面向城市軌道交通列車控制系統(tǒng)的車車通信技術(shù)探討

朱 力，唐 濤，龔泰源，梁 豪，趙紅禮，蔣海林，李宗平

（1.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044；2.交控科技股份有限公司，北京 100070）

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的推進，軌道交通已成為現(xiàn)代都市不可或缺的公共交通方式。其中，基于通信的列車運行控制系統(tǒng)(communication-based train control，CBTC)在城市軌道交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。CBTC 系統(tǒng)中常使用無線局域網(wǎng)(wireless local area network，WLAN)技術(shù)實現(xiàn)列車與地面的通信，使用802.11 標(biāo)準(zhǔn)在2.4 GHz 頻段傳輸數(shù)據(jù)。然而，隨著全自動運行和智慧地鐵的興起，WLAN 技術(shù)面臨著速度低、覆蓋范圍有限、鏈路設(shè)計復(fù)雜、無線干擾頻發(fā)和資源調(diào)度低效等問題，無法滿足安全性和服務(wù)質(zhì)量的要求。此外，CBTC 的系統(tǒng)架構(gòu)也備受關(guān)注，設(shè)備數(shù)量繁多、結(jié)構(gòu)繁雜，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和維護成本。同時，列車間缺乏直接通信鏈路，依賴軌旁設(shè)備傳輸核心數(shù)據(jù)，導(dǎo)致額外的系統(tǒng)延遲和潛在故障風(fēng)險。

相比于WLAN 技術(shù)，長期演進(long term evolution，LTE)系統(tǒng)具備更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更低的系統(tǒng)延遲。國際鐵路聯(lián)盟早在2010 年之前就指出，LTE 網(wǎng)絡(luò)可以成為未來鐵路無線通信的媒介。其中，設(shè)備到設(shè)備(device-to-device，D2D)通信技術(shù)是一種直接通信技術(shù)，可以讓設(shè)備之間直接通信，建立和通信資源調(diào)度由基站集中控制。這為城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展提供了車車通信的可能性。因此，研究人員提出將車車(train-to-train，T2T)通信融入CBTC 系統(tǒng)中，以進一步提高列車的安全性。早在2007 年，Garcia 等研究了列車避障系統(tǒng)，實現(xiàn)了T2T 通信，大大降低了列車相撞的風(fēng)險[1]。文獻[2]對D2D 技術(shù)在城市軌道交通無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了分析，并提出了一種基于D2D 的列車運行控制系統(tǒng)，旨在減少地面設(shè)備實現(xiàn)列車間通信，縮短系統(tǒng)反應(yīng)時間和減少設(shè)備接口數(shù)量?；诜▏餇? 號線的CBTC 系統(tǒng)模型，文獻[3]提出了一種新型CBTC 系統(tǒng)，實現(xiàn)列車間直接通信。文獻[4]將T2T 通信引入高速鐵路和城市軌道交通的下一代通信方案中。

在我國地鐵領(lǐng)域，基于車車通信的列控系統(tǒng)已有相關(guān)研究。例如，交控科技提出的基于車車通信的列車控制系統(tǒng)(vehicle-to-vehicle communication based train control system，VBTC)通過通信資源的按需分配和列車運行的協(xié)同控制，實現(xiàn)了列車自主運行控制[5]，上海富欣智控與青島四方車輛研究所共同研發(fā)的基于車車通信的列車自主運行系統(tǒng)(train autonomous circumambulate system，TACS)已在青島地鐵6 號線成功上線調(diào)試[6]。以車車通信為核心的列控系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)CBTC 系統(tǒng)僅以地面設(shè)備為中心的列車操縱方法，調(diào)整了系統(tǒng)架構(gòu)并加強了系統(tǒng)功能，推動了地鐵全自動運行技術(shù)向基于車車通信的自主運行方向的發(fā)展。

