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地鐵CBTC系統——無線通信技術淺析 1．前言 隨著全國各大城市大力建設公共交通系統，具有大容量、高速率和高效率特點的地鐵系統的建設也如火如荼的進行。在整個地鐵系統中，列車的自動控制系統無疑是其大腦和核心，目前地鐵系統采用的是列車自動控制（ATC）設備，ATC通過車載設備、軌旁設備、車站和控制中心組成的控制系統完成對列車運行的控制；通過調節列車運行間隔和運行時分，實現列車運行的安全、高效和指揮管理有序。ATC信號系統由ATP（列車自動防護）子系統、ATO（列車自動駕駛）子系統和ATS（列車自動監督）等三個子系統組成，主要分為固定閉塞制式、準移動閉塞制式和移動閉塞制式三種，其中固定閉塞制式已經無法滿足當代地鐵發展的需要,移動閉塞制式的應用規模越來越大。移動閉塞制式信號系統主要是基于無線通信技術的列車控制系統（CBTC），CBTC系統集無線電通信技術和自動化控制技術于一體，利用高精度的列車定位（不依賴于軌道電路），雙向連續、大容量的車-地數據通信和車載、地面安全功能處理器等實現的一種連續自動列車控制系統，利用軌間電纜、漏泄電纜和空間無線技術或者他們之間的結合組網來實現。 CBTC相比傳統的鐵路信號系統有著諸多優越性： 1)以無線通信系統代替有線通信系統，減少電纜鋪設、軌旁設備，降低維護成本。 2)可以實現車輛與控制中心的雙向通信，大幅度提高了列車區間通過能力。 3)信息傳輸流量大、效率高、速度快，容易實現移動自動閉塞系統。 4)容易適應各種車型、不同車速、不同運量、不同牽引方式的列車，兼容性強。 5)可以將信息分類傳輸，集中發送和集中處理，提高調度中心工作效率。 6)便于既有線改造升級。 當前全球各城市軌道交通現狀從單一線路建設逐步走向多線路并行建設，并初步形成線網軌道交通格局，具備了線網間聯通聯運的基礎條件，同時國內的地鐵系統對列車的發車間隔要求越來越短，對列車的精密調度和控制提出了很高的要求，加上通信、計算機、網絡和列控技術的不斷發展，尤其是無線通信技術的發展，使得基于無線通信的列車控制系統（CBTC）現得到迅速發展和普遍應用。目前CBTC已經有多家地鐵控制系統設備商支持，且有很多建設和應用經驗，應用技術十分成熟，目前全球新建地鐵，尤其是國內基本都是采用此系統。 2．地鐵CBTC系統介紹和發展現狀 2.1 地鐵CBTC系統組成 地鐵無線CBTC系統主要包括3個部分：無線移動通信系統、列車控制系統和列車定位子系統。列車控制系統又包括中央控制室、無線閉塞中心和車載子系統。其中，高可靠的無線一同通信系統是RBC、車載子系統和列車定位子系統的基礎。無線移動通信系統主要是進行車地通信，在移動的列車和地面控制設備之間實時雙向傳輸行車星系，由無線車地通信技術提供保障，列車通過相應的地面設備，如信標燈、應答器，可以獲知自身的位置及速度等信息，通過可靠的無線移動通信網絡，列車將位置、車次、列車長度、實際速度、制動潛能、欲行狀況等信息以無線的方式發給RBC，RBC則開始追蹤列車并發送移動權限、允許速度、限速、緊急停車等命令。因為，無線CBTC系統中，無線移動通信網絡取代了對到電路的信息傳輸地位。 2.2 CBTC系統發展現狀 隨著社會的不斷發展和城市化進程的逐漸提高，城市軌道交通在安全性、可靠性、運輸效率和整體服務質量方面提出了更為嚴格的要求，以滿足現代運輸業的各種挑戰。