《基于无线通信的城市轨道信号系统》 论文

基于无线通信的城市轨道信号系统

学 生 姓 名： 学 号： 专 业 班 级： 指 导 教 师： 邢红霞

西安铁路职业技术学院毕业设计（论文）

摘 要

对目前城市轨道交通信号系统中，主要采用传统的基于轨道电路的信号系统及无线CBTC移动闭塞系统的技术，在行车运行间隔、施工维修、传输方式等方面进行分析比较。提出无线CBTC移动闭塞系统代表了城市轨道交通信号系统的发展方向。

随着现代铁路发展的需要, 特别是高速铁路和跨国铁路和城市轻轨铁路的发展, 在列车运营效率和运行安全和操作通用性等方面都提出了更高的要求, 基于无线通信的列车控制系统(CBTC)借助于先进的列车定位技术、安全处理器技术和无线通信技术, 从根本上将基于轨道电路的单向信息传输, 改变为基于无线的双向、连续、大容量信息传输, 于是越来越受到人们的关注。

在城市轨道交通系统中，信号控制系统可分为固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞几种模式。其中移动闭塞模式代表了信号控制系统的发展方向，其追踪列车间的安全间隔距离相比之下最小，能最大限度地提高线路运输能力，以及其自身诸多优势。许多国内城市轨道交通项目都相继采用了移动闭塞系统。

列车自动控制系统在现在城市轨道交通系统的信号系统中占有重要的地位。基于通信的移动闭塞技术 ,是列车自动控制系统中最先进的技术 ,它保证了列车的高速、安全运行。用无线局域网方式来实现移动闭塞 ,是一种新兴的先进技术。文中介绍了无线局域网的标准、基本结构、在轨道交通中的应用以及无线局域网方式实现移动闭塞的一些优点。并且研究了目前几种主流无线通信技术 , 对其传输速率、覆盖范围、特点等进行比较 , 简要分析现代城轨交通中无线通信系统的需求，比选出一种适用于车地间无线传输方案 WLAN, 提出WLAN在城轨交通系统中应用的可行性，对城市轨道交通通信系统建设具有一定参考价值。

关键词：CBTC；WLAN；信号系统；无线通信

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目 录

摘 要 ..................................................................................................................................... I 引 言 .................................................................................................................................... 1 1 3种城市轨道交通信号控制系统 .......................................................................................... 3

1.1固定闭塞方式的ATC 系统 ....................................................................................... 3 1.2 准移动闭塞方式的ATC 系统 .................................................................................. 3 1.3 基于移动闭塞方式的ATC 系统 .............................................................................. 4 1.4 准移动闭塞和移动闭塞系统方式的特点 ................................................................. 4 1.4.1准移动闭塞的ATC系统的特点 ............................................................................. 4 1.4.2移动闭塞式的ATC系统 ......................................................................................... 6 2 无线CBTC移动闭塞系统在城市轨道交通信号系统中的优势 ....................................... 8

2.1传统信号系统 .............................................................................................................. 8 2.2 无线CBTC移动闭塞系统 ........................................................................................ 9 2.3 无线CBTC移动闭塞系统对于传统信号的优势 .................................................. 10

2.3.1运行间隔缩短 ................................................................................................. 10 2.3.2硬件数量相对减少，施工维修也更为简单 ................................................. 10 2.3.3传输方式更为优越 ......................................................................................... 10 2.3.4系统的灵活性和安全性 ................................................................................. 11

3 WLAN 及其在城轨交通中的应用 ..................................................................................... 12

3.1无线局域网（WLAN）概述 .................................................................................... 12 3.2 WLAN标准 ............................................................................................................... 13 3.3 WLAN基本结构 ....................................................................................................... 14 3.4 WLAN方式实现车地双向通信 ............................................................................... 15 3.5 WLAN方式的优点 ................................................................................................... 16 3.6 WLAN在城轨交通中的应用分析 ........................................................................... 17 结 论 .................................................................................................................................. 18 致 谢 .................................................................................................................................. 19 参 考 文 献 ............................................................................................................................ 20

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引 言

城市轨道交通信号系统是保证列车运行安全 ,实现行车指挥和列车运行现代化 ,提高运输率的关键系统设备。城市轨道交通信号系统是城市轨道交通自动化系统中的关键部分 ,是保证列车和乘客安全 ,实现列车运行高效、指挥管理有序的自动控制系统。其核心是列车自动控制系统(ATC 系统) ,它由列车自动监控子系统(ATS) 、列车自动防护子系统(ATP) 、计算机联锁子系统(CI)和列车自动驾驶子系统(ATO)组成。其中列车自动防护子系统 ATP除包括地面和车载设备外还包括车站正线联锁设备。3个子系统通过信息交换网络构成闭环系统,实现地面控制与车上控制结合、现地控制与中央控制结合,构成一个以安全设备为基础,集行车指挥、运行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统。