基于車車通信的列車運行控制技術(shù)不僅提供了安全可靠的通信鏈路，滿足了CBTC 系統(tǒng)對安全性和可靠性的要求，同時提供了更高效、多樣化和經(jīng)濟的技術(shù)方案。因此，本文深入探討了基于車車通信技術(shù)的列車運行控制系統(tǒng)。首先介紹了系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，然后綜述了當(dāng)前主流的基于邏輯點對點和物理點對點的車車通信技術(shù)，最后結(jié)合城市軌道交通車車通信的典型運行場景進行了傳輸距離的計算與分析，并基于列車運行安全和通信質(zhì)量給出了車車通信模式選擇的建議。希望本文的研究可為城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)中的車車通信系統(tǒng)設(shè)計和技術(shù)應(yīng)用提供參考和理論依據(jù)。

1 基于車車通信的列車運行控制系統(tǒng)基本原理

基于車車通信的列車運行控制系統(tǒng)(簡稱“列控系統(tǒng)”)是一種先進的列車運行系統(tǒng)，以具備車車通信能力的列車為核心，并通過列車控制系統(tǒng)與車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等高度融合，實現(xiàn)列車主動進路、自主防護、自主運行等技術(shù)功能。相較于傳統(tǒng)CBTC 系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅具有更高的安全性、可靠性和運營效率，而且建設(shè)和運營成本更低?；谲囓囃ㄐ诺牧熊囘\行控制系統(tǒng)的推廣，實現(xiàn)了列車控制從集中控制到分布式控制、從列車自動運行到自主運行技術(shù)的轉(zhuǎn)變，是未來列控系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。

基于車車通信的列控系統(tǒng)以列車自主運行計算為中樞，選用了扁平化的系統(tǒng)框架，在保障傳統(tǒng)CBTC運行安全性的條件下，將軌旁聯(lián)鎖設(shè)備(computer interlocking，CI)和區(qū)域控制設(shè)備(zone controller，ZC)的職責(zé)下沉至列車設(shè)備上，并通過車車通信實現(xiàn)列車主動進路和自主防護等功能。該系統(tǒng)框架化簡了軌旁設(shè)備設(shè)置，優(yōu)化了各子系統(tǒng)間接口設(shè)計，縮減了系統(tǒng)復(fù)雜度和維護成本，同時提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性，有力地降低了建設(shè)和運營維護的投入。如圖1所示，基于車車通信的列控系統(tǒng)架構(gòu)主要分為4 個部分：列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(automatic train supervision，ATS)中心、地面對象控制器(object controller，OC)、車載控制器(on-board controller，OBC)以及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(data communication system，DCS)。

圖1 基于車車通信的列車運行控制系統(tǒng)架構(gòu)Figure 1 Architecture of train operation control system based on train-to-train communication

基于車車通信的列控系統(tǒng)具體的控制流程包括：列車從中央ATS獲取預(yù)先編排好的時刻表運行圖或?qū)崟r人工進路；OC 及時記錄列車信息和道岔進路等資源占用情況，并向列車反饋執(zhí)行列車控制命令；當(dāng)列車在正線行駛時，OBC 直接向鄰車通信以獲取位置，獲得鄰車區(qū)段資源占用和釋放信息，向鄰車申請資源占用，同時向OC 報告登記位置和查詢道岔區(qū)段等實體資源的占用情況；根據(jù)自主計算的進路，列車通過車載控制單元、牽引控制單元和制動控制單元計算列車運行曲線，并進行精準(zhǔn)控制；OC 監(jiān)測和控制實體資源狀態(tài)，同時接收來自控制中心下達的臨時操作命令[7]。

基于車車通信技術(shù)的列控系統(tǒng)顛覆了傳統(tǒng)區(qū)域控制器集中式的列車運行控制方式，通過車車通信技術(shù)直接進行信息傳輸實現(xiàn)列車運行控制，并在傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)基礎(chǔ)上重新分配系統(tǒng)功能，強調(diào)列車依靠自身感知手段來實現(xiàn)列車安全和高效的運行控制。借助列車間的直接通信，當(dāng)前列車能夠獲取前車的實時狀態(tài)信息，包括位置、速度和加速度等。通過對前車行駛曲線的預(yù)測，可以計算出兩車之間不會發(fā)生位移重合的安全防護速度。在保證列車前后方安全距離的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)兩列相鄰的列車以允許的最大速度和較小間隔運行，這一技術(shù)創(chuàng)新為列車運行的安全性和效率提供了重要保障。利用車車通信技術(shù)，該列控系統(tǒng)正線追蹤間隔最小可達到80 s，相比CBTC系統(tǒng)可縮短11%；折返間隔最小可達到85 s，相比CBTC 系統(tǒng)可降低29%，這大幅提升了運營效率[8]。