同時，世界各地的軌道交通運營商都希望以最佳的投資獲得更高的性能。基于通信的列車控制系統CBTC就在這種背景氛圍下應運而生。 1999年9月，IEEE將CBTC定義為：“利用高精度的列車定位（不依賴于軌道電路）、雙向連續和大容量的車-地數據通信以及車載和地面的安全功能處理器實現的一種連續自動列車控制系統”。國外著手研究CBTC的時間較早，技術發展比較成熟，國外新建的地鐵項目已經大量的采用CBTC系統。目前我國新建地鐵雖已經基本都采用了先進的CBTC系統，但設備主要都是由國外系統設備商提供，國產化的CBTC應用很少，只在北京地鐵亦莊有過嘗試運行。 CBTC全球共有三大體系，分別是美國的 AATC,日本的ATACS和歐洲的ETCS，主要的設備供應商有西門子、GE、阿爾卡特、阿爾斯通和龐巴迪。 3．地鐵CBTC無線通信技術分析 地鐵CBTC系統要求不依靠軌道電路向列控車載設備傳遞信息，利用通信技術實現“車地通信”并實時地傳遞“列車定位”信息。通過車載設備、軌旁通信設備實現列車與車站或控制中心之間的信息交換，完成速度控制。系統通過建立車地之間連續、雙向、高速的通信，使列車命令和狀態可以在車輛和地面之間進行實時可靠的交換，并確定列車的準確位置及列車間的相對距離，保證列車的安全間隔。所以CBTC對無線傳輸的系統容量、穩定性、抗干擾能力以及高速移動下的切換等都有較高的要求，目前從寬帶技術的角度出發，GSM-R、WLAN、漏泄同軸電纜、裂縫波導管、WiMax等技術都可以提供CBTC系統中相應的無線數據傳輸服務，但這些技術本身的技術標準、技術成熟度、系統應用經驗和整個產業鏈的發展以及部署成本等決定了它們能否最終應用廣泛引用到地鐵CBTC系統中。具體每種技術方案分析如下： 3.1 基于GSM-R技術 GSM-R是在公網GSM技術基礎上融合了調度通信功能的專門用于鐵路無線通信的數字集通信系統，是專為鐵路系統開發的數字式的無線通信系統。其主要提供無線列調、編組調車通信、區段養護維修作業通信、應急通信、隧道通信等語音通信功能，可為列車自動控制與檢測信息提供數據傳輸通道，并可提供列車自動尋址和旅客服務。GSM-R目前在全世界的鐵路系統中都有非常廣泛的成熟的應用，在我國已經作為鐵路系統的首選，包括300KM以上的高鐵。我國使用的頻段為上行885-889MHz，下行930-934MHz，為鐵道系統和中國移動公用，但在鐵路2-6公里范圍內為鐵路系統專屬頻段。 基于GSM-R目前的技術，最大理論速率是115kbps，可以支持大于500km/h的漫游切換，且安全性高，整個產業鏈也很成熟。但如果應用于地鐵系統，它僅能提供CBTC現在的功能需求，無法滿足統一車地無線通信的業務需求，即使不考慮以后的擴展性，也要基于現在的CDMA1X及GPRS二種技術進行功能改造，以支持多信道捆綁以達到帶寬要求，另外在我國頻段的申請問題也是其沒能在城市軌道交通中使用的主要原因。深圳地鐵二號線在設計初期曾考慮采用此技術，但因為GSM-R應用于行車間隔短，車流密度大的城市軌道交通的實例和經驗較少，需要做大量的實驗和驗證工作，考慮到工期等因素，最終放棄此技術。 3.2 基于無線電臺的WLAN技術 采用無線電臺實現WLAN技術，體積較小, 安裝比較靈活, 受其他因素影響小，使用開放的IEEE802.11標準，廣泛采用2.4G的ISM頻段。可根據現場條件和無線場強覆蓋需要進行設計和安裝, 且安裝和維護容易，但無線電臺在隧道內傳輸受彎道和坡道影響較大，同時隧道內的反射比較嚴重，需要考慮多徑干擾等問題。