ATC系统自上世纪 70 年代投入运用至今 ,经历了三十年的发展,技术日趋成熟 ,为使列车控制技术经济指标更加合理 ,世界各国纷纷开发了先进的ATC系统 ,ATC系统按闭塞方式分类有三种类型:固定闭塞方式的 ATC 系统、准移动闭塞式的 ATC系统、移动闭塞式的 ATC系统。

在城市轨道交通系统中，信号控制系统可分为固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞几种模式。其中移动闭塞模式代表了信号控制系统的发展方向，其追踪列车间的安全间隔距离相比之下最小，能最大限度地提高线路运输能力，以及其自身诸多优势。许多国内城市轨道交通项目都相继采用了移动闭塞系统。

城轨通信系统为城轨交通的正常运行起着至关重要的作用。它由传输系统、无线通信系统、调度及专用通信系统、闭路电视监控系统、乘客信息服务系统 (PIDS) 等子系统组成。其中 PIDS是一个多媒体资讯发布、播控与管理的平台 , 能为乘客提供全方位的导乘和其他资讯服务 , 需要随时与控制中心进行大量的信息交换 , 要求全数字传输、高速率、安全保密性好及抗干扰能力强等 , 因此 PIDS无线传输技术的选择成为关键点。

城市轨道交通无线通信业务一般将其分为专网无线、公网无线（或民用无线）以及公安通信，随着无线通信技术的日益发展，传输带宽不断提高，通信终端的实时信息处理能力飞速增强，城市轨道交通的无线通信技术得到了更为广泛的应用。目前国内城市轨道交通无线通信技术系统主要包括信号系统CBTC（基于无线通信的列车控制技术）、通信PIDS（乘客信息）系统、车载CCTV（闭路电视监控）、移动电视等。

目前，国内城市轨道交通行业存在的信号和通信系统都是相对独立的，随后产生的新兴无线通信的应用都各自成系统、相对独立，基本都使用各自不同的无线通信网络。

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而无线通信技术主要有：TETRA（数字集群）、GSM、CDMA、3G、WLAN、Wi-Fi、WiMAX、DVB-T等。前3种制式均是使用广泛且十分成熟的无线技术，但均存在传输速率低、且接入公网存在安全、干扰等问题，不能满足城市轨道交通的使用需要。DVB-T数字视频广播是为了数字电视信号在地面传播而开发的，具有容量大、接入方便等特点，其技术使用于下行高速数据的传输，可以工作在多个频点，减少无线频段干扰。场强覆盖可以采用小功率、大密度的方式，因此符合轨道交通的无线通信需求，但由于其上行速率较低，对车载CCTV不适用。

在轨道交通中,为保证列车运行安全 ,必须在空间上保证列车之间以一定的安全间隔运行。ATP(列车自动防护)系统是列车自动控制系统的重要组成部分是保证城市轨道交通行车安全、缩短列车安全运行间隔的重要安全系统。目前用于城市轨道交通 ATP 系统的闭塞方式有固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞种。基于通信的移动闭塞技术是全球轨道交通信号界公认的最先进的信号技术。近年来国内新建的移动闭塞项目(例如上海地铁 8 号线、北京地铁 10 号线)及旧系统改造项目(例如北京地铁 2 号线)绝大多数采用基于无线的通信方式。

目前 ,已成功应用于城市轨道交通列车自动控制系统的车地双向通信的方式有感应电缆环方式、漏缆方式、波导方式、无线电台扩频方式等 ,而基于 IEE802.11 WLAN(无线局域网)通信的无线电台方式是最流行的一种方式。

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1 3种城市轨道交通信号控制系统

城市轨道交通信号系统是保证列车运行安全 ,实现行车指挥和列车运行现代化 ,提高运输效率的关键系统设备。城市轨道交通信号系统是城市轨道交通自动化系统中的关键部分 ,是保证列车和乘客安全 ,实现列车运行高效、指挥管理有序的自动控制系统。其核心是列车自动控制系统(ATC 系统) ,它由列车自动监控子系统(ATS) 、列车自动防护子系统(ATP) 、计算机联锁子系统(CI)和列车自动驾驶子系统(ATO)组成。ATC系统自上世纪 70 年代投入运用至今 ,经历了三十年的发展,技术日趋成熟 ,为使列车控制技术经济指标更加合理 ,世界各国纷纷开发了先进的