2 面向列車運行控制系統(tǒng)的車車通信技術(shù)

2.1 基于邏輯點對點傳輸?shù)?/h3>

車車通信技術(shù)

基于邏輯點對點傳輸?shù)能囓囃ㄐ偶夹g(shù)主要是指在系統(tǒng)中，一列車只需要知道另一列車的邏輯IP，就可以通過基站和核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)的車車通信技術(shù)。圖2 是基于邏輯點對點傳輸?shù)氖疽鈭D，前車將位置、速度等信息上傳至軌旁基站，基站通過骨干網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的方式，轉(zhuǎn)發(fā)至后車所在基站位置。隨后基站通過與后車通信的方式告知前車位置、速度。

圖2 基于邏輯點對點傳輸?shù)能囓囃ㄐ攀疽釬igure 2 Schematic illustration of train-to-train communication based on logical point-to-point transmission

由于目前軌道交通數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的車輛都有邏輯IP，因此現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)都支持基于邏輯點對點傳輸?shù)能囓囃ㄐ畔到y(tǒng)。具體的通信技術(shù)包含以下3 種。

2.1.1 WLAN 技術(shù)

無線局域網(wǎng)(WLAN)是一種無線計算機網(wǎng)絡(luò)，其基本構(gòu)成為站點、基本服務(wù)單元(basic service set，BSS)、分配系統(tǒng)(distribution system，DS)、接入點(access point，AP)、擴展服務(wù)單元(extended service set，ESS)和關(guān)口(portal)。WLAN 已經(jīng)經(jīng)歷了從802.11 的2Mbps帶寬到802.11ax 的多用戶MIMO 和9.6Gbps 通道帶寬等多個版本的技術(shù)發(fā)展，使其具備了強大的通信能力。隨著新技術(shù)的應(yīng)用，地鐵控制系統(tǒng)也越來越多地采用數(shù)據(jù)通信，并常常采用WLAN 構(gòu)建地面和列車之間的無線鏈路。此外，一些服務(wù)應(yīng)用于列車上，如乘客信息服務(wù)系統(tǒng)(passenger information system，PIS)，也開始使用WLAN 技術(shù)，主要用于車廂監(jiān)控、車載電視等服務(wù)。

通過WLAN，列車與地面設(shè)備相連，列車將信息傳輸至地面設(shè)備后，地面設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)該信息至目標(biāo)車輛所在區(qū)域的地面設(shè)備，隨后再經(jīng)WLAN 傳輸數(shù)據(jù)至目標(biāo)列車，形成基于邏輯點對點的車車通信。

2.1.2 LTE 技術(shù)

LTE 是一種無線數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，旨在提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的延遲和更好的用戶體驗。該技術(shù)采用正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)和多輸入多輸出(multiple-input multiple-output，MIMO)等關(guān)鍵技術(shù)，顯著提高了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率。《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)(LTE-M)規(guī)范》是一個基于時分長期演進(TD-LTE)技術(shù)的通信規(guī)范[9]，其主要設(shè)計目標(biāo)是滿足城市軌道交通的綜合業(yè)務(wù)需求。相較于公用的LTE 系統(tǒng)，LTE-M有很多優(yōu)勢，如較小的傳輸延遲、較少的專用頻段干擾、多層次的優(yōu)先級調(diào)度配置，以及認證與密鑰協(xié)商協(xié)議(authentication and key agreement，AKA)、安全防護機制和自動頻率調(diào)整等，這些優(yōu)勢有助于保證城市軌道交通的安全和效率。

