列車信號系統與無線局域網絡通信融合技術研究

胡強

引言：本文通過介紹無線局域網絡技術特點、與傳統列車信號系統融合必要性，以及技術選擇方案進行了闡述，通過比較給出了可行方案與發展建議。

一、概述

隨著無線通信技術的發展，無線局域網（WLAN）技術和設備得到越來越多應用。現有無線局域網采用IEEE 802.11系列標準，其中2.4G是一個開放的ISM（企業、科學和醫療）頻點，只要其無線接入點（AP）的發射功率及帶外輻射滿足無線電管理機構的要求，則無需提出專門的申請就可使用此ISM頻段；而5.8G的頻點需要向國家無線電管理委員會申請有償使用，且大部分城市均只向具有基礎電信運營商資質企業發布使用許可，不針對其它企業用戶審批。

二、系統傳輸需求分析

（一）信號系統傳輸需求分析

目前，國內新建或改造的城市軌道交通項目大都采用基于通信的移動閉塞列車控制系統（CBTC），CBTC系統需要對每列在線運營列車實時運行進行監控，因此，就必須建立地面軌旁與列車的實時通信系統，而無線局域網（WLAN）技術的出現正好為此提供了一個良好的平臺。

通常情況下，地面設備對列車傳輸的信息包括：線路特征信息（位置、坡道及曲線）、前方許可的移動授權（目標距離）、限速信息和目標速度等；列車對地面設備傳輸的信息包括：列車目的地碼、車次號、本列車的定位信息及本列車的速度信息等。這些信息都是數字信息，信息編碼長度較短，車一地傳輸的數據包長度一般不超過1000bits。信號系統供貨商選擇40～100Kbps的凈傳輸速率作為其系統必須保證的最低傳輸速率。

另外，因信號系統直接控制列車的速度和移動授權，屬于安全控制系統，任何干擾或非法侵入都將影響系統的安全性、可靠性和可用性，直接影響整個地鐵的安全運營，因此，信號系統對數據傳輸的安全性、可靠性和實時性要求級別很高。

（二）PIS系統傳輸需求分析

乘客信息系統（PIS）是城市軌道交通項目中一個新出現的專業和系統。一方面能夠提高城市軌道交通項目對乘客的服務水平，另一方面可以為城市軌道交通業主提供一個經營平臺，具有較好的開發前景。

PIS系統的構成方案很多，有錄播和實時兩種基本形式，在通常情況下采用實時播放。地面設備對列車傳輸的信息包括：數字圖像資訊信息、列車的緊急疏散信息、列車的預告信息等。列車對地面設備傳輸的信息包括：列車車廂內的視頻監控圖像信息、車輛運行狀態信息（根據需要）等。這些信息基本上都是圖像信息，如果傳輸的圖像采用MPEG-2的編碼方式，廣播級的圖像傳輸速率要求一般4～8Mbps；采用MPEG-4的編碼方式，廣播級的圖像傳輸速率要求一般在1Mbps左右。按照PIS系統一般的傳輸要求：地對車采用MPEG-2傳輸1幅圖像，車對地采用MPEG-4傳輸2幅圖像，因此，對于一列列車而言需要6～10Mbps的凈傳輸速率才能滿足要求。車一地雙向傳輸均采用MPEG-4圖像編碼方式時，則需要2～4Mbps左右的傳輸速率。

PIS系統為非安全系統，其傳輸數據的安全等級不是很高，即使信息完全中斷也不會影響地鐵系統的正常運營。

三、一體化建議方案及分析

IEEE 802.1X系列標準采用通用的信道編號，每個信道的中心頻率和頻帶隔離是完全一致的（除FHSS外），只是信號調制方式不同。

根據通信傳輸需求分析，信號系統傳輸數據少，但安全等級高，適用的無線通信標準可以是IEEE 802.11、IEEE 802.11b和IEEE 802.11g；PIS系統傳輸數據量大，但安全等級較低，在采用MPEG-2的圖像編碼方式時必須選擇IEEE 802.11g標準，在采用MPEG-4的圖像編碼方式時，可以選擇IEEE 802.11b或IEEE 802.11g標準。

信號供貨商提供的解決方案存在很大的差異，信號系統供貨商提供的CBTC的數字傳輸DCS解決方案如表1所示。

為了保證信號系統無線通信的可靠性，通常信號系統供貨商都會采取雙網絡覆蓋的方式，提高系統成功進行車地通信的概率，并提高系統在故障情況下的恢復能力，但在一定程度上也占用了更多的頻點資源。

信號系統與PIS系統采用頻點避讓的方式減少干擾，由信號供貨商來統一頻點規劃和設計，使信號系統盡量在兩個獨立的隔離信道內解決傳輸問題，而將第三個獨立的隔離信道作為PIS系統的車地傳輸通道，通過部分供貨商提供的廣州地鐵試驗結果分析，具有一定的可行性，但需要解決列車越區時的同頻干擾和切換問題。

共建方式可以分為兩種：一種為通過頻點隔離措施分離信號系統與PIS系統的傳輸頻率，是一個較為理想的共建方式，在物理上可以認為是分開的，這兩個系統之間不會產生干擾和接口，便于共建和實施，且信號系統與PIS系統可以采用不同的傳輸標準，PIS系統必須采用IEEE 802.11g標準，而信號系統則可以采用IEEE 802.11b或IEEE 802.11g，另一種為PIS系統采用補空（即PIS系統利用信號系統的備用通道）的方式進行共建，在理論上是可行的， 但信號系統與PIS系統將深度融合，形成比較復雜接口，對于以后的運營、維護和管理提出很高的要求，且信號系統供貨商在必要的時候，會以犧牲PIS的速率和帶寬來優先保證信號系統的無線傳輸需求，在一定程度上會損壞PIS的利益，使PIS系統的傳輸可靠性可能得不到保障。因此，前一種共建方式是較為合理和可行的共建方案。

從傳輸媒介上分析，如果采用無線電臺方式傳輸，其傳輸距離很短，因此越區切換次數較多，且頻率很快，對列車無縫漫游提出很高的要求。如果采用漏纜或裂縫波導管方式傳輸，則會有效降低越區切換次數和頻率，為保證可靠傳輸提供良好的媒介。

結束語

從理論上分析，一體化建議應該是可行的，但還面臨著很多問題，如系統供貨商需要修改無線傳輸部分的設計，且需要進行相關的試驗，以驗證方案的可行性等。因此，作者希望本文能起到拋磚引玉的作用，引起更多同行對此問題進行研究和討論，以期提出更好的解決方案。值得注意的是，信號系統與PIS系統一體化共建無線局域網的方案是為了特定解決兩個系統的沖突而提出的，而該方案肯定會在一定程度上降低各自系統的性能，因此需要得到各自系統供貨商的承諾和保證 以避免在以后的設計過程中出現問題，影響系統的性能和指標。

參考文獻

[1]徐杲，黎江.，無線傳輸系統在列車運行自動控制中的應用與發展[J].鐵道勘測與設計，2006，10.

[2]薛倉.基于WLAN的車站接發列車信息管理系統的設計與實現[D].西南交通大學，2011，5.

（作者單位：北京鐵路局天津電務段）