ATC系统 ,ATC系统按闭塞方式分类有三种类型:固定闭塞方式的 ATC 系统、准移动闭塞式的 ATC系统、移动闭塞式的 ATC系统。

1.1固定闭塞方式的ATC 系统

(固定闭塞式的 ATC系统 ,采用传统的多信息音频轨道电路 ,按固定方式 ,根据线路情况、列车特性和固定的速度等级确定闭塞分区长度 ,列车以闭塞分区为最小行车间隔 ,且需设防护区段。其传输的信息量少 ,对应每个闭塞分区只能传送一个信息代码 ,即该区段所规定的最大速度码或入口/出口速度码。列车速度监控一般采用的是闭塞分区出口检查方式 ,当列车的出口速度大于本区段出口速度时 ,车载设备便对列车实施惩罚性制动 ,为保证列车运行的安全,这种滞后的速度检查方式必须要有一个完整的闭塞分区作为列车的安全保护距离 ,对于地铁的折返轨道来说 ,需要有较长的尾轨才能保证折返的能力和列车运行安全。系统的 ATP 采用阶梯式控制方式 ,对列车运行控制精度不高 ,降低列车运行舒适度、增加司机的劳动强度。限制了通过能力的进一步提高。固定闭塞分区的划分依赖于指定列车的性能 ,对线路上有不同性能的列车时 ,为保证安全,需按最严格条件设计 ,既影响运行效率也不适应今后列车类型变更。属二十世纪八十年代技术水平,西屋公司、GRS公司分别用于北京地铁、上海地铁一号线的 ATC系统均属此种类型。

1.2 准移动闭塞方式的ATC 系统

准移动闭塞式的ATC 系统一般采用数字式音频无绝缘轨道电路(也有采用音频无绝缘轨道电路 +感应电缆环线或计轴 +感应电缆环线方式) 作为列车占用检测和ATP信息传输媒介,具有较大的信息传输量和较强的抗干扰能力。通过音频轨道电路的发送设备向车载设备提供目标速度、目标距离、线路状态(曲线半径、坡道等数据) 等信息 ,ATP 车载设备结合固定的车辆性能数据计算出适合本列车运行的速度/距离曲线, 保证列车

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在速度/距离曲线下有序运行 ,提高了线路的利用率。系统的 ATP 采用速度/距离曲线的控制方式 ,提高了列车运行的平稳性,列车追踪运行最小安全间隔较固定闭塞短 ,对提高区间通过能力有利。这种 ATC系统 ,列车仍以闭塞分区为最小行车安全间隔 ,但根据目标速度和目标距离随时调整列车的可行车距离 ,该种方式后续列车所知道的目标距离是距前车或目标地点所处轨道电路区段边界的距离 ,不是距前车的实际距离 ,因此,该种 ATC系统相对于移动闭塞系统而言也称为准移动闭塞式的 ATC系统。

1.3 基于移动闭塞方式的ATC 系统

移动闭塞式的 ATC系统不依靠轨道电路 ,而是采用交叉感应电缆、漏缆、裂缝波导管或扩频电台等通信方式实现车地、地车间双向实时的数据传输来检测列车位置 ,使地面信号设备可以得到每一列车连续的位置信息和列车运行其它信息 ,并据此计算出每一列车的运行限制速度 ,并动态更新 ,发送给列车 ,列车根据接收到的运行限制速度和自身的运行状态计算出列车运行的速度/距离曲线 ,车载设备保证列车在该曲线下运行。因此 ,在保证安全的前提下 ,能最大程度的提高通过能力。采用通信技术的移动闭塞系统已处于实用阶段 ,其中利用交叉感应电缆方式的移动闭塞系统已有较成熟的使用经验采用无线扩频电台、裂缝波导管等方式的移动闭塞也有工程实例。

1.4 准移动闭塞和移动闭塞系统方式的特点 1.4.1准移动闭塞的ATC系统的特点

基于准移动闭塞的 ATC 系统是随着计算机技术尤其是单片机技术和数字信号处理技术的快速发展而发展起来的 ,是目前广泛应用、成熟且先进的ATC系统。目前广州地铁一号线和二号线、上海地铁二号线均采用该种系统 ,南京地铁一号线、深圳地铁也已确定采用该种系统。

