基于無(wú)線通信的軌道交通CBTC技術(shù)分析

劉茜倩++何晶++陳玉江

摘要：基于通信的列車控制系統(tǒng)CBTC技術(shù)在城市軌道交通中已得到廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)基于無(wú)線通信的列車控制系統(tǒng)的技術(shù)方案，分析了目前CBTC系統(tǒng)車地?zé)o線通信的方式，將WALN和LTE的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例，認(rèn)為L(zhǎng)TE承載CBTC列車控制信息的能力滿足CBTC列車控制系統(tǒng)對(duì)無(wú)線傳輸系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：CBTC；車地?zé)o線通信；WLAN；LTE

中圖分類號(hào)：N972 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）08-0010-02

1 概述

基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）已成軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的主流技術(shù)。系統(tǒng)中列車自身具有測(cè)速定位功能，信號(hào)軌旁設(shè)備通過(guò)車-地雙向通信實(shí)時(shí)地獲取列車位置和速度，并向列車傳送安全間隔信息，能提供更小的列車安全間隔，從而更好地滿足城市大容量高密度的客運(yùn)要求。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外主要信號(hào)系統(tǒng)供貨商都在全面開發(fā)和應(yīng)用CBTC 信號(hào)系統(tǒng)，城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的建設(shè)和改造幾乎都選用了CBTC信號(hào)系統(tǒng)，如紐約、巴黎、倫敦地鐵的信號(hào)系統(tǒng)改造，國(guó)內(nèi)2006年后新建的軌道交通信號(hào)系統(tǒng)也都采用了CBTC信號(hào)系統(tǒng)。

2 車地?zé)o線通信技術(shù)方案

目前，城市軌道交通信號(hào)CBTC車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)主要有WLAN、交叉感應(yīng)環(huán)線、LTE等幾種方式。

2.1 WLAN技術(shù)

基于IEEE802.11的無(wú)線通信系統(tǒng)，也稱無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN），是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。經(jīng)過(guò)多年努力，IEEE 802.11已經(jīng)發(fā)展成為了一系列標(biāo)準(zhǔn)。目前，802.11n的無(wú)線傳輸質(zhì)量及速率得到了大幅提升。在抗干擾性方面，802.11n采用智能天線技術(shù)，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整波束，抗干擾性能強(qiáng)。在兼容性方面，不同廠商的接入和終端設(shè)備都可以實(shí)現(xiàn)互通兼容。

采用WLAN方式時(shí)，軌道沿線布置無(wú)線AP設(shè)備，車站設(shè)置交換機(jī)設(shè)備和控制設(shè)備，列車上安裝天線和車載無(wú)線接入設(shè)備。

2.2 交叉感應(yīng)環(huán)線傳輸方式

交叉感應(yīng)環(huán)線傳輸方式的速率較低，車地間通過(guò)電磁感應(yīng)方式交換信息。軌旁設(shè)備對(duì)所轄區(qū)域內(nèi)的所有列車車載設(shè)備進(jìn)行輪詢，列車車載設(shè)備將列車運(yùn)行信息實(shí)時(shí)傳遞給軌旁設(shè)備，軌旁設(shè)備根據(jù)正線所有列車位置信息，計(jì)算生成列車的運(yùn)行權(quán)限再傳遞給列車。

2.3 LTE技術(shù)

LTE（Long Term Evolution）移動(dòng)通信技術(shù)的目標(biāo)是建立一個(gè)能夠獲得高傳輸速率、低時(shí)延，支持增強(qiáng)型多媒體廣播組播業(yè)務(wù)的可演進(jìn)的無(wú)線接入架構(gòu)。LTE 技術(shù)具備頻譜申請(qǐng)靈活、上下行資源可調(diào)配的特點(diǎn)，可根據(jù)業(yè)務(wù)需要靈活配置上下行業(yè)務(wù)比例。

LTE技術(shù)采用自動(dòng)頻率校正確保高速移動(dòng)場(chǎng)景下的無(wú)線鏈路質(zhì)量，接入速度快，終端從空閑狀態(tài)到激活狀態(tài)延遲時(shí)間小于100ms。同時(shí)采用ICIC技術(shù)有效降低小區(qū)邊緣頻率干擾，提高小區(qū)吞吐率。單小區(qū)覆蓋范圍大，列車終端切換次數(shù)大幅減少，終端掉線率降低。

