基于无线通信的轨道交通CBTC技术分析

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摘要：基于通信的列车控制系统CBTC技术在城市轨道交通中已得到广泛应用。本文针对基于无线通信的列车控制系统的技术方案，分析了目前CBTC系统车地无线通信的方式，将WALN和LTE的特点进行了对比。结合实际应用案例，认为LTE承载CBTC列车控制信息的能力满足CBTC列车控制系统对无线传输系统的指标要求。
关键词：CBTC；车地无线通信；WLAN；LTE
中图分类号：N972 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）08-0010-02
1 概述
基于通信的列车控制系统（CBTC）已成轨道交通信号系统的主流技术。系统中列车自身具有测速定位功能，信号轨旁设备通过车-地双向通信实时地获取列车位置和速度，并向列车传送安全间隔信息，能提供更小的列车安全间隔，从而更好地满足城市大容量高密度的客运要求。近年来，国内外主要信号系统供货商都在全面开发和应用CBTC 信号系统，城市轨道交通信号系统的建设和改造几乎都选用了CBTC信号系统，如纽约、巴黎、伦敦地铁的信号系统改造，国内2006年后新建的轨道交通信号系统也都采用了CBTC信号系统。
2 车地无线通信技术方案
目前，城市轨道交通信号CBTC车地无线传输系统主要有WLAN、交叉感应环线、LTE等几种方式。
2.1 WLAN技术
基于IEEE802.11的无线通信系统，也称无线局域网（WLAN），是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。经过多年努力，IEEE 802.11已经发展成为了一系列标准。目前，802.11n的无线传输质量及速率得到了大幅提升。在抗干扰性方面，802.11n采用智能天线技术，可以动态调整波束，抗干扰性能强。在兼容性方面，不同厂商的接入和终端设备都可以实现互通兼容。
采用WLAN方式时，轨道沿线布置无线AP设备，车站设置交换机设备和控制设备，列车上安装天线和车载无线接入设备。
2.2 交叉感应环线传输方式
交叉感应环线传输方式的速率较低，车地间通过电磁感应方式交换信息。轨旁设备对所辖区域内的所有列车车载设备进行轮询，列车车载设备将列车运行信息实时传递给轨旁设备，轨旁设备根据正线所有列车位置信息，计算生成列车的运行权限再传递给列车。
2.3 LTE技术
LTE（Long Term Evolution）移动通信技术的目标是建立一个能够获得高传输速率、低时延，支持增强型多媒体广播组播业务的可演进的无线接入架构。LTE 技术具备频谱申请灵活、上下行资源可调配的特点，可根据业务需要灵活配置上下行业务比例。
LTE技术采用自动频率校正确保高速移动场景下的无线链路质量，接入速度快，终端从空闲状态到激活状态延迟时间小于100ms。同时采用ICIC技术有效降低小区边缘频率干扰，提高小区吞吐率。单小区覆盖范围大，列车终端切换次数大幅减少，终端掉线率降低。
3 车地无线通信方案比较
城市轨道交通车地通信的特点是列车为中低速运行，对数据通信带宽要求不高，需频繁切换无线接入点、要求抗干扰性及可靠性高。交叉感应环线技术车地通信传输带宽小，轨旁安装量大，支持厂家有限，因此不推荐采用。当前轨道交通车地无线主要采用的是IEEE802.11系列标准的2.4GHz无线局域网技术，其技术的根源是为慢速移动下热点的覆盖问题，又因了2.4GHz为免执照频段，各类应用集中在该频段范围内，导致无线干扰问题存在。2012年11月，深圳地铁CBTC系统就因为受到乘客携带的移动Mi-Fi干扰，多趟列车在运行中突然停车。
2015年2月，国家无委会正式批准了1.8GHz频段的使用，鼓励拥有自主知识产权的TD-LTE产品应用于轨道交通等行业。WLAN和LTE系统技术的关键点对比如表1。
4 LTE组网方案
鉴于城市轨道交通综合业务传输和信号系统高可靠性的需求，城市轨道交通协会明确了LTE-M的综合传输和频段使用的方案为：建立冗余的TD-LTE双网，并推荐LTE采用漏泄电缆作为传输媒介进行场强覆盖。列车上安装无线终端，用于连接轨旁无线网络，轨旁设备提供沿线无线接入服务，同时接入地面有线网络，完成对CBTC业务的双向数据传输，如图1。
5 案例应用
在国家相关规定的指导下，武汉地铁分别联合泰雷兹与卡斯柯两大信号系统供应商进行了实验室TD-LTE技术论证。2014年10月武汉烽火集成技术有限公司与上海自仪泰雷兹信号公司联合完成基于TD-LTE技术的轨道交通无线通信系统实验室测试。在实验室模拟现场环境下的无线信号传输模型，测试包括：静态测试、优先级测试、越区切换测试、白噪声干扰测试和临区干扰测试。经过测试得出：基于TD-LTE的轨道交通车地无线系统具备承载CBTC车地通信的能力。2015年10月烽火集成完成与卡斯柯的现场动态测试工作，测试地点选择武汉4号线孟家铺至玉龙路段，测试包括，场强，丢包率，延时，切换，切换成功率和LTE设备稳定性，结果表明TD-LTE解决方案可以满足CBTC车地无线业务的需求。
经过上述实验室测试，动态测试，及与卡斯柯信号系统进行的实际控车测试，基于LTE技术的轨道交通CBTC各项功能和技术要求满足实际应用需求，该技术已在武汉轨道交通6号线一期工程中实际应用。
6 结语
随着科学技术的发展，LTE技术以其领先的技术优势正向轨道交通行业走来，截至目前，郑州地铁和武汉地铁均已建设完成并投入运营，随着技术的不断完善和实际应用，基于LTE技术的轨道交通CBTC技术将得到大力推广及发展。
参考文献
[1]杜成.城市轨道交通CBTC系统2.4GHz无线传输技术的应用研究[J].铁道标准设计，2013，（03）：129-132.
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