该系统是以数字信号技术为基础 ,仍利用钢轨为车地信息的传送载体。在信号传输、信号处理过程中实现数字化 ,不但信息量大 ,而且抗干扰能力强 ,车载设备还可以实现列车的连续曲线速度控制。采用这种方式构成的 ATC系统 ,地面轨道电路可以向列车传递足够用于列车连续曲线速度控制的信息(包括目标速度、目标距离、线路状态、线路允许速度、轨道电路标号及长度等) 。这种方式可以减少阶梯式控制的安全保护距离对列车运行间隔时间的影响 ,提高了列车控制的精度 ,并提高了行车效率。连续曲线速度控制的运用使得司机在驾驶中也比较轻松 ,不需要进行频繁的制动、牵引 ,可以达到较好的节能效果 ,乘客的乘坐舒适度也可得到相应提高。

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这种 ATC系统 ,列车追踪运行的最小安全间隔的最大值为安全保护距离加一个闭塞分区长度;列车的最小正常追踪运行间隔为安全保护距离加一个闭塞分区长度再加最高允许速度下使用常用制动直至停车的制动距离。该种方式后续列车所知道的目标距离是距前车或目标地点所处轨道电路区段边界的距离 ,不是距前车尾部的实际距离 ,因此,根据目标速度和目标距离随时调整的列车可行车距离是“跳跃式”的 ,即在列车尾部依次出清各电气绝缘节时“跳跃式”跟随。因此 ,列车的追踪间隔和列车控制精度除取决于线路特性、停站时分、车辆参数外还与 ATP/ ATO 系统及轨道电路的特性密切相关 ,如轨道电路的最大和最小长度、传输信息量的内容及大小、轨道电路分界点的位置等。由于上述原因 ,该种方式的 ATC系统相对于移动闭塞系统而言主要存在以下缺陷:

列车的基本定位精度由轨道区段的长度决定 ,列车只占用部分轨道电路就认为全部占用,导致列车追踪间隔相对较大;由轨道电路向列车传输信息 ,传输的信息量受钢轨传输介质频带限制及电化牵引回流的干扰 ,难以实现大信息量的实时数据传输;不易实现实时车地双向信息传输。

根据移动闭塞及准移动闭塞的 ATC系统构成 ,准移动闭塞方式地面硬件设备较多、软件较简单;基于准移动闭塞方式的 ATC系统 ,在国内已有多个城市的地铁公司采用或已经选用 ,取得了较为丰富的运用和运营经验 ,为国内推广应用准移动闭塞系统创造了良好条件 ,国内工程技术人员和运营人员对其有了较为深刻的认知。

由于准移动闭塞方式 ,全线设置轨道电路等地面设备 ,其系统故障转向备用模式或系统复原处理较为容易 ,但其通过能力略低于移动闭塞系统 ,系统设备繁多 ,其可靠性、可用性应低于移动闭塞系统。

基于准移动闭塞式的 ATC系统在国际上也已经发展得比较成熟 ,目前具代表性的有:美国 USSI公司的 ATC 系统、德国 SIEMENS 公司的 ATC 系统、法国 ALSTOM 公司的 ATC 系统、英国 WEST2INGHOUSE公司的 ATC系统以及日本 HITACHI公司的 ATC系统。

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1.4.2移动闭塞式的ATC系统

移动闭塞方式尽管一些系统硬件设备较少 ,但软件复杂。基于无线通信技术的 ATC 系统不依靠轨道电路检测列车位置和向车载设备传递信息 ,而是利用无线通信技术 ,通过车载设备、现场的通信设备与车站或列车控制中心实现信息交换完成速度控制。这种 ATC系统能够实现高速度、大容量的车 -- 地双向通信。由于没有预先设置的闭塞分区 ,不以固定闭塞分区为列车追踪的最小单元。因此 ,列车追踪运行的最小安全间隔为安全保护距离;列车的最小正常追踪运行间隔为安全保护距离加最高允许速度下使用常用制动直至停车的制动距离。该种方式后续列车所知道的目标距离是距前车尾部的实际距离 ,其列车控制曲线如图。因此 ,根据目标速度和目标距离随时调整的列车可行车距离是“连续式”的 ,不向准移动闭塞系统的“跳跃式”。因此 ,列车的追踪间隔和列车控制精度只取决于线路特性、停站时分、车辆参数,使得系统较准移动闭塞系统具有较大的运用灵活性和较小的行车间隔。