3 車地?zé)o線通信方案比較

城市軌道交通車地通信的特點(diǎn)是列車為中低速運(yùn)行，對(duì)數(shù)據(jù)通信帶寬要求不高，需頻繁切換無(wú)線接入點(diǎn)、要求抗干擾性及可靠性高。交叉感應(yīng)環(huán)線技術(shù)車地通信傳輸帶寬小，軌旁安裝量大，支持廠家有限，因此不推薦采用。當(dāng)前軌道交通車地?zé)o線主要采用的是IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，其技術(shù)的根源是為慢速移動(dòng)下熱點(diǎn)的覆蓋問(wèn)題，又因了2.4GHz為免執(zhí)照頻段，各類應(yīng)用集中在該頻段范圍內(nèi)，導(dǎo)致無(wú)線干擾問(wèn)題存在。2012年11月，深圳地鐵CBTC系統(tǒng)就因?yàn)槭艿匠丝蛿y帶的移動(dòng)Mi-Fi干擾，多趟列車在運(yùn)行中突然停車。

2015年2月，國(guó)家無(wú)委會(huì)正式批準(zhǔn)了1.8GHz頻段的使用，鼓勵(lì)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-LTE產(chǎn)品應(yīng)用于軌道交通等行業(yè)。WLAN和LTE系統(tǒng)技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)比如表1。

4 LTE組網(wǎng)方案

鑒于城市軌道交通綜合業(yè)務(wù)傳輸和信號(hào)系統(tǒng)高可靠性的需求，城市軌道交通協(xié)會(huì)明確了LTE-M的綜合傳輸和頻段使用的方案為：建立冗余的TD-LTE雙網(wǎng)，并推薦LTE采用漏泄電纜作為傳輸媒介進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。列車上安裝無(wú)線終端，用于連接軌旁無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，軌旁設(shè)備提供沿線無(wú)線接入服務(wù)，同時(shí)接入地面有線網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)CBTC業(yè)務(wù)的雙向數(shù)據(jù)傳輸，如圖1。

5 案例應(yīng)用

在國(guó)家相關(guān)規(guī)定的指導(dǎo)下，武漢地鐵分別聯(lián)合泰雷茲與卡斯柯兩大信號(hào)系統(tǒng)供應(yīng)商進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室TD-LTE技術(shù)論證。2014年10月武漢烽火集成技術(shù)有限公司與上海自儀泰雷茲信號(hào)公司聯(lián)合完成基于TD-LTE技術(shù)的軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的無(wú)線信號(hào)傳輸模型，測(cè)試包括：靜態(tài)測(cè)試、優(yōu)先級(jí)測(cè)試、越區(qū)切換測(cè)試、白噪聲干擾測(cè)試和臨區(qū)干擾測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試得出：基于TD-LTE的軌道交通車地?zé)o線系統(tǒng)具備承載CBTC車地通信的能力。2015年10月烽火集成完成與卡斯柯的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試工作，測(cè)試地點(diǎn)選擇武漢4號(hào)線孟家鋪至玉龍路段，測(cè)試包括，場(chǎng)強(qiáng)，丟包率，延時(shí)，切換，切換成功率和LTE設(shè)備穩(wěn)定性，結(jié)果表明TD-LTE解決方案可以滿足CBTC車地?zé)o線業(yè)務(wù)的需求。

經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，動(dòng)態(tài)測(cè)試，及與卡斯柯信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)際控車測(cè)試，基于LTE技術(shù)的軌道交通CBTC各項(xiàng)功能和技術(shù)要求滿足實(shí)際應(yīng)用需求，該技術(shù)已在武漢軌道交通6號(hào)線一期工程中實(shí)際應(yīng)用。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，LTE技術(shù)以其領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)正向軌道交通行業(yè)走來(lái)，截至目前，鄭州地鐵和武漢地鐵均已建設(shè)完成并投入運(yùn)營(yíng)，隨著技術(shù)的不斷完善和實(shí)際應(yīng)用，基于LTE技術(shù)的軌道交通CBTC技術(shù)將得到大力推廣及發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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