LTE-M 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通車地通信領(lǐng)域，相比傳統(tǒng)的WLAN 車地?zé)o線通信技術(shù)，它具有移動接入性強、傳輸速率高、穩(wěn)定性和抗干擾能力強等優(yōu)點。在國內(nèi)，武漢地鐵6 號線于2016 年12 月28 日開通運營，成為首條采用LTE 承載CBTC 業(yè)務(wù)的城市軌道交通線路。南京寧高城際于2017 年12 月30 日開通運營，是國內(nèi)首條速度目標(biāo)值為120 km/h，LTE-M 綜合承載CBTC、PIS、車載CCTV、TCMS 業(yè)務(wù)的線路。

2.1.3 5G 技術(shù)

第五代移動通信技術(shù)(5th generation mobile networks或5th generation wireless systems，簡稱5G)是最新的移動通信技術(shù)。它的性能目標(biāo)是高速率數(shù)據(jù)傳輸、低延遲、省電、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接。5G 的無線接入技術(shù)是NR(new radio)，它支持更高的帶寬、更高的速度和更低的延遲。大規(guī)模天線技術(shù)可以提高網(wǎng)絡(luò)容量、覆蓋范圍和信號質(zhì)量。5G 將支持更多的設(shè)備連接，同時提高網(wǎng)絡(luò)效率和性能。此外，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)也將帶來更高的靈活性和可編程性，從而加速網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新。

目前，軌道交通正在逐步采用5G 技術(shù)實現(xiàn)車輛之間的點對點通信。例如，2019 年，深圳地鐵已經(jīng)使用5G 技術(shù)實現(xiàn)了車載數(shù)據(jù)的車地傳輸，通過增加小型智能5G 終端設(shè)備在列車和車站、停車場、車輛段等地，實現(xiàn)車輛之間數(shù)據(jù)的及時傳輸。2020 年，南京地鐵2 號線在馬群車輛段建設(shè)了5G 實驗基站，用于承載地鐵車輛綜合業(yè)務(wù)。5G 傳輸技術(shù)將大大增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性，例如，對于每天信號系統(tǒng)的車載日志，實現(xiàn)了秒級下載。

2.2 基于物理點對點傳輸?shù)能囓囃ㄐ偶夹g(shù)

基于物理點對點傳輸?shù)能囓囃ㄐ偶夹g(shù)主要是指車與車之間不經(jīng)過任何基站轉(zhuǎn)發(fā)的點對點傳輸，前車不經(jīng)過地面基站而直接通過車—車點對點通信的方式向后車傳輸關(guān)鍵信息。圖3 是基于物理點對點傳輸示意。

圖3 基于物理點對點傳輸?shù)能囓囃ㄐ攀疽釬igure 3 Schematic illustration of train-to-train communication based on physical point-to-point transmission

目前支持實現(xiàn)物理點對點車車通信的技術(shù)主要指的是蜂窩網(wǎng)的設(shè)備到設(shè)備通信(device-to-device，D2D)技術(shù)以及車聯(lián)網(wǎng)的車車通信(vehicle-to-vehicle，V2V)技術(shù)，具體包括以下3 種。

2.2.1 LTE 系統(tǒng)的D2D 技術(shù)

D2D 技術(shù)是LTE R12 版本中推出的一種技術(shù)，它允許在蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站的控制下，用戶設(shè)備直接使用小區(qū)內(nèi)的傳統(tǒng)蜂窩用戶頻譜資源進行通信[10]。與傳統(tǒng)的設(shè)備直連技術(shù)(如ZigBee)和藍牙相比，D2D 用戶終端能夠借用部分蜂窩網(wǎng)絡(luò)的存儲空間、頻譜和硬件資源，這使得D2D 通信在可靠性和性能上都得到了顯著的提升。鐵路移動通信領(lǐng)域尤其關(guān)注D2D 通信技術(shù)的無中心化特點，基于這一特點，可以進一步提高列控系統(tǒng)的資源管理效率，減少額外的信令交互導(dǎo)致的時延開銷。