基于移动闭塞式的 ATC系统在国内已经开始逐步投入应用。在国际上除基于地面交叉感应电缆的 ATC系统有较多的实际运用经验外 ,基于其它通信方式的 ATC系统刚刚开始推广应用 ,但随着技术的发展,基于移动闭塞的 ATC系统将会得到很大的发展。

移动闭塞系统于上世纪六十年代业已开发 ,并逐渐形成了交叉电缆形式的移动闭塞系统,随着计算机技术、通信技术和网络技术的发展给予其技术的新生 ,目前已有很多国外公司成功开发了移动闭塞系统 ,移动闭塞较准移动闭塞有较多的优点 ,尤其是随着欧

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洲铁路 ETCS 统一标准的制定 ,基于通信的移动闭塞系统将逐步成为信号领域的新一代系统。目前基于通信的移动闭塞系统还存在系统故障复原不利(某些系统需增加单独的后备模式设备) 、国产化率较低以及大多数系统不够成熟等缺点。

基于移动闭塞式的 ATC系统除 ALCATEL 公司的系统外 ,其它公司的系统也逐步发展得比较成熟,有些正在发展之中 ,目前最具代表性的有:加拿大 ALCATEL 公司基于交叉感应电缆的 ATC 系统、美国 GE公司基于无线通信的 ATC 系统、法国ALSTOM 公司基于裂缝波导的 ATC 系统以及德国 SIEMENS公司基于环线的 ATC系统。

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2 无线CBTC移动闭塞系统在城市轨道交通信号系统中的优势

对目前城市轨道交通信号系统中，主要采用传统的基于轨道电路的信号系统及无线CBTC移动闭塞系统的技术，在行车运行间隔、施工维修、传输方式等方面进行分析比较。提出无线CBTC移动闭塞系统代表了城市轨道交通信号系统的发展方向。

在城市轨道交通系统中，信号控制系统可分为固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞几种模式。其中移动闭塞模式代表了信号控制系统的发展方向，其追踪列车间的安全间隔距离相比之下最小，能最大限度地提高线路运输能力，以及其自身诸多优势。许多国内城市轨道交通项目都相继采用了移动闭塞系统。

2.1传统信号系统

传统的信号系统中采用的“车—地通信”，是一种通过轨道电路实现地面控制系统向列车传输信息的的单向传输系统，所构成的信号系统是固定闭塞或准移动闭塞的信号系统。

传统的固定闭塞信号控制，采用阶梯式速度控制方式，对应每个闭塞分区只能传送一个该分区所规定的最大速度命令码，称为固定闭塞系统。其特点是线路被划分为固定位置、某一长度的闭塞分区、一个分区只能被一列车占用；闭塞分区的长度按最长列车、满负载、最高速度、最不利制动率等不利条件设计；列车间隔为若干闭塞分区，而与列车在分区内的实际位置无关；制动的起点和终点总是某一分区的边界；要求运行间隔越短，闭塞分区(设备)数也越多，列车最小运行间隔≥120s；采用模拟轨道电路、轮轴传感器、加点式或环线传输，信息量少。该方式不易实现列车的舒适、节能控制限制了行车效率的提高。

随着通信技术、计算机技术的发展，为使城市轨道交通系统在技术水平上有所提高，更好地适应小编组、高密度的发展趋势，对于运量较大的城市轨道交通线路的信号系统设计时一般考虑采用准移动闭塞信号系统或移动闭塞信号系统方案。

与固定闭塞不同的是，准移动闭塞信号系统采用一次模式曲线控制方式，并且可以根据地面信号设备提供的目标速度、目标距离、线路状态(曲线半径、坡道等数据)等信息，车载设备计算出适合于本列车运行的模式速度曲线。制动的起点可以延伸，但终点总是某一分区的边界(根据每个区段的坡道、曲线半径等参数，包含在报文中)；要求运行间隔越短，闭塞分区(设备)数也越多，列车最小运行间隔≥100s；采用报文式数字轨道电路，辅之环线或应答器，信息量较大。该模式在城轨信号系统中有一定的运用，例如上海地铁2号线和3号线，广州地铁1号线和2号线等。

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2.2 无线CBTC移动闭塞系统

基于通信技术的列车控制系统(CBTC)不是通过轨道电路来确定列车的位置，向车载设备传递信息，而是利用通信技术，通过车载设备、现场的通信设备与车站或列车控制中心实现信息交换完成速度控制。随着技术的发展和需求的牵引，人们开始采用基于无线通信的列车控制系统，也就是采用在列车和轨旁设置无线电台实现列车与地面控制系统之间连续的双向通信，做到真正的双向“车—地通信”，从而实现基于通信的列车控制系统(CBTC)，其技术体制属于移动闭塞系统。

