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地鐵CBTC無線通信技術分(fēn)析

來源：地鐵的真相 e車(chē)網軌道交通資(zī)訊

（原标題：幹貨！地鐵CBTC系統——無線通信技術淺析）

上次說到，目前從寬帶技術的角度出發，GSM-R、WLAN、漏洩同軸電纜、裂縫波導管、WiMax等技術都可以提供CBTC系統中(zhōng)相應的無線數據傳輸服務，但是都各有優劣。具體(tǐ)如下(xià)：

1 基于GSM-R技術

GSM-R是在公網GSM技術基礎上融合了調度通信功能的專門用于鐵路無線通信的數字集通信系統，是專爲鐵路系統開(kāi)發的數字式的無線通信系統。其主要提供無線列調、編組調車(chē)通信、區段養護維修作業通信、應急通信、隧道通信等語音通信功能，可爲列車(chē)自動控制與檢測信息提供數據傳輸通道，并可提供列車(chē)自動尋址和旅客服務。GSM-R目前在全世界的鐵路系統中(zhōng)都有非常廣泛的成熟的應用，在我(wǒ)(wǒ)國已經作爲鐵路系統的首選，包括300KM以上的高鐵。我(wǒ)(wǒ)國使用的頻(pín)段爲上行885-889MHz，下(xià)行930-934MHz，爲鐵道系統和中(zhōng)國移動公用，但在鐵路2-6公裏範圍内爲鐵路系統專屬頻(pín)段。

基于GSM-R目前的技術，最大(dà)理論速率是115kbps，可以支持大(dà)于500km/h的漫遊切換，且安全性高，整個産業鏈也很成熟。但如果應用于地鐵系統，它僅能提供CBTC現在的功能需求，無法滿足統一(yī)車(chē)地無線通信的業務需求，即使不考慮以後的擴展性，也要基于現在的CDMA1X及GPRS二種技術進行功能改造，以支持多信道捆綁以達到帶寬要求，另外(wài)在我(wǒ)(wǒ)國頻(pín)段的申請問題也是其沒能在城市軌道交通中(zhōng)使用的主要原因。深圳地鐵二号線在設計初期曾考慮采用此技術，但因爲GSM-R應用于行車(chē)間隔短，車(chē)流密度大(dà)的城市軌道交通的實例和經驗較少，需要做大(dà)量的實驗和驗證工(gōng)作，考慮到工(gōng)期等因素，最終放(fàng)棄此技術。

2 基于無線電台的WLAN技術

采用無線電台實現WLAN技術，體(tǐ)積較小(xiǎo), 安裝比較靈活, 受其他因素影響小(xiǎo)，使用開(kāi)放(fàng)的IEEE802.11标準，廣泛采用2.4G的ISM頻(pín)段。可根據現場條件和無線場強覆蓋需要進行設計和安裝, 且安裝和維護容易，但無線電台在隧道内傳輸受彎道和坡道影響較大(dà)，同時隧道内的反射比較嚴重，需要考慮多徑幹擾等問題。無線電台的傳輸距離(lí)小(xiǎo), 爲了保證在一(yī)個無線接入點( AP, AccessPoint ) 故障時, 通信不中(zhōng)斷，提供通信的可靠性, 以及考慮到高速下(xià)的無縫切換，往往需要在同一(yī)個地點設置雙網覆蓋,這要求進一(yī)步縮短AP 布置間距。大(dà)量的高密度的AP點的部署，導緻了列車(chē)在各個AP 之間的漫遊和切換特别頻(pín)繁, 大(dà)大(dà)降低了無線傳輸的連續性和可靠性. 同時相應的電纜使用量很大(dà)。

