基于无线中转传输方式的车-地双向通信系统应用

郝瑞庭

基于无线中转传输方式的车-地双向通信系统应用

郝瑞庭

摘 要：车- 地双向通信系统是信号CBTC 系统中最为关键的子系统之一。以北京地铁15 号线为例，介绍基于无线中转传输方式的车- 地双向通信系统的构成，重点分析了系统无线数据的传输流程和传输原理，并对列车的无线区域切换过程进行了分析。通过对实例的分析，总结了无线中转传输方式所具有的优越性，并指出其存在的不足及应对策略。

关键词：无线中转；CBTC 系统；车- 地双向通信

郝瑞庭：中铁通信信号勘测设计（北京）有限公司，工程师，北京 100036

随着我国城市轨道交通建设进程的不断向前推进，城市轨道交通信号系统的各项装备和技术水平也得到了很大提高。作为保证列车行车安全、提高运行效率的重要设备系统，近年来国内各城市新建线路的信号系统大都采用基于无线通信的列车自动控制（CBTC）系统。CBTC系统具有网络化、信息化、智能化的特点，与其他列车自动控制系统相比，功能更加完备，实现了高密度、高安全的列车追踪控制，有效提高了城市轨道交通的运营水平。

车-地双向通信系统是CBTC系统中最为关键的子系统之一，其主要功能是实现列车与地面设备间连续、安全、可靠并满足容量要求的无线通信连接，实时进行车-地间双向信息的传输，从而实现列车的精确闭环控制。北京地铁15号线信号系统采用以无线电台为传输媒介的CBTC系统，其特点是，车-地双向无线通信系统中地面与车载设备间的无线通信传输通过无线中转接力的方式实现，同时轨旁无线通信设备具备测距功能，使系统具有较高的可用性。

1　车-地双向无线通信系统的构成

北京地铁15号线信号CBTC系统的车-地双向无线通信系统构成如图1所示。该系统由地面设备和车载设备两大部分组成，地面设备主要由ATP/ATO逻辑部、车站无线电台（SRS）、区间无线电台（WRS）组成；车载设备主要由ATP/ATO设备、车载无线电台（VRS）等组成。地面ATP/ ATO逻辑部为2×2取2结构，2台逻辑部与SRS之间通过串行接口（RS422）交叉互联，其他电台均通过无线接力方式通信，地面与车载之间的无线通信通过SRS、WRS、VRS中转实现，WRS无需通过有线的方式接入到地面设备。在每个控制区域内，ATP/ATO地面设备对其管辖范围内的所有轨旁无线电台进行监视和控制。

图1　车-地双向无线通信系统构成

在每个控制区的地面ATP/ ATO软件数据库中包含有该控制区的线路数据、轨旁无线设备数据等。通过列车和地面间的双向数据通信，地面信号设备可以得到每一列车连续的位置信息，并由地面ATP/ ATO逻辑部计算出每一列车的运行权限，为其提供移动授权（MA）。列车根据移动授权并结合自身运行状态，计算出列车运行的速度曲线，从而实现列车在安全防护下的运行。

2　无线中转传输方式的应用

无线中转传输技术是利用无线电台的无线接力功能，将无线信号从1个中继点接力传递到下1个中继点，并形成满足车-地无线通信覆盖范围的网络区域，构成多个电台中继接力的无线传输模式。通过无线中转，从而实现地面与列车间连续的无线通信。北京地铁15号线CBTC系统的车-地双向无线传输即采用此方式实现。

2.1地面与车载设备间无线数据的传输流程

地面设备到车载设备的数据传输流程如图2中实线箭头所示方向，ATP/ATO地面设备生成的控制信息从ATP/ATO逻辑部通过串口传送给SRS，SRS通过无线中转方式将数据传送给WRS，WRS继续中转，直至列车的VRS接收到来自WRS的数据后并将其传输给车载ATP/ ATO设备。图2中的虚线箭头所示方向为车载设备到地面设备的数据传输流程，车载ATP/ATO设备上生成的状态信息传送给VRS，VRS通过无线中转方式传送给WRS，WRS继续中转直至SRS，最后，数据从SRS传送给ATP/ATO地面逻辑部。