CBTC的基本原理是：ATP地面设备周期性地接受本控制范围内所有列车传来的列车识别号、位置、方向和速度信息。相应地，ATP地面设备根据接收到的列车信息，确定各列车的移动授权，并向本控制范围内的每列列车周期性地传送移动授权（ATP防护点）的信息。移动授权由前行列车的位置来确定，移动授权将随着前行列车的移动而逐渐前移。ATP车载设备根据接收到的移动授权信息以及列车速度、线路参数、司机反应时间等，计算出列车的紧急制动触发曲线和紧急制动曲线，以确保列车不超越现有的移动授权。因此在移动闭塞系统中，ATP防护点不是在轨道区段的分界点，而是在前行列车车尾后方加上安全距离的位置，它随着列车的移动而移动。武汉轨道交通1号线一期，广州地铁3号线，上海地铁6号线等项目相继采用了移动闭塞系统。

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2.3 无线CBTC移动闭塞系统对于传统信号的优势

2.3.1运行间隔缩短

隔是指在线路上某一点前后运行的两列车之间的间隔。在无线CBTC移动闭塞系统中，一个列车车载设备探测轨道上的应答器决定列车的位置，在服务器的数据库中查找他们的位置，并测量自前一个探测到的应答器起，已走的距离。列车车载设备通过双向无线通信向轨旁CBTC设备报告本列车的位置。

传统的基于轨道电路的信号系统，移动授权权限是以轨道电路区段的分辨率来给出的，其分辨率是一个闭塞分区，分辨率越小列车运行间隔时间越短。无线CBTC移动闭塞系统能够以更精细的分辨率来连续地监测列车位置。其分辨率是厘米级，并且系统运行间隔≤90秒。

2.3.2硬件数量相对减少，施工维修也更为简单

传统的基于轨道电路的信号系统由于需在轨道沿线安装很多探测及传输设备，同时大部分设备与钢轨均有直接实体联系，从而导致直接施工成本相对提高，施工阶段互相干扰之情形相当多，所需工期难以压缩，而且在以后维修保养作业上也会互有影响。

而无线CBTC移动闭塞系统中轨旁的设备只有轨旁无线单元、应答器、接近盘。同时，列车占用检测系统（计轴）也可以集成到系统中，以保护工程车和非通信列车。更少的轨旁设备就意味更简单的维护过程和更低的生命周期成本。系统扩展性能好，无线通信网络具有扩展和改造灵活的特点，这使得在系统最初配置后的维护和更改工作中省去很多麻烦。

2.3.3传输方式更为优越

传统的信号系统中采用的“车—地通信”是一种通过轨道电路实现地面控制系统向列车传输信息的单向传输系统。而无线CBTC移动闭塞系统不依靠轨道电路检测列车位置和向车载设备传递信息，它是利用无线通信技术，通过轨旁与车载ATP/ATO之间的直接信急交换，完成对列车的控制。无线CBTC移动闭塞系统可提供双向高速大容量实时数据通信，信息传输独立于轨道电路，受外界各种物理因素干扰小，运行可靠。CBTC确立“信号通过通信”的新理念，使列车与地面(轨旁)紧密结合、整体处理，改变以往车-地相互隔离、以车为主的状态。这意味着只要“车—地通信”采用统一标准协议后，就易于实现不同线路间不同类型列车的联通联运。

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2.3.4系统的灵活性和安全性

无线CBTC移动闭塞系统克服了传统的基于轨道电路的信号系统的不足，能够有效的处理不同速度和不同制动性能以及不同长度的列车。无线CBTC移动闭塞系统能够实时检测出列车不能完成预期性能的故障，从而使系统或者调度员及时做出反应，调整系统运营状况。

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3 WLAN 及其在城轨交通中的应用

3.1无线局域网（WLAN）概述

信息技术已经成为当今社会的主流技术。及时、准确地得到需要的信息是很多客户的要求。无线局域网 ( Wireless Local Area Networks, 简为WLAN)是相当便利的数据民用通信传输系统 ,它利用射频(Radio Frequency ,简为 RF技术 ,取代旧式双绞铜线所构成的局域网络 ,使得 WLAN 能利用简单的存取架构让用户透过它 ,达到“信息随身化、便利走天下”的理想境界。

