5.8G频段的CBTC车地无线通信子系统

5.8G频段的CBTC车地无线通信子系统

解决方案

一、项目的开发背景

众所周知，在2012年11月份深圳地铁信号多次受到便携式Wi-Fi的干扰造成地铁列车停止运行。便携式Wi-Fi一般使用2.4Ghz这个频率，这个属于非注册频率，不需要申请，谁都可以用，可以说是最方便但是最不安全的。而且，许多家用电子设备都使用2.4Ghz进行通讯，例如无线路由器、iPad、无线鼠标、无绳电话、蓝牙设备等，甚至微波炉也是使用这一频率。基于无线通信的列车自动控制系统，即CBTC(Communication based Train Control)，也称移动闭塞信号系统。该系统借助无线网络进行数据传输，也使用公用频段2.4Ghz。这势必会造成信号系统频率的干扰，随着现在移动通信系统上网速度越来越快，采用便携式WIFI的设备也会越来越多，也势必造成更大的信号冲突。因此，基于无线通信的列车自动控制系统采用新的频段也迫在眉睫、刻不容缓！

二、地铁2.4G与5.8G通信系统的比较分析

目前，在新建地铁信号系统的方案选择上，采用CBTC无线AP（无线接入点）接入方式的线路已越来越多。采用AP接入，具有成本较低、通讯带宽高、可部分使用商用设备、安装调试方案灵活、施工时间短等优点。

现在我国在建或改造的的地铁线路中采用无线AP点接入就有北京地铁4号线，10号线，深圳地铁2号线等。这些方案在无线频率的选择上又分为2.4G ISM频段和5.8G ISM频段。我国开放这两个频段为ISM频段

的时间还比较短，应用在大型工程上的案例还不多，尤其是5.8G 频段更是较少。

1、地铁列车的拓扑模型

地铁也是铁路运输的一种模式，它的运营组织和线路结构和大铁路相比虽然简单，但基本要素相同。采用AP 无线覆盖时的结构如图1。

图

1 为提高可靠性采用的对向双信道覆盖

地铁列车运行时不断从一个小区（AP 的覆盖范围）进入到下一个小区。这时，影响车地通信的可靠性的的因素，应从二个方面考虑：

i. 小区内：因高速移动产生的多普勒频移；隧道壁反射无线电波引起的多径反射；地铁列车对信号的阻隔影响等。

ii. 穿越小区时：高速移动产生的多普勒频偏使AP 切换时检测不到临区；频繁的AP 位置登记和认证造成通信的暂时中断等。

从图1可以看出，同大铁路的GSM-R 相似，地铁AP 覆盖的拓扑模型是典型的一维链状小区，而不是商用无线系统常用的蜂窝状结构。其模型如图2。

图2 通信系统的一维链状小区模型

这样，在移动电台在穿越通信小区时的信道切换关系大为简化。由于以地铁机车作为载体，电台的功率和尺寸比手持电台的限制小的多。同时，地铁

列车运行受闭塞和联锁系统的控制，小区容量也不是这个模型中要考虑的因素。这样，小区的尺寸成为影响小区容量和切换频率的重要的因素，对地铁无线通信系统的性能影响很大。

2、地铁列车的移动模型：

地铁列车具有运行线路、运行时间、运行计划都严格按时刻表运行、较少变化，其移动轨迹和移动时间都相对确定。根据这些特点，可用两种模型来研究地铁列车的移动。

2.1 基于流体理论的移动模型

在这种模型中，列车的移动是一种聚合运动，可用于描述列车的总体运动过程。

假设列车运行密度为p列/km，平均运行速率为v km/h，无线小区长度 L km ，行车间隔长度为d km，则在单位时间通过小区的列车数量N为： N=2*p*v=2*v/d 列/h （式1）

这个公式是双线运行条件下的，而地铁是单线运行的，则公式变为: N= v/d列/h （式2）

因为地铁列车在相同等级上的平均运行速度v相同，而列车运行时间间隔是在ATC系统控制下的固定时间t，则间隔距离d=v*t。代入式（2）知，N=1/t （t的单位为小时）。即单位时间内通过某个小区的列车数是固定的，并由行车间隔时间t（典型值1/20小时）决定。则间隔距离d远大于AP小区几百米的范围，即同一时间一个小区内只有一辆列车在运行。

2.2 基于行为的列车移动模型。

这个模型主要用于描述单个移动台。地铁列车运行是行车和停车两种模式的混合，且严格按照时刻表进行，因此列车的行为模式是计划行车。在这种情况下列车在AP 小区内的停留时间可以由下面的公式决定。

T=1(/)n i i i i t l v =+∑ （式3）

其中i t 表示列车在小区内第i 个车站的停车时间。i l 在铁路实际约束条件下表示小区长度，i v 表示在i l 下的平均运行速度。地铁列车的停站时间i t 和列车运行速度i v 都由运行计划决定，一般是固定的。可知，列车在小区内的停留时间只与AP 的覆盖长度i l 有关，增大AP 的覆盖范围能同比例的降低穿越小区的频率。

由这两种模型可知

i. 列车运行密度不是无线系统设计时需要考虑的问题

ii. 增大无线小区的覆盖范围能大大提高无线系统的稳定性。

3、无线电物理特性的影响

3.1 抗多普勒效应

多普勒效应是指，因波源和接收者之间存在着相互运动，而造成的接收端收到的频率与波源发出的频率之间发生的变化。

对于无线电，有公式f=C+V/λ；其中f 是频率，C 是光的传播速度，V 是发射机和接收机之间相对移动速度。推导得多普勒频移：

f 频移＝ｖ*f ／C (式4)，

从此公式知f 频移值取决于波长λ和相对运动速度Ｖ。

而2.4G波长为0.125米，5.8G波长为0.0517米；由式（4）得，在V一定的条件下，5.8G的频移至少是2.4G的一倍以上。

多普勒频移一定会带来信道畸变。目前高频段上的调制多采用多载波的方式，受频移影响更大。例如广泛采用的OFDM技术，当频移超出设备可以纠正的范围时，载波之间的正交特性会被破坏，信道性能快速恶化，表现为信道的通信速率严重降低，以至中断。

实际使用中，已广泛使用扩频技术提高信噪比，应用DSP编解码，格栅编码、软判决等先进技术，使信号在调制后能具有较强的抗多径干扰、抗频率选择性衰落和频率扩散能力，能适应多径和移动信道传播条件。

目前，在2.4G频段上，广泛使用802.11b和802.11g协议。这是IEEE 制定的适用于较低移动速率条件下的通信标准；在高速率（如大于90km/h）的情况下，系统性能不佳。而能完善支持5.8G的协议比较少，许多技术先进的公司在5.8G这个频段上都使用了自己开发的私有协议以提高系统性能。某些公司的系统，已做到在120km/h的速度上仍能够获得10M以上的带宽。

3.2 菲涅耳效应的影响。

在2.4G和5.8G这两个频段上，因为频率很高，电磁波表现出很强的光波性。所以在较远距离通信时，必须要求收发天线之间实现“视线无阻挡”。其含义是：在收发天线之间连一条线，以这条线为轴心，以R为半径的一个类似于管道的区域内，没有障碍物的阻挡。这个管道称为菲涅尔区(Fresnel Zone)。菲涅尔区是一个椭球体，收发天线位于椭球的两个焦点上，图3中R 为第一菲涅尔半径，计算公式如下: