38 GHz無線電系統在磁浮交通中的應用

盛雄偉

(上海磁浮交通發展有限公司，201204，上?！胃呒壒こ處?

1 系統概述

在上海磁浮示范運營線上，運行控制系統(OCS)是整個磁浮交通系統的核心技術之一。無線電系統作為運行控制系統的一部分，提供了車載運行控制系統(VSC)設備和固定OCS設備之間的雙向數據連接。其主要功能為實現操作控制數據、牽引系統數據、診斷數據、旅客信息系統數據的交換，以及磁浮車輛和控制中心之間的語音通信(見圖1)。

圖1 無線電(38 GHz)主要功能示意圖

用于這一傳輸的38 GHz頻帶工作的毫米波無線電收/發機安裝在沿線上和車輛的兩端。該無線電系統在速度超過500 km/h的車輛上使用時效果最佳。

2 毫米波的特點

通常按電磁頻譜，將30～300 GHz范圍(波長為1～10 mm級)內的電磁波稱為毫米波。毫米波屬于微波范圍。微波是指波長為1 m～1 mm的電磁波。可見毫米波位于微波的高端，其上限與亞毫米波毗鄰且靠近光波。上海磁浮示范運營線中用的就是38 GHz的毫米波。

毫米波介于微波與紅外之間，具有特有的大氣傳輸特性、可利用頻帶寬及天線波束窄等三大特點，在武器的精確制導、目標識別和檢測、雷達、通信等領域廣泛應用。

2.1 可利用頻帶寬

按30～300 GHz這一范圍計算，整個毫米波帶寬高達270 GHz，是短波頻段的10 000倍，是厘米波總帶寬的10倍。實際上，考慮到大氣的影響，通常選用大氣吸收峰以外的“窗口”。因此，常用的毫米波頻譜資源十分豐富，可滿足信息時代人們對高速數據、寬帶圖像業務等大容量信息傳輸處理的需要。例如，利用35 GHz附近的“大氣窗口”，可傳送3 000路符合MPEG－2標準的彩色廣播電視信號，或250 000路雙向ADPCM(自適應差分脈碼調制)數字電話。如再加上空分技術、正交極化技術等頻率費用技術，則其同時支持的通信容量還要大得多。

2.2 天線的波束寬度窄

孔徑天線或列陣天線的波束寬度都是與天線直徑及工作頻率成反比的。毫米波天線具有較高的角分辨率。毫米波與光波在頻譜表上相距甚近，因而具有類似于光波的特性，非常有利于射頻設備的小(微)型化，并可獲得強方向性。眾所周知，光波可以通過尺寸甚小的透鏡、拋物面發射鏡的聚合作用，形成很強的定向照射;毫米波也具有類似光波的特性，利用幾何光學原理，構成各種天線，毫米波也可以形成很強的定向輻射。正是因為通信天線方向性很強，因此毫米波通信系統抗干擾、抗截獲能力很強。通常太陽黑子的活動會影響衛星微波通信，因為其激烈的變化嚴重影響電離層。因此，微波通過電離層時，信號將發生大的改變。而磁浮無線電系統是地面點對點通信，因此受這類的自然現象影響較小。

3 無線電系統的結構

無線電系統由中央無線控制單元(CRCU)、分區無線控制單元(DRCU)、無線電基站(RBS)和車載無線電子系統等幾部分組成。CRCU位于控制中心，是控制中心和列車之間利用無線網絡進行旅客信息和診斷數據傳輸以及語音通訊的接口。這些非控制信息通過CRCU處理后，經過DRCU與車載無線控制單元(MRCU)傳輸至車輛。參見圖2。

圖2 無線電(38 GHz)結構圖

3.1 CRCU

CRCU位于控制中心。它是控制中心和車輛之間利用平行于線路的無線網絡，進行旅客信息和診斷數據傳輸以及語音通訊的接口。無線電系統為話音通信提供了1個標準的E1接口，借以連接到1個電信交換機。車輛與車輛之間不提供直接聯系。此外CRCU收集無線電系統的診斷數據，并向運行控制系統(OCS)中央在線診斷(DTS)提供最高層的錯誤信息。同時，詳細的錯誤信息顯示在以LRU(線路可替換單元)為基礎的CRCU監視器上。另外，在CRCU計算機上可以對無線電系統進行配置，如基站工作范圍、IP地址等。

3.2 DRCU

DRCU位于2個牽引變電所的運行控制系統機房內，每個DRCU最多可連接2個分區運行控制系統，并可在1個或多個軌道組成的特定線路區段內控制無線電傳輸。它與車載無線電設備共同完成車地數據傳輸，通過其自己的光纖網絡對RBS收集數據，控制連接的基站。

DRCU由1個冗余的控制器系統組成。它控制RBS連接，即僅觸發列車所在的1個RBS建立與列車的連接。診斷信息通過廣域網(WAN)從各個DRCU發送到CRCU。此外，通過固定的數據傳輸，它也傳送CRCU需要的無線電系統內部數據。

3.3 RBS

RBS由無線電桿、帶供電的連接箱、基站控制器、基站組合天線、基站收發器等組成。連接箱安裝在無線電桿的下端，需要提供AC 230 V電源的連接，以及OFN(光纖網絡)的連接。此外，由主電源變換到低壓電源提供給基站控制器和無線電收發器。基站控制器位于連接箱內，是光纖與基站收發器的接El?；臼瞻l器負責信號的發送和接收。