近年來，D2D 通信在列車通信中的應(yīng)用越來越受到關(guān)注，被稱為T2T(train-to-train)通信。列車控制系統(tǒng)通過使用車對車的通信系統(tǒng)，能夠減少對地面設(shè)備子系統(tǒng)的依賴，同時將部分地面設(shè)備和功能集成到列車本身中。這種車車通信方式能夠提高列車控制反應(yīng)能力，滿足列車智能駕駛等功能的時延需求[11]。相比傳統(tǒng)的車—地—車通信方式，車車通信方式減少了通信的中間過程，因此是下一代列車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2.2 5G NR 系統(tǒng)的D2D 技術(shù)

作為關(guān)鍵候選技術(shù)，D2D 在面向5G 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注，其具有提高系統(tǒng)性能、優(yōu)化用戶體驗、擴展蜂窩通信應(yīng)用等潛在優(yōu)勢。在5G 的D2D 場景中，網(wǎng)絡(luò)僅需配備一個全向天線基站，從而降低系統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜度。該網(wǎng)絡(luò)采用OFDM 技術(shù)，將頻譜資源分割為一系列正交子載波，以此減少用戶間的互相干擾。在此網(wǎng)絡(luò)中，用戶分為兩種類型：傳統(tǒng)蜂窩用戶和D2D 用戶。傳統(tǒng)蜂窩用戶通過基站通信，而D2D用戶之間可以直接通信，也可以與基站通信，能夠在兩種通信模式之間自由切換。

車車通信中基于5G 的T2T 通信備受關(guān)注，因為它能夠降低車輛之間的通信延遲，提高傳輸速率，特別是當(dāng)車輛距離較近時，無須通過基站或軌旁單元的轉(zhuǎn)發(fā)。此外，還可通過列車之間的直接通信獲得相鄰列車的行車信息。這種通信方式可以增加后車獲取前車位置信息的通信渠道，增強列車的主動防護能力，同時還能有效提高運營效率，保障列車的安全運營[12]。

2.2.3 面向車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的V2V 技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要分為兩類：以美國為主導(dǎo)的西方國家采用的專用短程通信技術(shù)(dedicated short range communication，DSRC)標(biāo)準(zhǔn)和中國提出的蜂窩車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(cellular vehicle to everything，C-V2X)標(biāo)準(zhǔn)。DSRC 主要涉及射頻識別(radio frequency identification，RFID)、超寬帶(ultra wide band，UWB)、無線保真(wireless-fidelity，WIFI)等通信技術(shù)，而C-V2X則以4G-LTE、5G 等蜂窩移動通信技術(shù)為基礎(chǔ)。盡管這兩類通信技術(shù)是專用于車聯(lián)網(wǎng)場景，但如何將其應(yīng)用于軌道交通相關(guān)場景成為車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重點[13]。

DSRC 系統(tǒng)主要由車載單元(on-board unit，OBU)和路邊單元(roadside unit，RSU)構(gòu)成，信息在OBU 和RSU 之間實現(xiàn)雙向傳輸，交通信息通過RSU 傳送至車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺。目前，DSRC 技術(shù)的最典型應(yīng)用是在我國各大高速出入口、無人收費停車場等場景的電子不停車收費系統(tǒng)(electronic toll collection，ETC)。

C-V2X 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)于2015 年由3GPP 立項啟動，由中國主導(dǎo)完成。C-V2X 包括兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：基于4G移動蜂窩網(wǎng)的LTE-V2X 和基于5G 的NR-V2X。它適用于車速最高可達500 km/h、最大信息傳輸速率為500 Mbps、傳輸時延低于10 ms、傳輸距離可達1 000 m以上的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。C-V2X 主要依賴基站部署，并通過終端與基站之間的Uu 接口和終端與終端之間的PC5接口提供車聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)，實現(xiàn)大帶寬、大覆蓋、低時延和高可靠性。

3 面向列控系統(tǒng)的車車通信傳輸距離分析

在列控系統(tǒng)中，車車通信距離對列車運行控制的安全至關(guān)重要。車車通信具體選擇基于物理點對點的車車通信或是邏輯點對點的車車通信方式取決于車與車之間的通信距離。因此，本節(jié)從距離出發(fā)，分析車車通信的距離極限。