基于国际领先水平的 WLAN 方案能为乘客提供快速、无处不在的资讯信息传递、网络构建 ,维护也变得异常方便 ,而且不会影响建筑物原有的美观和布局。无线网络具有先天活性、移动性、接入和撤收方便等特点 ,可以解决传统的有线网络所带来的问题。相信随着 WLAN 的建设 ,旅客的资讯需求将会获得无所不在的支持。城市轨道交通会在网络时代的挑战下显得更加靓丽迷人。

按与有线局域网的关系 ,WLAN 分为独立式和非独立式两种。目前非独立式 WLAN 居于 WLAN的主流;在有线局域网的基础上 ,通过无线访问节点、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现。其本身要依赖于有线局域网 ,是有线局域网的扩展和补充。这种方案具有成本低、速度快、稳定性好的优点。例如提供基于 IEEE 802.11G的非独立式 WLAN。

事实上 ,由于众多的笔记本厂商意识到 WLAN的发展趋势 ,在旗下越来越多的产品中嵌入支持WLAN 的 802. 11b 模块。因此目前很多商务乘客的新款笔记本就已经内置了对 IEEE 802.11b 无线网的支持。他们对流动场所提供 WLAN 产生了非常主动的需求。正是这种需求推动了 WLAN 服务的终端设备的普及化 ,进而推进了整个 WLAN 业务的发展。

具体来讲 ,构建 WLAN 的基本配置就是无线网卡及无线接入点(AP) 。通过 AP 实现无线网络内部及无线网络与有线网络之间的互通 ,从而达到无缝覆盖 ,与无线网卡连接的设备可以共享无线与有线网络的资源(见图 1) 。

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3.2 WLAN标准

WLAN 是指在局部区域内以无线媒体或介质进行通信的无线网络。目前比较通用的 WLAN 技术标准是 802.11 系列标准 ,它是 20 世纪 80 年代末期开始由 802.11 工作组制定的。随着通信技术的不断发展 ,802.11 工作组相继推出了 802.11、802.11b、802.11a802.11g、802. 11h、802. 11i 等一系列的标准。其中 ,802.11、802.11b、802.11a、802.11g 等标准的 WLAN产品比较成熟 ,应用也比较多。

a) 802.11:物理层定义了两种无线电射频传输方式:DSSS(直接序列扩频)和 FHSS(跳频扩频) ;支持的最高速率为 2 Mb/ s;与后续标准兼容较差;工作频段为 2.4 GHz。 b) 802. 11b:是 802. 11 的补充和修改 ,物理层主要采用 DSSS 调制方式中基于 CCK(补码键控) 的QPSK(正交相移键控)调制技术;支持的最高速率为11 Mb/ s;802. 11b 系统与 802. 11 DSSS 调制方式的系统以及与 的系统兼容 工作频段为802. 11g ; 2. 4GHz。

c) 802.11a: 是802.11B的后续标准，物理层采用OFDM (正交频分复用) 技术 ，支持的最高速率为54 Mb/ s，与802.11b不兼容，工作频段为5 GHz。 d) 802.11g:为了与802.11b的后续兼容以及能够达到 802.11a 的速率,主要采用 CCK和 OFDM 两种可选调制方式 ;支持的最高速率为11Mb/ s(CCK) ,54 Mb/ s(OFDM) ;能与 802. 11b 很好地兼容 ,目前虽不能与 802. 11a 兼容 ,但可以设计和实现具有双频模式(2.4 GHz 和5 GHz)的产品;工作频段为2.4 GHz。

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目前已成功应用于列车自动控制系统的无线网络技术标准有如下3 种:Alcatel 公司采用的基于802.11FHSS的技术标准;Simens 公司采用的基于 802. 11b的技术标准;Alstom 公司采用的基于 802. 11 a/ g 的技术标准。

3.3 WLAN基本结构

WLAN 主要由多个小区(cell) 构成,每个小区也称为无线BSS(基本服务集) 。每个无线 BSS 包含一个无线 AP(接入点)和若干个移动终端 ,其中移动终端通过无线网络适配器(SA)连接到 AP ,其结构如图1 所示。这类网络通常被称为自组 WLAN ,因为它不需要太多规划就能被快速建立。

