Mb/s。無線自由波由于自身性質，一般只能沿一個方向輻射。根據發射功率的不同，理論覆蓋范圍為600～800 m。在工程實際應用中，一個接入點覆蓋范圍為300～400 m。

在無線自由波傳輸方式中，為了可以在特定方向上發送或接收更強的能量，從而使AP的覆蓋范圍最大化，軌旁AP的天線通常采用定向天線。無線自由波采用定向天線的覆蓋方式如圖1所示。

在無線自由波傳輸方式中，為了提高系統抗干擾性，一般通過使用高增益的定向天線，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方式有效提高抗干擾能力。但是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，隧道內還有上述同頻的無線信號的存在，又加之數據傳輸距離遠，抗干擾能力不甚理想。

無線自由波的優勢體現在軌旁設備和運營維護比較簡單，主要是保證設備的無線覆蓋范圍和正常工作即可。相比之下漏泄波導需要幾乎每隔一段時間對現場的螺絲逐一檢查，省去其運營維護的大工作量。此外，無線自由波在傳輸優勢體現在帶寬上。從無線帶寬方面考慮，特別是在上下行并行的高架站，則優勢更為明顯。反觀其缺陷則主要體現在抗干擾能力欠佳。

2.2 漏泄電纜

泄漏通信主要由非屏蔽的高頻電纜——漏泄電纜、基臺（或轉發設備）、功率分配器、中繼器等組成。漏泄電纜作為一種高頻電纜專門用于泄漏通信，電纜外導體開有稀疏編織或泄漏槽，在漏泄電纜內部傳輸的一部分信號就通過稀疏編織或泄漏槽的孔泄漏到電纜外部空間，為移動的接收機提供信號，從而將無線電信號成功送入空間；同理，外部移動信號也可以通過稀疏編織或泄漏槽這一結構從外導體進入漏纜內部，添加相關設備后，可以和基站組成漏泄通信系統。

漏纜的分布方式必須契合地鐵隧道的客觀條件。由于漏泄電纜外層的非完全屏蔽結構，實際應用中它沿布設線路不斷對外輻射電磁波。簡而言之，漏泄電纜就如同連續分布的橫向線狀天線。與一般的分布式的點源天線比較，有以下幾個優點：

（1）信號均勻分布，有效減小信號陰影及遮擋。漏泄電纜與分布式天線的比較好比日光燈之于燈泡。漏泄電纜在每一點都有信號反射，使得整個隧道內的接收信號強度均勻緩變。而點源天線信號強度隨著對天線的遠離下降幅度逐漸增大。

（2）信號波動范圍減少，采用漏纜方式與采用其他天線相比之下信號隨距離變化程度更小，更穩定。

（3）可同時覆蓋多服務，有效減小架設多個天線系統工程安裝的復雜性。漏泄電纜本質上是一個寬帶系統，考慮到在隧道中經常使用一些無線系統（如尋呼系統、廣播、移動電話），多種不同的無線系統可以共享同一漏纜，從而有效減小工程難度。

根據上文的論述，地鐵沿線隧道自身特點，限制了無線覆蓋技術的實施：

（1）地鐵沿線隧道一般較為狹窄，隧道被列車填充后剩余空間狹小；

（2）由于安全原因，一般禁止在隧道內安裝天線；

（3）地鐵列車的車體穿透損耗很高。

顯然，無線自由波接入方式的轉發天線安裝面對一定困難，且信號的均勻分布亦無法保證，因此，在地鐵隧道中采用漏泄電纜的覆蓋方式較多。

2.3 漏泄波導

漏泄波導以中空鋁質矩形管作為波導管，其頂部指向車輛天線位置。為了使無線信號得以沿波導管向外輻射，波導管上等間隔開有長3 cm，寬2 cm的窄縫。波導管管體長度分為以下四種：1.031 m，3.046 m，6.033 m和11.584 m，根據外溫變化允許有±10 mm的形變。波導管示意如圖2所示。

波導管由于本身材質的原因，其熱脹冷縮導致的滑動在其工程應用中成為棘手難題。為了讓波導管在調試和熱脹冷縮的過程中的滑動范圍處在可控范圍內，國內大都采取的是滑動支架方式。

在目前國內地鐵工程建設中，波導管和無線自由波一般采用的都是2.4 GHz頻段。由于2.4 GHz無線頻段為免費開放頻段，地鐵空間中存在的各種民用無線通信系統、無線WiFi發射機等其他類型的2.4 GHz無線網絡，都會對CBTC無線傳輸系統造成同頻干擾。

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較小的范圍內，通信距離近，因而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會被認定為干擾，且對水平方向或超過60 cm圓柱體的信號衰減很快。波導管雖然采用2.4 GHz頻段，但由于具有上述無線傳輸特性，所以具有很強的抗干擾性能力。波導管的無線帶寬可以達到11～54 Mb/s。不僅可以傳輸車?地控制信息外，而且可以傳輸視頻信號信息等，場強覆蓋均勻且無線帶寬大。反觀其缺陷，波導管由于采用固定支架配合滑動支架安裝方式，所以需要很多螺絲進行固定。由于列車行進引起的震動，這些螺絲易松動，檢修時需對每個螺絲檢查固定，以確保波導管安裝的穩定性。這也產生了巨大的運營維護工作量。

