铁路信号2.4G与5.8G通信系统的比较分析

地铁2.4G与5.8G通信系统的比较分析
摘要：本文建立了地铁列车的拓扑模型和移动模型，并给出影响地铁无线通信的主要因素，之后分析了2.4G和5.8G通信系统的物理特性和因这些特性造成的性能差异，并讨论了为克服这些特性影响而采取的措施。

关键词：地铁 CBCT AP 移动模型多普勒频移
Abstract： Synthetically analyze physical characteristic of wireless spread and special requirement of subway communication ，characteristic on 2.4G mode and 5.8G mode are compared，in the end， provide difference in both performance and adopt measures for subway communication .
Key word：Subway CBCT AP Motion model Doppler frequency shift
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。

本文就是从地铁通信的特殊环境条件和无线信号传播的基本特性出发，结合我国使用中的一些既有经验，对这两个频段上的无线系统性能进行了一些分析和比较。

一、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。

（此图已改）
天线1（接收A向信号)天线2（接收B向信号)
A 向
B向
图1 AP天线双信道覆盖示意图
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。

小区1
小区2
小区·····
小区3
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。

二、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。

三、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:
AP 定向天线
发射方向第一菲涅耳半径天线距离D R 接收天线
图3：菲涅耳效应
R=0.5(λD)0.5 （式5）
式中 λ为波长，D 为两天线的距离
从式5可知，当频率固定时，菲涅尔半径随着传输距离的增加而增大。

例: 当D=300m ，
f=2.4GHz 时 λ=0.125m R=3.06m
f ＝5.8GHz 时 λ=0.0517m R=1.97m
比较可知，当天线距离D 一定时，频率越高，菲涅耳半径越小。

在理论上，更小的菲涅耳半径可以减小隧道壁反射带来的干扰，有利于在长直的地铁隧道中的信号传输，
由于菲涅耳效应，列车成了信号在隧道中传输的阻碍物。

比如信号由迎着车头方向的定向天线发出，即使在车头车尾都有天线，也只有车头天线能收到信号，而车尾天线由于车体的阻挡，基本收不到信号。

只有采用轨旁双向冗余AP 覆盖方案（如图1），才可以使车头车尾都接收到信号。

3.3 分集接收
分集接收是指在多重接收的基础上，利用接收到的多个信号的适当组合或选择，来减小信号电平在门限电平以下的时间百分比，从而达到提高通信质量和接通率的技术。

目前地铁通信的2.4G 和5.8G 系统中，无论使用IEEE 的802.XX 协议，还是私有协议，为了提高移动条件下的通信性能，都支持天线的分集技术。

3.4传输距离和AP 点覆盖范围
电磁波在空间中传播会产生一定的损耗，也就是自由空间的路径损耗。

其公式为: Ls (dBi)=32.45+20lg(fMHz)+20lg(dKm) （式6）【此处确认改动，s 为L 的下标】
式中f 为工作频率 ；d 为传输距离
可见，自由空间基本传输损耗Ls仅与频率f和距离d有关。

当f 和d扩大一倍时，Ls均增加6dB。

国家无线电管理局规定，5.8G频段的EIRP（等效全向辐射功率)为≤2W和≤33dBm，而2.4G频段EIRP在天线增益≥ 10dB时为≤ 500 mW 或≤ 27 dBm。

根据式6可推知，这两个频段在国家允许的范围内的传输距离基本一致。

而实际应用中系统的表现与所采用的信号调制方式和天线的性能有极大的关系，如QSPK调制一般就比64QAM调制方式能传输更远的距离，而设计优异的天线可以极大改善高速移动下的信道性能。

可见AP覆盖的范围与各方案具体运用的技术和所采用的设备性能有很大的关系。

结论
目前，2.4G和5.8G地铁通信系统如果不考虑外界信号的干扰，仅因物理特性造成的性能差异并不大。

实际系统的性能差异是因为不同公司产品选择的技术方案和设备性能不同造成的；也就是说，系统的技术水平是选择方案要考虑的主要问题，而不是频率。

值得注意的是，一些公司在5.8G频段已研发出性能出色的私有协议，这些应用私有协议的地铁无线系统有着更好的性能表现。

未来承载地铁信号的无线车地通信系统可具有高达几十兆的带宽，容纳更多的功能子系统，极大丰富地铁列车所能提供的服务。