38 GHz无线电系统在磁浮交通中的应用

盛雄伟

(上海磁浮交通发展有限公司，201204，上海∥高级工程师)

1 系统概述

在上海磁浮示范运营线上，运行控制系统(OCS)是整个磁浮交通系统的核心技术之一。无线电系统作为运行控制系统的一部分，提供了车载运行控制系统(VSC)设备和固定OCS设备之间的双向数据连接。其主要功能为实现操作控制数据、牵引系统数据、诊断数据、旅客信息系统数据的交换，以及磁浮车辆和控制中心之间的语音通信(见图1)。

图1 无线电(38 GHz)主要功能示意图

用于这一传输的38 GHz频带工作的毫米波无线电收/发机安装在沿线上和车辆的两端。该无线电系统在速度超过500 km/h的车辆上使用时效果最佳。

2 毫米波的特点

通常按电磁频谱，将30～300 GHz范围(波长为1～10 mm级)内的电磁波称为毫米波。毫米波属于微波范围。微波是指波长为1 m～1 mm的电磁波。可见毫米波位于微波的高端，其上限与亚毫米波毗邻且靠近光波。上海磁浮示范运营线中用的就是38 GHz的毫米波。

毫米波介于微波与红外之间，具有特有的大气传输特性、可利用频带宽及天线波束窄等三大特点，在武器的精确制导、目标识别和检测、雷达、通信等领域广泛应用。

2.1 可利用频带宽

按30～300 GHz这一范围计算，整个毫米波带宽高达270 GHz，是短波频段的10 000倍，是厘米波总带宽的10倍。实际上，考虑到大气的影响，通常选用大气吸收峰以外的“窗口”。因此，常用的毫米波频谱资源十分丰富，可满足信息时代人们对高速数据、宽带图像业务等大容量信息传输处理的需要。例如，利用35 GHz附近的“大气窗口”，可传送3 000路符合MPEG－2标准的彩色广播电视信号，或250 000路双向ADPCM(自适应差分脉码调制)数字电话。如再加上空分技术、正交极化技术等频率费用技术，则其同时支持的通信容量还要大得多。

2.2 天线的波束宽度窄

孔径天线或列阵天线的波束宽度都是与天线直径及工作频率成反比的。毫米波天线具有较高的角分辨率。毫米波与光波在频谱表上相距甚近，因而具有类似于光波的特性，非常有利于射频设备的小(微)型化，并可获得强方向性。众所周知，光波可以通过尺寸甚小的透镜、抛物面发射镜的聚合作用，形成很强的定向照射;毫米波也具有类似光波的特性，利用几何光学原理，构成各种天线，毫米波也可以形成很强的定向辐射。正是因为通信天线方向性很强，因此毫米波通信系统抗干扰、抗截获能力很强。通常太阳黑子的活动会影响卫星微波通信，因为其激烈的变化严重影响电离层。因此，微波通过电离层时，信号将发生大的改变。而磁浮无线电系统是地面点对点通信，因此受这类的自然现象影响较小。

3 无线电系统的结构

无线电系统由中央无线控制单元(CRCU)、分区无线控制单元(DRCU)、无线电基站(RBS)和车载无线电子系统等几部分组成。CRCU位于控制中心，是控制中心和列车之间利用无线网络进行旅客信息和诊断数据传输以及语音通讯的接口。这些非控制信息通过CRCU处理后，经过DRCU与车载无线控制单元(MRCU)传输至车辆。参见图2。

图2 无线电(38 GHz)结构图

3.1 CRCU

CRCU位于控制中心。它是控制中心和车辆之间利用平行于线路的无线网络，进行旅客信息和诊断数据传输以及语音通讯的接口。无线电系统为话音通信提供了1个标准的E1接口，借以连接到1个电信交换机。车辆与车辆之间不提供直接联系。此外CRCU收集无线电系统的诊断数据，并向运行控制系统(OCS)中央在线诊断(DTS)提供最高层的错误信息。同时，详细的错误信息显示在以LRU(线路可替换单元)为基础的CRCU监视器上。另外，在CRCU计算机上可以对无线电系统进行配置，如基站工作范围、IP地址等。

3.2 DRCU

DRCU位于2个牵引变电所的运行控制系统机房内，每个DRCU最多可连接2个分区运行控制系统，并可在1个或多个轨道组成的特定线路区段内控制无线电传输。它与车载无线电设备共同完成车地数据传输，通过其自己的光纤网络对RBS收集数据，控制连接的基站。

DRCU由1个冗余的控制器系统组成。它控制RBS连接，即仅触发列车所在的1个RBS建立与列车的连接。诊断信息通过广域网(WAN)从各个DRCU发送到CRCU。此外，通过固定的数据传输，它也传送CRCU需要的无线电系统内部数据。

3.3 RBS

RBS由无线电杆、带供电的连接箱、基站控制器、基站组合天线、基站收发器等组成。连接箱安装在无线电杆的下端，需要提供AC 230 V电源的连接，以及OFN(光纤网络)的连接。此外，由主电源变换到低压电源提供给基站控制器和无线电收发器。基站控制器位于连接箱内，是光纤与基站收发器的接El。基站收发器负责信号的发送和接收。