3 基于漏洩同軸電纜技術

洩漏同軸電纜LCX( Leaky Coaxial Cable) 是在同軸電纜外(wài)導體(tǐ)上開(kāi)有一(yī)定形狀和間距的糟，使電磁場的能量集中(zhōng)在同軸電纜的内外(wài)導線之間，部分(fēn)能量可以從同軸電纜中(zhōng)的槽孔洩漏到空間中(zhōng), 并和附近的移動電台天線耦合構成無線通道。同軸電纜外(wài)導體(tǐ)上開(kāi)的槽可以有許多形狀，各種形狀在傳輸損耗和耦合損耗方面各不相同。使用洩漏同軸電纜的通信方式是比較簡明的，兩條LCX 交叉環線分(fēn)别負責上行及下(xià)行的車(chē)輛通信，車(chē)上天線和LCX 之間的距離(lí)很近，LCX 還連接着基地台，通過洩漏同軸，各種安全調度信息和語音信息可以在地面和車(chē)輛之間雙向傳遞。由于電磁波在同軸電纜交叉環線内傳播，場分(fēn)布穩定, 輻射性能可以由槽的形狀位置控制、傳輸速率高、節省頻(pín)率資(zī)源、受環境影響很小(xiǎo)，因而對地形的适應性強，在數字化、大(dà)容量的移動車(chē)輛通信方面有獨特的優勢。

洩漏同軸電纜上的開(kāi)槽有着嚴格的尺寸要求,而且它的收發、中(zhōng)繼設備比較複雜(zá)，用它來組成通信無線傳輸媒介采用的是基于2. 4 GHz 的ISM頻(pín)帶漏洩同軸電纜，漏纜的傳輸特性和衰減性能較好，傳輸距離(lí)較遠，最大(dà)傳輸距離(lí)達到600 m，且沿線無線場強覆蓋均勻，呈現良好的方向性分(fēn)布，抗幹擾能力較強，适合于狹長的地下(xià)隧道内使用，減少列車(chē)在各個AP 之間的漫遊和切換，提高了無線傳輸的連續性和可靠性。另外(wài)，漏洩同軸電纜的安裝要求不是很高，可以根據現場條件安裝隧道側牆( 僅适用于全地下(xià)線路)，或隧道頂部（僅适用于全地下(xià)線路，且三軌供電）。漏洩信道，初期投入很高，這是它的不足之處。同軸電纜對于地面和高架線路安裝比較困難，且美觀效果較差。因漏洩同軸電纜的安裝位置較高，不會影響一(yī)般軌旁維護工(gōng)作，其自身安裝調試完成後維護工(gōng)作量很小(xiǎo)。并且漏纜分(fēn)布系統對解決GSM-R 系統在隧道等弱場強區段的覆蓋是一(yī)種非常重要的手段。

4 基于裂縫波導管技術

裂縫波導管采用的是一(yī)種長方形鋁合金材料,在其表面每隔一(yī)段距離(lí)( 約6 cm) 刻有一(yī)條2 mm寬3 cm 長裂縫，能夠讓無線電波從此裂縫中(zhōng)漏洩出來，因其波導管物(wù)理特性和衰減性能很好，傳輸距離(lí)較遠，理論最大(dà)傳輸距離(lí)可達到1600 m, 且沿線無線場強覆蓋均勻，呈現良好的方向性分(fēn)布，抗幹擾能力較強。其具有漏洩同軸電纜的優點，适合于狹長的地下(xià)隧道内使用，且傳輸距離(lí)要優于漏洩同軸電纜，減少列車(chē)在各個AP 之間的漫遊和切換，大(dà)大(dà)提高了無線傳輸的連續性和可靠性。目前采用裂縫波導管進行無線傳輸的信号系統供貨商(shāng)隻有法國阿爾斯通公司, 其已經在2002 年開(kāi)通的新加坡東北(běi)線中(zhōng)得到成功應用。

裂縫波導管的安裝要求較高，安裝位置受到現場制約，其與列車(chē)車(chē)載天線的安裝位置要求對應，故其安裝精度要求也比較高，裂縫波導管可以根據現場條件安裝在隧道底部鋼軌旁（适用于地下(xià)、地面、高架或混合線路均可），或隧道側牆（僅适用于全地下(xià)線路），或隧道頂部（僅适用于全地下(xià)線路，且三軌供電）。另外(wài)，對于波導管内部和表面的維護量較大(dà)，要防止沙塵侵入和污物(wù)覆蓋等。

