地铁CBTC无线通信传输方式的工程应用

杨安玉

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

目前，在各城市地铁工程中都广泛采用了基于通信的列车控制（CBTC）系统。作为CBTC系统的子系统，数据传输系统中车-地通信无线传输方式（简称传输方式）多种多样。如何根据工程情况合理采用车-地无线传输方式显得尤为重要。

1 传输方式

CBTC系统的核心是列车定位，为了精确的列车定位，车-地需要双向的信息传输通道。在地铁工程中实现车-地无线信息实时传输方式主要有3种：交叉感应环线方式（IL）、无线扩频通信方式（RF）、卫星GPS传输方式。其中无线扩频通信传输方式大部分工作在2.4 G开放频段。无线扩频传输方式根据采用传输介质不同可以分为：裂缝波导管（简称波导管）、无线自由波、漏泄同轴电缆（简称漏缆）等传输方式。

卫星GPS传输方式由于在地下站无法实现，传输实时性较差，并且在能否利用GPS这个公共平台安全传输列控数据及运营付费问题等方面存在一些争议，因而在工程中应用很少。

漏缆传输方式具有适应性强，安装、维护方便等优点，特别适宜因土建条件限制较多的工程及改造工程。但漏缆传输方式现在国内尚无应用实例，铁道部科学研究院正依托广州地铁改造做工程试验，尚没有开通先例。

目前，国内应用最普遍的3种传输方式是交叉感应环线、波导管和无线自由波。很多供货商均有对应此类传输方式的成熟解决方案和成功案例。主要CBTC系统供货商的传输方式如表1所示。

表1 主要CBTC系统供货商的传输方式

2 传输方式工程应用分析

下面分别从工程实施、抗干扰能力、无线带宽及覆盖范围、运营维护等方面分析这3种传播方式的特点及在工程应用中的对比。

2.1 工程实施

交叉感应环线电缆由铜绞线、外面的绝缘和非屏蔽保护外层组成。环线敷设在2根钢轨之间的轨道板上，大约每隔25 m交叉一次，交叉距离范围可在23.5～26.5 m之间微调。交叉感应环线的安装示意如图1所示。

交叉感应环线的安装对工艺要求较为简单，敷设方法灵活，可根据道床、接触轨、道岔、列车情况确定安装方式，可采用对称或非对称形式敷设。需要沿地铁线路架空铺设，电缆、支架施工量大。由于在线路中间对轨道的维护作业有一定影响，安装过程中需要与轨道专业协调，现场配合工作量大。

交叉感应环线除了具有波导管、无线自由波的传输定位信息功能外，还具有通过交叉点实现定位信息校正的功能。如果使用交叉感应环线的传输方式，可以节省无源信标的安装和调试工程，系统的整体安装工程量大大简化。

波导管为中空铝质矩形管，顶部朝向车辆天线位置，等间隔开有2 cm宽、3 cm长的窄缝，可使无线信号沿着波导管的裂缝向外均匀辐射。波导管管体的长度总共有4种，分别为11.584、6.033、3.046和1.031 m，随外界温度的变化可以有±10 mm的形变。波导管的安装示意如图2所示。

波导管由于本身材质的影响，对外界环境的依赖性很大，最大问题就是热胀冷缩。所以在波导管的安装过程中，不能把波导管固定牢靠；否则，热胀冷缩的作用极易损坏波导管。国内一般的做法是采取滑动支架方式，让波导管在调试和热胀冷缩的过程中在一定范围内滑动。

波导管一般安装在道床钢轨内、外侧或隧道顶，需要考虑信标、计轴、护轮轨、浮置板、转辙机和接触轨等设备的限界要求，土建施工配合工作量大。波导管的安装对精度要求很高，在施工过程中，要求波导管与列车的天线距离不能偏差太大，一般在30～40 cm之间。在工程实施过程中，需使用精密安装仪器，如激光测距仪、激光角度尺进行现场校正。

无线自由波的AP箱和天线一般安装在轨旁隧道侧壁或高架侧面立柱。安装简单，精度要求低，相对独立。对土建限界依赖性较小，对轨道及附近设备影响小，有利于今后的升级改造。最大的工程在后期系统调试阶段，为保证有效的辐射范围、更大的传输带宽、较低的误码率，需要对定向天线的发射角和位置等进行调整。

2.2 抗干扰能力

交叉感应环线传输方式，电缆环线铺设于线路中间，车载机车信号天线设在机车底部，两者距离相对而言较近，进行数据传输时受外界干扰较小。并且采用自身系统独有的通信载频进行信息传输，可以避免其他无线通信对系统的干扰。