上述BSS结构只能满足较小区域建立 WLAN 的需要 ,为了满足超过BSS范围限制的要求 ,WLAN 又定义了一个 ESS(扩展服务集)局域网(LAN) ,如图 2所示。一个 ESS WLAN 包括多个小区 ,图中包含BSS1、BSS2 两个小区 ,它们由 AP 和一个 DS(分布式系统)相互联通而成。DS 可以是以太网、令牌环等LAN。ESS 结构可满足任意大小、复杂度高、大范围覆盖的网络需要。在 WLAN 网中 ,一般是通过 AP以及DS将多个BSS相互联接构成 ESS。

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3.4 WLAN方式实现车地双向通信

车地双向通信是实现移动闭塞的关键。由于轨道交通的路径都是预定的、距离较长的线状路径 ,WLAN 的 ESS拓扑结构的多蜂窝漫游的工作方式比较适合轨道交通的特点 ,即沿轨旁线性布置多个无线AP 以构成与移动电话微蜂窝系统相似的一套微蜂窝 系统。微蜂窝系统允许一个用户在不同的 AP 覆盖区域内任意漫游 ,随着位置的变换 ,信号会由一个 AP 自动切换到另外一个 AP。整个漫游过程对用户是透明的 ,虽然提供连接服务的 AP发生了切换 ,但对用户的服务却不会被中断。另外 ,在轨道交通中 ,车载 ATP/ATO(列车自动运行)和轨旁 ATP/ ATO 的移动通信路径是预定的 ,随着列车的移动 ,车载 SA 能够基于有方向、速度和可预测的线性无线漫游。这种漫游方式缓和了基于多目标选择的 AP 选择程序。图 3 为基于802.11 WLAN 方式的车地通信系统结构原理图。

在 WLAN 方式的车地通信系统中 ,SA 的主要功能就是负责启动与 AP 的连接 ,SA 一次只能与 1 个AP 连接 ,以保证 SA 和网络只有1 个连接;而1 个 AP同时可以和多个 SA 建立连接。小区间的切换对车载ATP/ ATO 和轨旁 ATP/ ATO 来说是自动和透明的。一个移动的 SA 会寻访小区内一个固定的 AP 并与其连接 ,它根据上一个AP 的离开门限值(LT) 和下一个AP 的进入门限值 (J T)来决定是否离开上一个 AP 的覆盖区。当一个小区的信号强度没有降到离开门限值LT 值之下时 ,即使 SA 接收到的下一个 AP 的信号强度大于进入门限值 J T 值 ,SA 也不会与当前小区分离。当一个 SA 在某小区中时 ,它会鉴别下一个小区并发起小区切换的流程。一旦一个 SA 与一个 AP 连接 ,该 AP 就会在 WLAN 发送一个报文,用于说明该SA 已经在自己的路由表中 ,而其他 AP 可在路由表中删除该 SA。

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3.5 WLAN方式的优点

采用 WLAN 方式实现移动闭塞是目前比较先进的技术 ,具有广阔的前景。这主要是因为它有其他方式无法比拟的一些优点。其主要优点如下:

a) 装便捷:采用 WLAN 方式的车地通信系统 ,在轨旁只需安装无线 AP 设备 ,而无需全线沿钢轨布置漏缆、感应环电缆和波导管 ,省去了许多不必要的电缆或波导管的架设、固定工作 ,还省去了大量的现场维护工作。

b) 展灵活:在有线通信中 ,通信设备的安放位置受信息点位置的限制 ,线路建成后如要扩展就可能受到限制 ,而 WLAN 方式的扩展就很容易 ,只需在扩展线路的轨旁安装无线 AP 设备 ,就能扩大信号系统的覆盖区域。

c) 节约:由于 802. 11 WLAN 方式采用开放的技术标准 ,其无线 AP 和移动台设备都有现成的比较成熟的产品 ,这就减少了初期开发成本 ,同时克服了专用产品产量少而带来生产成本高的缺点;另外 ,由于是使用现成的产品 ,备品备件数量充分 ,而且价格相对便宜 ,这就减少了客户的维护和保养成本。

d) 段使用自由:2. 4 GHz 和 5 GHz 频段是WLAN产品比较通用的频段 ,而2. 4 GHz频段和5 GHz 频段在大部分国家和地区都是无需申请 ,可以自由使用的频段。因此 ,802.11 的一些产品在许多国家都可以使用 ,省去了麻烦的申请工作。 e) 准开放:随着通信和网络技术的发展 ,802.1WLAN 技术也不断地向前发展。由于 WLAN 方式采用的是开放的技术标准 ,因此 ,它能够在支持移动通信的同时又防止过时,这就克服了专用技术标准不能随时发展的缺点。

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