当该RBS没有激活时，就作为光纤信号的中继器(提供光电转换)，将信号传送到下一个RBS。基站组合天线包含4根天线。两根天线是作为两个相反方向的发送和接收用;另外两根天线(一个方向一根)是接收天线，是附加的接收通道以获得空间分集。每对天线(一个方向)能够单独调整以沿轨道方向获得最佳的无线电波束。使用两种工厂预制的天线类型，一种设计成用于弯道使用的宽辐射角度类型，另外一种设计成用于长直线运行的窄辐射角度类型以获得较高的增益。

在故障时毫米波天线收发器能够容易地从组合天线中进行拆装，不需要进行重新调整天线或者对频率和基站编号进行调整。它提供了38 G载频的生成和调制。在每个方向的输出功率可达约50 MW。使用连续相频移键控制作为调制方案，它对于多普勒频移和频率公差不敏感。在天线收发器实现4个信道接收，用于空间分集接收(两个天线垂直分离)和从2个移动基站天线收发器接收的位置分集。

DRCU控制一组RBS，基站沿线路安装并满足轨道上的每个点必须能够目视到相邻的两个RBS，这也是毫米波无线电通信的前提条件。为了增加可靠性，A通道的RBS与B通道的RBS是交替设置，信号的辐射由双向的天线会聚，沿轨道发射。一个RBS能够供应一个或多个轨道。

RBS的设置应在不良天气时也能获得要求的接收场强，在沿线的位置应考虑边界条件，比如轨道的垂直轮廓、线路的曲率、车站和维修基地的建筑条、OCS分区区段的变化、以及无线电波的地理条件限制等。通常，RBS的间距为0.3～1.1 km，使用频率为 37.1 ～38.5 GHz，输出功率约 0.05 W。RBS位置的确定是为了在沿线各点，至少是两站之间可以建立无线联络，这就保证了车辆被无线电100%的覆盖。

3.4 车载无线电子系统

车载无线电子系统包括整流罩、组合天线、MRCU。整流罩是车载无线电子系统的可见部分，位于车辆两端顶部。它们是考虑在500 km/h速度下工作时应具有航空动力学上的低阻抗、低噪声发送和坚固的要求而设计的。当然，在毫米波频率的低插入损失是关键性的设计制造目标之一。组合天线位于整流罩的正下方，提供4根天线(仍然是为了空间分集和反方向的接收)。移动式天线设计成中等的方位发射角，因为它们必须在轨道的曲线和直线路段都能得到最佳的工作效果。数据和控制信号通过RS422接口连接到车载无线电控制单元。车载无线电控制单元控制着无线电系统的移动部分，提供移动用户的各种接口。

4 无线电系统的特点

运行控制系统是保证磁浮列车安全、可靠、准点运行的核心子系统。地面与列车间的控制信息能完整无误的传输，是确保运行控制系统正常工作的关键。因此，磁浮无线系统被设计成高冗余高可靠的结构。

4.1 设备冗余

整个无线系统由两个完全相同的子系统组成，称为通道A与通道B。两个子系统同时工作，由各自的控制单元控制地面和车载收发器进行车一地数据交换。每个子系统使用各自独立的频段。

4.2 通道冗余

每个子系统在传输本身通道信息的同时，通过信息的交换，也传输另一通道内的信息，然后在接收端对数据进行重新分配，由相应的通道进行处理。这样就大大提高了数据传输的完整性。例如通道A在传输本身A信息的前提下，还传输通道B的B信息;在接收端通道A不对B信息进行处理，而是直接将B信息传输至接收端通道B。

4.3 分集技术

分集技术利用多条路径传输相同信息，且各路径具有近似相等的平均信号强度和相互独立的衰落特性，并在接收端对这些信号进行适当的合并，以便大大降低多径衰落的影响，从而改善传输的可靠性。磁浮线使用了2种分集方法:一种是地点分集，即一列车上有两处位置相距较远的天线;另一种是空间分集，即每个无线电收发器上有两个垂直位置相距10 cm左右的天线。这些不同位置的天线构成不同的分集技术。38 G无线系统的收发器具有一个发射频率、两个接收频率。

5 结语

上海磁浮示范运营线无线电通信系统是一个线性无线电网络，为安全的数据通信、语音传输及乘客的信息联络而在车辆与地面的运行控制系统设备之间的传输提供双向的数据连接。

用于无线电传输的38 GHz频带工作的毫米波，在速度超过500 km/h的车辆上使用时效最佳。因此，深入了解和研究无线电系统原理、组成和特点，不但有利于磁浮长大工程的设计工作，也可以应用于其它不断发展的各种高速交通工具。

［1］吴祥明.磁浮列车［M］.上海:上海科学技术出版社，2003.

［2］Tabbane S.Handbook of Mobile Radio Network［M］.Boston:Arteeh House，Ine.，2000.