目前国内地铁工程中，波导管、无线自由波一般采用的都是开放的2.4 G无线频段。由于2.4 G无线频段为开放频段，地铁环境空间中存在的其他2.4 G无线网络，会对CBTC无线传输系统造成同频干扰。如各种民用无线通信系统、商用无线系统、调度无线系统和PIS系统，系统外部的Wi-Fi、蓝牙及换乘站的邻线无线通信的同频干扰等。

波导管本质上是一种连续性的加长型天线，车载使用对向波导管的定向天线。车-地通信只局限在一个很小的范围内，车地天线的间距一般在30～40 cm内，最大不超过50 cm，通信距离近，受外界干扰可能性也较小。波导管只能在小范围（60°孔径内）空间实现通信，对来自天线背面所有方向允许衰减范围内的输入信号都认为是干扰，对水平方向或超过60 cm圆柱体的信号衰减很快。

波导管虽然采用2.4 G无线频段，由于具有上述无线传输特性，所以抗干扰性能力很强。

在无线自由波传输方式中，现在各个供货商抗干扰的做法大体相似，通过使用高增益的定向天线作为信号发射源、使用不同于其他干扰源的无线扩频技术（如OFDM扩频）、使用各种认证模式等。通过这些措施，在一定程度上大大提高了系统抗干扰性。而由于无线自由波的定向天线不像波导管那样是加长型的天线，数据传输距离远，又加之有上述同频的无线信号的存在，抗干扰能力不是很理想。

2.3 无线带宽及覆盖范围

无线信号的带宽越大，传输的信息越多；覆盖范围越远，列车在不同接入点间的漫游切换越少，系统越稳定。

交叉感应环线车至地通信600 bit/s（56 kHz），地至车通信1 200 bit/s（36 kHz），传输速率低，采用对称式的感应环线安装方式，每组感应环线覆盖距离可达1 000 m以上，覆盖距离远。

波导管和无线自由波一般工作在ISM（工业、科学、医疗）频段（2.4～2.483 5 GHz）。波导管的无线带宽可达11～54 Mbit/s。除了可以传输车-地控制信息外，还可以传输报警信息及视频信号等，无线带宽大且场强覆盖均匀。一个无线接入点可以覆盖左右两侧最大800 m范围（最大到1 600 m范围），而且在高架站可以覆盖上下行2个线路。在工程实施中，为保证信号强度和可靠性，一般不超过500 m。

无线自由波的无线带宽可达1 Mbit/s以上，采用IEEE 802.11b/g标准的可达11、54 Mbit/s。无线自由波由于抗干扰的措施，且在空气中传播，衰耗大，一般只能沿1个方向辐射。根据不同厂家的发射功率，理论覆盖范围可达600～800 m，在工程应用中，不同接入点无线信号相互重叠覆盖，一个接入点一般覆盖300～400 m。

从无线带宽上比较，波导管和无线自由波在传输带宽上具有优势，波导管在覆盖范围上更具优势，特别是在上下行并行的高架站，则优势更为明显。

2.4 运营维护

交叉感应环线每隔一段时间要对室内环线馈电设备进行调整，保证数据通信传输质量，同时要隔段时间对环线电缆、磨损、变形损坏等情况进行例行检查，若环线电缆下垂超过75 mm，则必须进行拉直校正。否则，会影响车载天线的敏感度。轨道换轨等维护需要信号专业配合，对环线交叉点重新定位，且对定位坐标精确要求较高。

波导管由于采用固定支架加滑动支架安装方式，所以需要很多螺丝固定。由于列车的震动，这些螺丝很容易松动，检修时需对每个螺丝检查、固定，以保证波导管安装的稳定。这导致运营维护工作量巨大，几乎每隔一段时间，就要对现场的螺丝逐一检查。

无线自由波的轨旁设备简单，运营维护比较简单，主要是保证设备的正常工作和无线覆盖范围。

3 结束语

在工程应用中，应结合这几种车-地无线通信传播方式的特点和工程实际情况灵活应用，确定合理的传播方式。

如果系统受外界无线通信干扰比较大，抗干扰措施不容易实施时，可以选择交叉感应环线、波导管的传播方式；如果系统为既有系统改造升级，土建工程难以满足信号系统安装要求时，可以选用交叉感应环线、无线自由波传播方式。如果从运营维护方便考虑，可以选择无线自由波的传输方式。

还可以根据现场情况，在一个工程中选择多种传播方式并用的方法。比如北京亦庄线就根据现场实际情况，在高架站采用波导管传输方式，在地下站采用无线自由波传输方式。

[1] IEEE．IEEE Std 1474.1-2004 IEEE standard for Communications-Based Train Control(CBTC) performance and functional requirements[s].,2005.

[2] 李晋，付嵩.CBTC无线传输方式性能分析及现场测试[J].现代城市轨道交通，2011(3)：8-11.