3.1 基于邏輯點對點的車車通信傳輸距離分析

邏輯點對點車車通信傳輸?shù)木嚯x理論上可以是無限的，車車通信經(jīng)骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸。但車與基站的通信距離受限，因此本小節(jié)對車與基站之間的通信距離極限進行建模計算。本文以經(jīng)典的信道傳播模型為例，計算在不同傳輸媒介下，列車與基站之間的通信距離極限。

3.1.1 基于自由空間傳輸?shù)能嚨貍鬏斁嚯x計算

由于車輛運行環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)的自由空間損耗模型難以良好地反映列車信號損耗情況，因此本文采用經(jīng)典的COST231-Hata 傳播模型作為車車通信的傳播模型，計算車車通信的最大傳輸距離。

COST231-Hata 模型是一種廣泛使用的室外移動通信信號傳播模型，適用于頻率在800 MHz 到2 GHz之間的城市或郊區(qū)環(huán)境中的大范圍信號傳播。該模型可用于鐵路環(huán)境下的無線電波傳播損耗預(yù)測[14]，在該模型中，傳播損耗建模為：

式中，fc為頻率。由于目前全國各地城市軌道交通的專用頻點分配都在2 GHz 以下，其中1.8 GHz 是當(dāng)前北京市的專用頻點，1.4 GHz 是專用頻點的一個重要可選項，因此本文重點考慮1.4 GHz 和1.8 GHz 兩種頻率。ht和hr分別為發(fā)射、接收天線的高度，m；d為車—地直線距離，km；Cm為地物模型矯正因子，對于大城市取3 dB，小城市、郊區(qū)、農(nóng)村等環(huán)境取0 dB；α(hr)是有效天線修正因子，可表示為

式中，Pt為發(fā)射機的發(fā)射功率，dB，Gt和Gr分別為發(fā)射和接收天線增益，dBi；LB為傳輸損耗，dB。

考慮在典型郊區(qū)中考察車地傳輸距離，由于車地通信屬于上行受限，因此本文以車向地面發(fā)送信息為考察樣點。設(shè)Pt=23 dBm，Gt=7.5 dBi，Gr=15 dBi，車載發(fā)射及接收天線各有5.5 dB 的功分、饋線等綜合損耗，車載天線高4.8 m，基站天線高30 m，基站接收機最大靈敏度為-120 dBm，并預(yù)留10 dBm 余量?？傻贸鼋邮展β逝c車車距離關(guān)系如圖4 所示。

圖4 邏輯點對點傳輸下車車通信距離與接收功率關(guān)系Figure 4 Correlation between communication distance for disembarking from the vehicle and received power in logical point-to-point transmission

根據(jù)曲線與-110 dBm 交匯點可知，在郊區(qū)時，1.8 GHz 下車地通信距離在6.575 km 時達到-110 dBm考察點，1.4 GHz 下車地通信距離在8.154 km 時達到-110 dBm 考察點。

3.1.2 基于漏泄同軸電纜傳播的車地傳輸距離計算

在隧道中，車地通信同樣可以采用漏泄同軸電纜傳輸。漏纜處于單模輻射狀態(tài)，其使用頻帶指的是高階模處于非輻射狀態(tài)時的頻率范圍，而截止頻率則是為了避免高階模產(chǎn)生而設(shè)定的最大頻率[15]，計算公式如下所示：

式中，c 為光速，m/s；εr是絕緣層相對介電常數(shù)；d為內(nèi)導(dǎo)體的等效直徑，m；D為外導(dǎo)體的等效直徑，m。隧道覆蓋常用的漏纜型號有13/8 漏纜及5/4 漏纜，其理論截止頻率約為2.8 GHz 和3.6 GHz。因此，1.8 GHz頻段的信號可以在這兩種漏纜里傳輸。根據(jù)文獻[16]，漏纜的損耗可表示為：

式中，PLt為漏纜的傳輸損耗，PLc為漏纜的耦合損耗。在1.8 GHz 下，漏纜的傳輸損耗為4 dB/100 m，耦合損耗為65 dB(距離1.5 m 時)。考慮列車的發(fā)射功率為23 dBm，車上功分損耗為5.5 dB，地面漏纜合路器損耗為7.5 dB，設(shè)單側(cè)覆蓋距離為x，單位m，在接收機處接收功率為