漏泄波導的區域示意圖如圖3所示。漏泄波導通常被安裝在隧道的頂端或鋼軌的兩旁，當地面AP發射出的電磁波沿漏泄波導傳輸時，在漏泄波導內傳輸的電磁波由漏泄波導槽孔輻射到周圍空間，在其外部產生漏泄電場，列車通過車載平板天線（天線與波導管上表面距離約為30～50 cm）獲取信息能量，從而實現與地面的通信。同樣，列車通過天線發出的電磁波，在漏泄波導外部產生漏泄電場，也會耦合到漏泄波導中，實現與控制中心通信。從圖3可以看出，車地通信中斷出現在兩個AP覆蓋區域相接位置，并且與此同時兩個AP間的切換也將這個區域發生（切換通信中斷距離通常在1 m以內）。可見在高架區域應用漏泄波導覆蓋，可以有效提高城市地下軌道交通系統車地通信系統性能。波導管的優勢主要體現在抗干擾能力強，但是由于本身材質的影響，對外界環境的依賴性很大也成為其缺點，并給運營維護造成很大負擔。

2.4 現有接入方式分析/技術指標

2.4.1 現有接入方式

現有主要接入方式（傳輸媒介）及對應地鐵線路、用途、集成廠商見表1。

2.4.2 技術指標

（1）漏泄波導的技術指標

①無線傳輸系統獨立于信號系統并且對應用完全透明；

②采用波導管的無線傳輸，確保車（CC）到地（軌旁子系統）之間端到端的通信；

③提供的信道質量顯著優于無線自由覆蓋解決方案；

④使用802.11a/g標準協議；

⑤使用802.3以太網接口的IP 協議；

⑥漏泄波導管傳輸損耗L2：10 dB。

表2是漏泄波導管主要參數。在2.4～2.5 GHz范圍內，漏泄波導的傳輸損耗為0.02 dB/m。

2.4 GHz頻段漏泄波導管到列車天線的垂直距離為0.5 m，二者之間的耦合損耗實測為65 dB。

（2）漏泄電纜的技術指標

在2.4～2.5 GHz范圍內，1?1/4″漏泄電纜的傳輸損耗高達0.07 dB/m（是漏泄波導的3.5倍），而1?5/8″漏泄電纜的傳輸損耗高達0.06 dB/m（是漏泄波導的3倍）。

2.4 GHz頻段漏泄電纜到列車天線的垂直距離為0.5 m，二者之間的耦合損耗實測為62 dB。

（3）無線傳輸的技術指標

無線傳輸的技術指標主要體現在影響傳輸距離和無線覆蓋方面的參數。

影響傳輸距離的主要參數如下：

工作頻率：2.400～2 483.5 MHz。波導天線增益：8 dB。信噪比：最小15 dB。發射功率：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。最低接收電平：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）。接入點間最大距離：800 m（根據環境條件不同，最大距離在600～800 m之間變化）。列車速度：最大120 km/h。軌旁波導管的衰減：9 dB。AP接入點與波導管間衰減：8 dB。CBTC業務無線鏈接吞吐量：6 Mb/s。

影響無線覆蓋的主要參數如下：

車載天線增益G：8 dB；車載設備發射功率P：≤12 dBm（16 mW）。

3 未來可能的接入方式

從目前及發展看，在軌道交通列車控制系統中應用無線CBTC是大勢所趨。在城市軌道交通建設中，應用無線CBTC系統，必將越來越普及。發展的同時也帶來了新的問題，即在當前的無線環境及今后越來越惡劣的無線電磁環境下，如何保證無線 CBTC系統應用的安全性和可靠性問題，如何保證無線CBTC系統的有效可靠運行，乃是包括無線電管理部門在內的各管理部門、各技術研究單位、各應用單位以及各研發生產廠商，所必須共同面對并精誠努力才能解決的重大問題。

分析論證的結果表明，各種技術應用都有其適用性和局限性，目前2.4 GHz/ISM為公用頻段，不能徹底地避免CBTC被干擾的可能。只有管理和技術相結合，前瞻性地制訂相關的技術標準，才能使得軌道交通列車控制系統的可靠性得到保證，使得國內產業化的進程得以提速。因此，配置專用頻率才是一個能較徹底的解決方法。例如，在法國已經將此方式作為地方政策，在局部地區（巴黎地區），在5.8 GHz頻段配置了一個專用工作頻段專用于無線CBTC系統。這不是以一個地區之力即能解決的問題，而是涉及到國家對頻譜使用的業務劃分。難度雖然很大，但站在地鐵的運行安全的制高點來看，值得關注，值得一試。

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