無線電臺的傳輸距離小, 為了保證在一個無線接入點( AP, AccessPoint ) 故障時, 通信不中斷，提供通信的可靠性, 以及考慮到高速下的無縫切換，往往需要在同一個地點設置雙網覆蓋,這要求進一步縮短AP 布置間距。大量的高密度的AP點的部署，導致了列車在各個AP 之間的漫游和切換特別頻繁, 大大降低了無線傳輸的連續性和可靠性. 同時相應的電纜使用量很大。 3.3 基于漏泄同軸電纜技術 泄漏同軸電纜LCX( Leaky Coaxial Cable) 是在同軸電纜外導體上開有一定形狀和間距的糟，使電磁場的能量集中在同軸電纜的內外導線之間，部分能量可以從同軸電纜中的槽孔泄漏到空間中, 并和附近的移動電臺天線耦合構成無線通道。同軸電纜外導體上開的槽可以有許多形狀，各種形狀在傳輸損耗和耦合損耗方面各不相同。使用泄漏同軸電纜的通信方式是比較簡明的，兩條LCX 交叉環線分別負責上行及下行的車輛通信，車上天線和LCX 之間的距離很近，LCX 還連接著基地臺，通過泄漏同軸，各種安全調度信息和語音信息可以在地面和車輛之間雙向傳遞。由于電磁波在同軸電纜交叉環線內傳播，場分布穩定, 輻射性能可以由槽的形狀位置控制、傳輸速率高、節省頻率資源、受環境影響很小，因而對地形的適應性強，在數字化、大容量的移動車輛通信方面有獨特的優勢。 泄漏同軸電纜上的開槽有著嚴格的尺寸要求,而且它的收發、中繼設備比較復雜，用它來組成通信無線傳輸媒介采用的是基于2. 4 GHz 的ISM頻帶漏泄同軸電纜，漏纜的傳輸特性和衰減性能較好，傳輸距離較遠，最大傳輸距離達到600 m，且沿線無線場強覆蓋均勻，呈現良好的方向性分布，抗干擾能力較強，適合于狹長的地下隧道內使用，減少列車在各個AP 之間的漫游和切換，提高了無線傳輸的連續性和可靠性。另外，漏泄同軸電纜的安裝要求不是很高，可以根據現場條件安裝隧道側墻( 僅適用于全地下線路)，或隧道頂部（僅適用于全地下線路，且三軌供電）。漏泄信道，初期投入很高，這是它的不足之處。同軸電纜對于地面和高架線路安裝比較困難，且美觀效果較差。因漏泄同軸電纜的安裝位置較高，不會影響一般軌旁維護工作，其自身安裝調試完成后維護工作量很小。并且漏纜分布系統對解決GSM-R 系統在隧道等弱場強區段的覆蓋是一種非常重要的手段。 3.4 基于裂縫波導管技術 裂縫波導管采用的是一種長方形鋁合金材料,在其表面每隔一段距離( 約6 cm) 刻有一條2 mm寬3 cm 長裂縫，能夠讓無線電波從此裂縫中漏泄出來，因其波導管物理特性和衰減性能很好，傳輸距離較遠，理論最大傳輸距離可達到1600 m, 且沿線無線場強覆蓋均勻，呈現良好的方向性分布，抗干擾能力較強。其具有漏泄同軸電纜的優點，適合于狹長的地下隧道內使用，且傳輸距離要優于漏泄同軸電纜，減少列車在各個AP 之間的漫游和切換，大大提高了無線傳輸的連續性和可靠性。目前采用裂縫波導管進行無線傳輸的信號系統供貨商只有法國阿爾斯通公司, 其已經在2002 年開通的新加坡東北線中得到成功應用。 裂縫波導管的安裝要求較高，安裝位置受到現場制約，其與列車車載天線的安裝位置要求對應，故其安裝精度要求也比較高，裂縫波導管可以根據現場條件安裝在隧道底部鋼軌旁（適用于地下、地面、高架或混合線路均可），或隧道側墻（僅適用于全地下線路），或隧道頂部（僅適用于全地下線路，且三軌供電）。另外，對于波導管內部和表面的維護量較大，要防止沙塵侵入和污物覆蓋等。 