3.1.3 基于波導(dǎo)管傳播的車地傳輸距離計算

波導(dǎo)管與漏纜類似，是一種電磁波傳輸媒介，用于地鐵隧道信號覆蓋[17]。在隧道內(nèi)覆蓋時，波導(dǎo)管的布設(shè)方式與漏纜相同。設(shè)耦合損耗為65 dB(距離40 cm時)，傳輸損耗為2.2 dB/100 m。考慮列車的發(fā)射功率為23 dBm，車上功分損耗為5.5 dB，地面漏纜合路器損耗為7.5 dB，當(dāng)接收機的靈敏度為-95 dBm 時，在滿足接收機靈敏度要求前提下，允許最大縱向傳輸損耗為

則單側(cè)最大覆蓋范圍為40 × 1 00/2.2 = 1818.2 m ，兩側(cè)有效覆蓋范圍為1 818.2×2=3 636.4 m。

3.2 基于物理點對點傳輸?shù)能囓囃ㄐ艂鬏斁嚯x分析

車車直接通信時，列車之間距離將直接影響通信質(zhì)量。列車間距不僅影響通信質(zhì)量，也關(guān)乎列車運行安全。因此本小節(jié)對車車物理點對點直接通信的通信距離進行分析。

3.2.1 非隧道區(qū)域

當(dāng)完全沒有障礙物時，在LOS 情況下，路徑損耗為自由空間損耗，計算公式如式(9)所示

式中，f為頻率，MHz；d為距離，m。為了獲取更好的通信質(zhì)量，第一菲涅爾區(qū)內(nèi)應(yīng)盡量避免設(shè)置障礙物。如圖5 所示，由于車車直接通信時，在第一菲涅爾區(qū)內(nèi)的障礙通常是地面，因此地面帶來的多徑反射將導(dǎo)致信號衰減。

圖5 列車車頂天線與第一菲涅爾區(qū)示意Figure 5 Schematic illustration of train roof antenna and first Fresnel zone菲涅爾橢球的橫截面半徑由式(10)給出

式中，d1和d2分別為從橫截面到發(fā)射器和接收器的縱向距離。當(dāng)d=d1+d2且d1=d2時，為自由空間條件下最大傳播距離，。列車通信天線通常被安裝于距離地面4.8 m 的地方，因此可以通過式(10)計算得到。當(dāng)列車采用1.8 GHz 通信時，在553.3 m 內(nèi)都可以直接使用式(10)模型進行自由空間損耗的估計，在調(diào)車場、郊區(qū)等列車間可實現(xiàn)LOS 的情況下，均可以使用式(10)模型對信號衰減進行粗略估計。

車車直接通信環(huán)境較為復(fù)雜，簡單的自由空間損耗模型難以反映實際情況。本文進一步采用經(jīng)典的COST231-Hata 傳播模型作為車車通信的傳播模型，計算車車通信的最大傳輸距離。根據(jù)式(2)和(3)，設(shè)Pt=23 dBm，Gt=9.5 dBi，Gr=9.5 dBi，車載發(fā)射及接收天線各有5.5 dB 的功分、饋線等綜合損耗，車載天線高度為4.8 m，接收機靈敏度為-105 dBm 并預(yù)留10 dBm 余量，可得出接收功率與車車距離關(guān)系圖(見圖6)。

圖6 物理點對點傳輸下車車通信距離與接收功率關(guān)系Figure 6 Correlation between communication distance and received power in physical point-to-point transmission

以典型接收靈敏度-95 dBm 為考察樣點，1.8 GHz下，車車通信距離約為765.7 m；1.4 GHz 下，車車通信距離約為923.6 m。

3.2.2 隧道區(qū)域

列車在隧道中的通信同樣關(guān)鍵。在隧道中，傳播模型應(yīng)使用修正后的模型。文獻[18]提出了分段傳播模型，可依據(jù)式(11)得到近、遠場的分界點