在北京地铁15号线CBTC系统的实际应用中，1个无线电台发送的数据同时会有2个电台进行接收，只要其中一方可以可靠接收，即可进行中转发送。例如，在图2中，WRS2可以接收来自SRS和WRS1的数据，这样即使其中1个电台发生故障或传输错误，只要可以接收SRS和WRS1中任意一方的数据，即可进行中转发送，大大提高了系统的可靠性。同样，列车的VRS 在2次接收中，如果有1次接收成功，便可将数据传至车载设备上。北京地铁15号线的每列车都搭载4个VRS，所以，存在8次接收机会，只要有1次接收成功，那么就可以将数据传递到车载设备上，实现地面与车载设备间的可靠通信，列车VRS的冗余结构如图3所示。

图2　地面与车载设备间无线数据传输流程图

图3　VRS冗余结构

在每个连续式ATP/ATO控制区域，各站的SRS均为冗余配置，设有2台。当1台SRS发生故障时不影响列车正常运行。由于WRS可以与相邻的WRS以及相邻WRS的下1台WRS进行无线通信，因此，只要不是相邻的2台WRS都发生故障，则不会影响列车运行。当4台VRS中的1台及以上发生故障时，在车载人机界面（DMI）会显示VRS故障信息，VRS为冗余配置，不会立刻影响运行。如果由于VRS的多重故障造成地-车间通信中断2.7 s以上时，ATP/ATO车载设备则发出紧急制动指令，列车实施紧急停车。

2.2数据传输原理

北京地铁15号线CBTC系统的车-地双向通信系统综合采用时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）、码分多址（CDMA）技术，系统以500 ms为1个周期进行连续的车-地通信。系统无线数据的传送以时间进行同步，将1个时间周期划分为256个时隙，以每个时隙（约为2 ms）为单位，切换无线电台发送和接收数据的时机。为了让所有电台在1个时隙单位中进行接发送通信，就需要在接发送电台之间进行时间同步，也就是说，某电台向对方电台发送时，对方需要知道在何时进行发送。为此，在每20个时隙中包含1个同步时隙，用来进行接发送电台之间的同步。

图4是北京地铁15号线无线电台间数据传输的结构图。SRS在接收到ATP/ATO设备数据后，在时刻T窗口1中向WRS1、WRS2发送数据。在时刻T+1，WRS1将接收到的数据发送给WRS2、WRS3，同样，在时刻T+2和时刻T+3，数据继续中转发送，直到数据到达车载设备。在T+3时刻，地面ATP/ ATO设备可在窗口0中继续向SRS发送下1组数据。

在每个无线数据的传送方向上，系统使用2个信道的不同频率发送数据。ATP/ATO地面设备按照指定的周期传送命令，控制所有无线电台的使用频率，2个频率信道在各个时隙间进行切换，交互使用。在图4中的时刻T，窗口1使用频率1，窗口2使用频率2；在时刻T+1，窗口1使用频率2，窗口2使用频率1。同样，在时刻T+2和时刻T+3，窗口1和窗口2的频率继续交互使用。

在CDMA中，系统采用PN码技术，通过设置在各个无线电台上的系统参数，确定要使用的PN序列，以时隙为单位对PN码进行切换，根据PN序列，对传送的无线数据进行扩频调制处理。另外，系统还采用循环冗余校验码（CRC）进行数据传输的错误检查，并采用数据加密标准算法（DES），通过这些技术手段确保了通信的可靠性，有效防止黑客对通信数据进行篡改和窃听。

2.3无线中转方式下列车的区域切换

列车从1个ATP/ATO控制区域（称为SC区域）行驶进入到另1个区域时，在区域边界附近，双方区域的地面设备需实现不间断的列车控制。列车在进行交接处理时需要的数据通信全部通过无线进行传输。

图5为北京地铁15号线列车控制区域切换的流程示意图。在2个区域边界附近，系统设定了1个“区域切换区间”。当列车运行在SC1区域内时，列车只接受所在区域地面设备（图5中SC1）的控制。当列车进入“区域切换区间”时，SC2区域能够检测到列车，此时列车的位置信息能够同时传送给2个控制区域，双方SC均能接收到相同的位置信息。当列车车头越过区域边界时，列车控制权由SC1转移到SC2，由于2个SC识别到的列车位置是相同的，所以，列车的控制不会被中断。当列车驶出“区域切换区间”时，SC1对列车的跟踪也就此结束。