5 基于TETRA的多基站+直放(fàng)站+中(zhōng)繼器制+漏洩光纜技術

TETRA數字集群系統除了包括一(yī)些控制中(zhōng)心設備、調度台設備外(wài)，本身還有一(yī)整套無線覆蓋設備，包括集群基站、光纖直放(fàng)站、終端設備、電纜及其附件和天線等，可以完成CBTC系統所需要的無線數據通信，其無線通信系統的組成決定了其本質是WLAN和漏洩光纜的結合式組網，目前這種結合式組網在在基于TETRA數字集群系統中(zhōng)有廣泛的，成熟的應用。國内外(wài)大(dà)部分(fēn)地鐵采用此種方案。TETRA無線覆蓋系統分(fēn)爲多基站小(xiǎo)區制、多基站中(zhōng)區制（光纖直放(fàng)站）和多基站（射頻(pín)直放(fàng)站）三種，多基站中(zhōng)區制由于其容量、可靠性、可維護性及傳輸時延上的缺陷已經無法适應現代地鐵的發展需求，所以目前新建的地鐵系統主要采用多基站小(xiǎo)區制覆蓋方案，該無線覆蓋方案通過在控制中(zhōng)心設置集群交換機和調度台，在地鐵沿線各基站、車(chē)輛段設置集群基站，在車(chē)輛段設車(chē)輛段調度台。交換控制設備與基站之間通過有線傳輸通道連接，地鐵沿線架設中(zhōng)繼器和漏洩同軸電纜實現車(chē)站站台及隧道内的場強覆蓋；各地下(xià)站站廳用小(xiǎo)天線覆蓋。各基站均采用2載頻(pín)基站共8個信道。

6 基于WiMax技術

WiMax的全名是微波存取全球互操作，是建立在IEEE802.16無線城域網标準基礎上的無線數字通信技術，支持點對點或點對多點的網絡結構，全球使用的頻(pín)段集中(zhōng)在2.5G和3.5G，部分(fēn)設備上也支持免申請的頻(pín)段。理論上能提供70Mkbps的速率，目前主要使用的标準是IEEE802.16e，WiMax架構相對比較複雜(zá)，且目前存在很多問題。

·      協議不完善，尤其是核心網方面的标準仍在制定和完善中(zhōng)。

·      目前基于IEEE802.16e标準下(xià)的WiMax無法支持高速移動下(xià)的切換問題，目前主要應用還是遊牧式的。

·      技術開(kāi)展緩慢(màn)，諸多特性發展停止不前。

·      抗幹擾能力一(yī)般。

·      語音隻能采用VOIP實現，且目前沒有大(dà)量應用。

·      主流運營商(shāng)、通信設備廠商(shāng)及芯片商(shāng)不支持，雖然已經發展多年，但整個産業鏈不成熟，相關的配套産品匮乏。

·      目前尚未通過中(zhōng)國通信标準委員(yuán)會審定，政府也沒有對齊進行頻(pín)率分(fēn)配，在全球也沒有固定的頻(pín)段。

·      在全球列車(chē)控制信号系統中(zhōng)沒有應用的經驗。

WiMax作爲一(yī)種從固網發展起來的無線寬帶技術，從一(yī)開(kāi)始就未能得到全球主流運營商(shāng)的關注，包括頻(pín)譜一(yī)直沒有統一(yī)。而且主流芯片廠商(shāng)和全球的各大(dà)運營商(shāng)支持力度也不夠，再加上與LTE主要關鍵技術重合（全球大(dà)的運營商(shāng)和設備商(shāng)主要關注LTE），這些都導緻WiMax沒有大(dà)規模商(shāng)用，整個産業鏈也始終不成熟。再結合本身協議和技術上的缺陷，使得選擇WiMax技術進行類車(chē)信号控制信存在很大(dà)風險。因此WiMax最好應用在提供寬帶的上網或者視頻(pín)業務（可以使用在列車(chē)上的PIS系統中(zhōng)），不适合應用在地鐵控制系統中(zhōng)。（注：本文内容轉載至網絡）

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