3.5 基于TETRA的多基站+直放站+中繼器制+漏泄光纜技術 TETRA數字集群系統除了包括一些控制中心設備、調度臺設備外，本身還有一整套無線覆蓋設備，包括集群基站、光纖直放站、終端設備、電纜及其附件和天線等，可以完成CBTC系統所需要的無線數據通信，其無線通信系統的組成決定了其本質是WLAN和漏泄光纜的結合式組網，目前這種結合式組網在在基于TETRA數字集群系統中有廣泛的，成熟的應用。國內外大部分地鐵采用此種方案。TETRA無線覆蓋系統分為多基站小區制、多基站中區制（光纖直放站）和多基站（射頻直放站）三種，多基站中區制由于其容量、可靠性、可維護性及傳輸時延上的缺陷已經無法適應現代地鐵的發展需求，所以目前新建的地鐵系統主要采用多基站小區制覆蓋方案，該無線覆蓋方案通過在控制中心設置集群交換機和調度臺，在地鐵沿線各基站、車輛段設置集群基站，在車輛段設車輛段調度臺。交換控制設備與基站之間通過有線傳輸通道連接，地鐵沿線架設中繼器和漏泄同軸電纜實現車站站臺及隧道內的場強覆蓋；各地下站站廳用小天線覆蓋。各基站均采用2載頻基站共8個信道。 3.6 基于WiMax技術 WiMax的全名是微波存取全球互操作，是建立在IEEE802.16無線城域網標準基礎上的無線數字通信技術，支持點對點或點對多點的網絡結構，全球使用的頻段集中在2.5G和3.5G，部分設備上也支持免申請的頻段。理論上能提供70Mkbps的速率，目前主要使用的標準是IEEE802.16e，WiMax架構相對比較復雜，且目前存在很多問題。
WiMax作為一種從固網發展起來的無線寬帶技術，從一開始就未能得到全球主流運營商的關注，包括頻譜一直沒有統一。而且主流芯片廠商和全球的各大運營商支持力度也不夠，再加上與LTE主要關鍵技術重合（全球大的運營商和設備商主要關注LTE），這些都導致WiMax沒有大規模商用，整個產業鏈也始終不成熟。再結合本身協議和技術上的缺陷，使得選擇WiMax技術進行類車信號控制信存在很大風險。因此WiMax最好應用在提供寬帶的上網或者視頻業務（可以使用在列車上的PIS系統中），不適合應用在地鐵控制系統中。 4．地鐵CBTC無線通信技術比較和總結 地鐵CBTC系統對無線通信的要求非常高，除了技術本身的因素外，還要考慮全球的應用成熟度和發展趨勢，以及部署的成本等。因此選用何種技術進行列車控制系統中的無線通信要綜合考慮。以下對每種技術的優劣進行比較： 4.1 GSM-R、WLAN、WiMax和的對比 GSM-R、WLAN、WiMax和TETRA技術指標對比
表 1GSM-R、WLAN、WiMax和TETRA技術指標對比 從以上技術指標和工程方面的對比中我們可以發現，綜合考慮各種因素，WLAN和TETRA（本質上TETRA無線覆蓋主體也是WLAN）更加適合應用到現代地鐵的無線控制系統中；而GSM-R在系統容量和隧道內的復雜勘測上有所欠缺，它的高速移動性更適合于在鐵路上使用；而WiMax雖說在系統容量上有優勢，但在技術協議、高速下的切換和產品鏈成熟度上多存在很多缺陷，且工程方面需要嚴格復雜的勘測和計算，這都限制了它在地鐵列車控制系統這方面的應用。 4.2 裂縫波導、漏泄光纜和WLAN的對比
