列车信号系统与无线局域网络通信融合技术研究

       一、概述
随着无线通信技术的发展，无线局域网（WLAN）技术和设备得到越来越多应用。现有无线局域网采用IEEE 802.11系列标准，其中2.4G是一个开放的ISM（企业、科学和医疗）频点，只要其无线接入点（AP）的发射功率及带外辐射满足无线电管理机构的要求，则无需提出专门的申请就可使用此ISM频段；而5.8G的频点需要向国家无线电管理委员会申请有偿使用，且大部分城市均只向具有基础电信运营商资质企业发布使用许可，不针对其它企业用户审批。
二、系统传输需求分析
（一）信号系统传输需求分析
目前，国内新建或改造的城市轨道交通项目大都采用基于通信的移动闭塞列车控制系统（CBTC），CBTC系统需要对每列在线运营列车实时运行进行监控，因此，就必须建立地面轨旁与列车的实时通信系统，而无线局域网（WLAN）技术的出现正好为此提供了一个良好的平台。
通常情况下，地面设备对列车传输的信息包括：线路特征信息（位置、坡道及曲线）、前方许可的移动授权（目标距离）、限速信息和目标速度等；列车对地面设备传输的信息包括：列车目的地码、车次号、本列车的定位信息及本列车的速度信息等。这些信息都是数字信息，信息编码长度较短，车一地传输的数据包长度一般不超过1000bits。信号系统供货商选择40～100Kbps的净传输速率作为其系统必须保证的最低传输速率。
另外，因信号系统直接控制列车的速度和移动授权，属于安全控制系统，任何干扰或非法侵入都将影响系统的安全性、可靠性和可用性，直接影响整个地铁的安全运营，因此，信号系统对数据传输的安全性、可靠性和实时性要求级别很高。
（二）PIS系统传输需求分析
乘客信息系统（PIS）是城市轨道交通项目中一个新出现的专业和系统。一方面能够提高城市轨道交通项目对乘客的服务水平，另一方面可以为城市轨道交通业主提供一个经营平台，具有较好的开发前景。
PIS系统的构成方案很多，有录播和实时两种基本形式，在通常情况下采用实时播放。地面设备对列车传输的信息包括：数字图像资讯信息、列车的紧急疏散信息、列车的预告信息等。列车对地面设备传输的信息包括：列车车厢内的视频监控图像信息、车辆运行状态信息（根据需要）等。这些信息基本上都是图像信息，如果传输的图像采用MPEG-2的编码方式，广播级的图像传输速率要求一般4～8Mbps；采用MPEG-4的编码方式，广播级的图像传输速率要求一般在1Mbps左右。按照PIS系统一般的传输要求：地对车采用MPEG-2传输1幅图像，车对地采用MPEG-4传输2幅图像，因此，对于一列列车而言需要6～10Mbps的净传输速率才能满足要求。车一地双向传输均采用MPEG-4图像编码方式时，则需要2～4Mbps左右的传输速率。
PIS系统为非安全系统，其传输数据的安全等级不是很高，即使信息完全中断也不会影响地铁系统的正常运营。
三、一体化建议方案及分析
IEEE 802.1X系列标准采用通用的信道编号，每个信道的中心频率和频带隔离是完全一致的（除FHSS外），只是信号调制方式不同。
根据通信传输需求分析，信号系统传输数据少，但安全等级高，适用的无线通信标准可以是IEEE 802.11、IEEE 802.11b和IEEE 802.11g；PIS系统传输数据量大，但安全等级较低，在采用MPEG-2的图像编码方式时必须选择IEEE 802.11g标准，在采用MPEG-4的图像编码方式时，可以选择IEEE 802.11b或IEEE 802.11g标准。
信号供货商提供的解决方案存在很大的差异，信号系统供货商提供的CBTC的数字传输DCS解决方案如表1所示。
为了保证信号系统无线通信的可靠性，通常信号系统供货商都会采取双网络覆盖的方式，提高系统成功进行车地通信的概率，并提高系统在故障情况下的恢复能力，但在一定程度上也占用了更多的频点资源。
信号系统与PIS系统采用频点避让的方式减少干扰，由信号供货商来统一频点规划和设计，使信号系统尽量在两个独立的隔离信道内解决传输问题，而将第三个独立的隔离信道作为PIS系统的车地传输通道，通过部分供货商提供的广州地铁试验结果分析，具有一定的可行性，但需要解决列车越区时的同频干扰和切换问题。
共建方式可以分为两种：一种为通过频点隔离措施分离信号系统与PIS系统的传输频率，是一个较为理想的共建方式，在物理上可以认为是分开的，这两个系统之间不会产生干扰和接口，便于共建和实施，且信号系统与PIS系统可以采用不同的传输标准，PIS系统必须采用IEEE 802.11g标准，而信号系统则可以采用IEEE 802.11b或IEEE 802.11g，另一种为PIS系统采用补空（即PIS系统利用信号系统的备用通道）的方式进行共建，在理论上是可行的， 但信号系统与PIS系统将深度融合，形成比较复杂接口，对于以后的运营、维护和管理提出很高的要求，且信号系统供货商在必要的时候，会以牺牲PIS的速率和带宽来优先保证信号系统的无线传输需求，在一定程度上会损坏PIS的利益，使PIS系统的传输可靠性可能得不到保障。因此，前一种共建方式是较为合理和可行的共建方案。
从传输媒介上分析，如果采用无线电台方式传输，其传输距离很短，因此越区切换次数较多，且频率很快，对列车无缝漫游提出很高的要求。如果采用漏缆或裂缝波导管方式传输，则会有效降低越区切换次数和频率，为保证可靠传输提供良好的媒介。
结束语
从理论上分析，一体化建议应该是可行的，但还面临着很多问题，如系统供货商需要修改无线传输部分的设计，且需要进行相关的试验，以验证方案的可行性等。因此，作者希望本文能起到抛砖引玉的作用，引起更多同行对此问题进行研究和讨论，以期提出更好的解决方案。值得注意的是，信号系统与PIS系统一体化共建无线局域网的方案是为了特定解决两个系统的冲突而提出的，而该方案肯定会在一定程度上降低各自系统的性能，因此需要得到各自系统供货商的承诺和保证 以避免在以后的设计过程中出现问题，影响系统的性能和指标。
参考文献
[1]徐杲，黎江.，无线传输系统在列车运行自动控制中的应用与发展[J].铁道勘测与设计，2006，10.
[2]薛仓.基于WLAN的车站接发列车信息管理系统的设计与实现[D].西南交通大学，2011，5.
（作者单位：北京铁路局天津电务段）