列车从进入“区域切换区间”至越过区域边界为止，均使用列车尾部的VRS进行控制指令和ATP数据的通信，此时，VRS之间的通信将通过通信电缆进行数据传输。一旦列车车头越过区域边界，列车将使用车头的VRS与沿线的WRS进行数据通信。

图4　数据传输结构图

图5　列车控制区域切换的流程示意图

3　无线中转传输方式的优缺点分析

北京地铁15号线信号CBTC系统的车-地双向通信系统采用无线中转传输方式实现，与其他城市轨道交通线路的CBTC系统相比，具有一定的优越性，主要体现在如下几个方面。

（1）由于车-地连续双向通信是通过中继接力工作方式的无线传输网络来实现的，在这个网络中只有2台SRS通过串口方式与ATP主机交换信息，沿线布置的无线电台（WRS）只需引入电源即可，无须连接通信线缆。每一套ATP/ATO设备形成1个独立的无线网络，2套ATP/ATO设备之间采用无线网络通信。当需要增加设备集中站时只需增加1套ATP/ATO设备及相应的无线设备即可，不会对既有设备造成任何影响；当需对某一套ATP/ATO控制范围进行增大时，只需增加电台并引入电台工作电源即可，无需增加通信线缆。系统对于无线的扩展是十分方便的，同时降低了材料费用和施工成本，也便于日后的运营维护，方便系统的升级或改造。

（2）系统无线通信协议在变频方式、PN码方式、加密方式上都是非公开的。并且每次通信都要更改加密密码，与通常使用的无线WLAN相比，具有更高的隐秘性和安全性。

（3）由于系统2个通信信道频率交互使用，即使某一电台在某一时隙因干扰无法正常接收数据，在下一时隙，该电台仍可以将数据进行准确传输，这使得系统具有很好的抗干扰性。

在系统应用过程中，基于无线中转技术的车-地通信系统在某些方面还存在一些问题，需进一步优化，如：当地下车站的1台SRS发生故障时，另外1台SRS天线下方如果有列车在线，则地面ATP/ ATO设备与WRS之间的通信会被遮断；地下区间如果有列车在线，WRS之间的中继通信容易被遮断，从而引发列车紧急制动。为防止出现上述情况，在北京地铁15号线的工程实际应用中，除了对地下车站的SRS进行冗余设置之外，车站两端的SRS均进行了双重设置，同时，在车头和车尾的VRS之间增加中继功能，用来辅助WRS-WRS之间的通信，从而有效克服了上述问题。通信系统的故障率与其他线路相比处于较低水平，受到了运营单位的认可与好评。未来，基于无线中转传输方式的车-地双向通信系统仍具有广阔的应用前景。

4　结语

在目前主流的信号CBTC系统中，车-地双向无线通信系统大多采用轨旁无线接入设备（AP）双网无线覆盖的方式，基于中转接力传输方式的车-地通信系统应用甚少。北京地铁15号线采用的基于无线中转传输方式的CBTC系统，具有结构简单、性能优良的特点，具有较高的可靠性和可用性。车-地无线

参考文献

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[3] 蒙素勤，武志刚，赵剑华. 基于无线测距技术的车-地通信系统应用探讨[J]. 现代城市轨道交通，2013(2)：13-15.

[4] 吴江娇，赵青. 基于无线通信的移动闭塞列控系统—SPARCS[J].现代城市轨道交通，2009(1)：51-54.

责任编辑 冒一平

Wireless Relay Transmission Based Train-Ground Communication System

Hao Ruiting

Abstract:The train-ground communication system is one of the most critical subsystem in CBTC system. Taking Beijing metro line 15 as an example, the paper introduces the composition of wireless relay transmission based train-ground bidirectional communication system and makes a key analysis on system wireless data transmission process and transmission principle while the switching process of the train running between different wireless local areas are analyzed. Through analysis of the cases, the advantages of the wireless relay transmission modes are summarized, and its problems and counter measures are discussed.

Keywords:wireless relay, CBTC system, train-ground communication

收稿日期2014-11-19

中图分类号：U231.7