表2 裂縫波導、漏泄電纜和無線電臺的比較 以上三種技術在目前的地鐵系統都有應用，各有優劣，單獨建網時都會存在某些方面的不足，比如使用WLAN建網，目前大多數地鐵系統使用的都是2.4G的免費頻段，公眾的某些發射機如果采用同樣的頻段有可能影響到地鐵系統中車地的無線傳輸，進而影響到類車的調度；而選用泄漏電纜和裂縫波導管除了安裝復雜外，成本也是不得不考慮的因素。因此在實際建網當中除了考慮頻段外，可以考慮選擇其中的2種或者3種技術結合使用。這樣不僅可以建立更加完善的覆蓋，而且成本也能得到更好的控制，這也是目前很多地鐵系統采用的方案，包括與TETRA中設備的結合。 4.3 總結 地鐵是與民生密切相關的重大工程，我們在追求無線通信帶寬性能的同時更應該注重的是穩定，成熟和安全性。目前地鐵系統所采用的整體數字集群方案基本都是TETRA系統，國內更是如此。所以國內絕大多數城市地鐵基本上是采用WLAN技術或者LAN與漏泄光纜的結合（或者TETRA多基站與中繼器和漏泄光纜的結合）承載CBTC和PIS系統，主要的出發點是基于技術和產品鏈的成熟度。目前采用的頻段也以2.4G頻段為主，個別采用5.8G頻段（5.8G供貨廠商比較少、布置密度大，且頻率高導致衰減也大，而且根據無委會規定還需要收費）。盡管基于WLAN的應用已經很成熟，應用也很廣泛，但其采用的頻段還是存在一些問題和潛在的風險，主要有： Ø開放信道，無法阻止被竊聽修改并轉發，甚至偽造、干擾信息。 Ø用戶不必與內部網絡進行連接，攻擊者容易隱藏和偽裝。 Ø無線信號的衰減和丟失。 近期深圳地鐵出現的列車被手持WIFI逼停的事件已經發生兩次，經分析極有可能就是采用的2.4公共頻段受到手持WIFI的干擾導致的。據報道，深圳目前除了龍華線采用有5.8G外，其他都是2.4G。而據深圳地鐵人員介紹，目前全國地鐵系統基本都是2.4G頻段，但僅深圳出現這種情況，主要原因可能是深圳地鐵中引入了3G信號，3G信號的引入使得乘客有條件使用特定設備將3G信號轉為WIFI作為并網絡熱點，進而干擾到列車的調度信號，而北京、上海等城市目前未引入3G信號，廣州地鐵一直在做測試中，但也沒有引入。 雖然目前主流地鐵設備商大都提供基于2.4G頻段的設備，且2.4G頻段在地鐵中的應用全球都很普遍，但隨著信息技術的發展，WIFI作為無線覆蓋會越來越普遍，乘客攜帶能發射WIFI信號的設備也會逐漸增加，因此采用公共頻段的地鐵調度未來系統受到的威脅越來越大。目前可以考慮采用擴頻技術（深圳龍崗線使用的是龐巴迪公司提供的信號系統，系統對使用的頻段進行擴頻，使其有別于常規公共頻段，且設備信號比較強，經過多次對地面上的線路測試，沒有發現被WIFI干擾），或者申請專屬頻段（目前中國鐵路系統使用的就是專屬的800/900M頻段，上下行各4M，此頻段是鐵路系統和中國移動公用，但在鐵路沿線2-6公里屬于鐵路系統專屬頻段），目前法國地鐵系統采用的就是專屬頻段。 同時，國內外已經在對這些存在問題做研究來降低或者解決這些風險，例如： Ø通過建模計算AP的最佳密度，減少信號覆蓋范圍的同時留有相對冗余，防止數據丟失。 Ø使用信息序列號（Message Sequence Number）、時間戳（Time Stamp）。 Ø信息過時處理（Time-out）、源地址和目的地址鑒別（Source and Destination Indentifiers）、反饋信息（FeedbackMessage）、安全編碼（Safety Code）。 Ø使用動態密鑰、隨機密鑰、數據加密算法等。 相信隨著研究的深入和技術的發展，這些問題會逐步得到解決，而新的應用技術也會出現 (中國集群通信網 | 責任編輯：陳曉亮) |