當該RBS沒有激活時，就作為光纖信號的中繼器(提供光電轉換)，將信號傳送到下一個RBS?；窘M合天線包含4根天線。兩根天線是作為兩個相反方向的發送和接收用;另外兩根天線(一個方向一根)是接收天線，是附加的接收通道以獲得空間分集。每對天線(一個方向)能夠單獨調整以沿軌道方向獲得最佳的無線電波束。使用兩種工廠預制的天線類型，一種設計成用于彎道使用的寬輻射角度類型，另外一種設計成用于長直線運行的窄輻射角度類型以獲得較高的增益。

在故障時毫米波天線收發器能夠容易地從組合天線中進行拆裝，不需要進行重新調整天線或者對頻率和基站編號進行調整。它提供了38 G載頻的生成和調制。在每個方向的輸出功率可達約50 MW。使用連續相頻移鍵控制作為調制方案，它對于多普勒頻移和頻率公差不敏感。在天線收發器實現4個信道接收，用于空間分集接收(兩個天線垂直分離)和從2個移動基站天線收發器接收的位置分集。

DRCU控制一組RBS，基站沿線路安裝并滿足軌道上的每個點必須能夠目視到相鄰的兩個RBS，這也是毫米波無線電通信的前提條件。為了增加可靠性，A通道的RBS與B通道的RBS是交替設置，信號的輻射由雙向的天線會聚，沿軌道發射。一個RBS能夠供應一個或多個軌道。

RBS的設置應在不良天氣時也能獲得要求的接收場強，在沿線的位置應考慮邊界條件，比如軌道的垂直輪廓、線路的曲率、車站和維修基地的建筑條、OCS分區區段的變化、以及無線電波的地理條件限制等。通常，RBS的間距為0.3～1.1 km，使用頻率為 37.1 ～38.5 GHz，輸出功率約 0.05 W。RBS位置的確定是為了在沿線各點，至少是兩站之間可以建立無線聯絡，這就保證了車輛被無線電100%的覆蓋。

3.4 車載無線電子系統

車載無線電子系統包括整流罩、組合天線、MRCU。整流罩是車載無線電子系統的可見部分，位于車輛兩端頂部。它們是考慮在500 km/h速度下工作時應具有航空動力學上的低阻抗、低噪聲發送和堅固的要求而設計的。當然，在毫米波頻率的低插入損失是關鍵性的設計制造目標之一。組合天線位于整流罩的正下方，提供4根天線(仍然是為了空間分集和反方向的接收)。移動式天線設計成中等的方位發射角，因為它們必須在軌道的曲線和直線路段都能得到最佳的工作效果。數據和控制信號通過RS422接口連接到車載無線電控制單元。車載無線電控制單元控制著無線電系統的移動部分，提供移動用戶的各種接口。

4 無線電系統的特點

運行控制系統是保證磁浮列車安全、可靠、準點運行的核心子系統。地面與列車間的控制信息能完整無誤的傳輸，是確保運行控制系統正常工作的關鍵。因此，磁浮無線系統被設計成高冗余高可靠的結構。

4.1 設備冗余

整個無線系統由兩個完全相同的子系統組成，稱為通道A與通道B。兩個子系統同時工作，由各自的控制單元控制地面和車載收發器進行車一地數據交換。每個子系統使用各自獨立的頻段。

4.2 通道冗余

每個子系統在傳輸本身通道信息的同時，通過信息的交換，也傳輸另一通道內的信息，然后在接收端對數據進行重新分配，由相應的通道進行處理。這樣就大大提高了數據傳輸的完整性。例如通道A在傳輸本身A信息的前提下，還傳輸通道B的B信息;在接收端通道A不對B信息進行處理，而是直接將B信息傳輸至接收端通道B。

4.3 分集技術

分集技術利用多條路徑傳輸相同信息，且各路徑具有近似相等的平均信號強度和相互獨立的衰落特性，并在接收端對這些信號進行適當的合并，以便大大降低多徑衰落的影響，從而改善傳輸的可靠性。磁浮線使用了2種分集方法:一種是地點分集，即一列車上有兩處位置相距較遠的天線;另一種是空間分集，即每個無線電收發器上有兩個垂直位置相距10 cm左右的天線。這些不同位置的天線構成不同的分集技術。38 G無線系統的收發器具有一個發射頻率、兩個接收頻率。

5 結語

上海磁浮示范運營線無線電通信系統是一個線性無線電網絡，為安全的數據通信、語音傳輸及乘客的信息聯絡而在車輛與地面的運行控制系統設備之間的傳輸提供雙向的數據連接。

用于無線電傳輸的38 GHz頻帶工作的毫米波，在速度超過500 km/h的車輛上使用時效最佳。因此，深入了解和研究無線電系統原理、組成和特點，不但有利于磁浮長大工程的設計工作，也可以應用于其它不斷發展的各種高速交通工具。

［1］吳祥明.磁浮列車［M］.上海:上?？茖W技術出版社，2003.

［2］Tabbane S.Handbook of Mobile Radio Network［M］.Boston:Arteeh House，Ine.，2000.