式中，h為隧道高度，m；w為隧道寬度，m；λ為電磁波波長，m。以溫福鐵路寧德段圓拱形隧道為例，起高9 m，寬13.4 m，拱形截面可近似認為與矩形截面相同。對于1.4 GHz，電磁波邊界dNF=837 m；對于1.8 GHz，電磁波邊界dNF=1 077 m，即當(dāng)車車距離小于dNF時為近場，大于dNF時則為遠場。

其中，在近場時，根據(jù)文獻[19]矯正的傳播模型為

在遠場時，由于隧道自身特性，傳播模型近似于波導(dǎo)模型，可通過矯正后的傳播模型來近似表示。有矯正后的直通長隧道傳播模型為

因此可根據(jù)近、遠場劃分不同模型。根據(jù)式(3)考察接收機處信號情況，設(shè)Pt=23 dBm，Gt=9.5 dBi，Gr= 9.5 dBi。在近場時，車車間距與接收功率關(guān)系如圖7 所示；在遠場時，車車間距與接收功率的關(guān)系如圖8 所示。

圖7 隧道內(nèi)近場時車車之間距離與接收功率關(guān)系Figure 7 Correlation between the distance between trains and received power in the near field in the tunnel

圖8 隧道內(nèi)遠場時車車之間距離與接收功率關(guān)系Figure 8 Correlation between the distance between vehicles and the received power in the far field in the tunnel

因此，可根據(jù)車輛所處位置(位于近場或遠場)，通過相應(yīng)模型計算數(shù)值參考接收功率衰減變化情況?？疾斓湫徒邮展β蕿?95 dBm，根據(jù)圖7 和圖8 可知其屬于近場區(qū)域。1.4 GHz 下的通信距離為724.8 m，1.8 GHz下的車車通信距離為511.3 m。

3.3 車車通信傳輸距離總結(jié)

以當(dāng)前軌道交通1.4 GHz 與1.8 GHz 頻點為例，計算了車車通信的傳輸距離極限。計算結(jié)果表明：當(dāng)采用基于邏輯點對點的車車通信傳輸時，由于車與車之間的通信可以經(jīng)過地面骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸，車車通信距離理論上可以是無限的，前提是車與基站的距離小于最大傳輸極限。本文研究表明，在自由空間中使用30 m 高的天線傳輸時，1.8 GHz 下車地通信距離可達6.575 km，1.4 GHz 下車地通信距離可達8.154 km；在采用漏纜傳輸時，雙側(cè)覆蓋范圍可達2 000 m，波導(dǎo)傳輸雙側(cè)覆蓋范圍可達3 636.4 m。

當(dāng)采用基于物理點對點的車車通信傳輸時，在自由空間的非隧道區(qū)域內(nèi)，由于接收機靈敏度要求，物理點對點車車通信距離不能支持大于 765.7 m(1.8 GHz 下)及923.6 m(1.4 GHz 下)的傳輸。在隧道區(qū)域中，物理點對點車車通信距離不能支持大于724.8 m(1.4 GHz 下)和511.3 m(1.8 GHz 下)的傳輸。列車自主運行時，當(dāng)車車運行間距超過基于物理點對點的車車通信距離，基于物理點對點的車車通信將不足以支撐可靠的車車通信。

列車自主運行需要根據(jù)列車運行的間距選擇滿足傳輸距離的車車通信傳輸模式。

4 結(jié)語

將車車通信技術(shù)引入下一代列車運行控制系統(tǒng)中，不僅可以有效提升列車運行的安全性和效率，還能夠推動智慧軌道交通的進一步發(fā)展。本文面向列車運行控制系統(tǒng)深入探討了車車通信技術(shù)。首先，介紹基于車車通信的列車運行控制系統(tǒng)的基本原理；其次，調(diào)研當(dāng)前主流的基于邏輯點對點和物理點對點的車車通信技術(shù)；最后，結(jié)合城市軌道交通車車通信典型運行場景，進行傳輸距離計算與分析，并在充分考慮列車運行安全和通信質(zhì)量的基礎(chǔ)上給出車車通信模式選擇的建議。本研究期望為未來城市軌道交通中車車通信系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用提供有益參考和理論支持。