CH4-b4.5磁浮38G车地通信技术

4.5磁浮38G车地通信技术磁浮列车不同于一般轮轨式列车，它利用电磁感应的作用，沿导轨漂浮于空气中，与其轨道没有直接的接触，没有旋转部件，靠磁力推进，时速最高可达450-500公里。磁浮技术的发展与应用1922年，德国人赫尔曼（Hermann）最早提出了电磁浮原理，并在1934年获得了世界上第一项与磁浮技术相关的专利。1969年开始，德国联邦政府资助工业界开始进行磁浮铁路的开发工作。至1999年TR08型磁浮列车研制成功，德国在常导磁浮列车研究上的技术已经成熟。日本早在1962年就开始研究常导磁浮技术。随着超导技术的迅速发展，从70年代初，日本开始转而研究超导磁浮技术，并于1997年12月在山梨县的试验线上创造出时速为550km／h的世界最高记录。2000年底，中国政府决定引进德国常导高速磁浮技术，在上海建设示范运营线。2002年12月31日正式开始试运行，安全运行至今。运行控制系统与磁浮车辆、牵引、线路及道岔等设备或系统相连，完成对列车运行的控制、安全防护、自动运行及调度管理等任务。运行控制系统在整个磁浮交通系统中起着对列车进行自动控制与安全防护的核心作用。运行控制系统一般无需人工干预列车的运行，只在需要清除故障时才需运行控制人员按操作顺序进行人工干预。磁浮运行控制系统功能运行控制系统包括三层：一是位于控制中心的中央控制系统；二是位于牵引变电站或道岔房，与牵引区段对应的分区控制系统；三是位于列车上的车载运行控制系统。磁浮运行控制系统组成车载运行控制无线电传输列车自动运行操作员终端系统诊断终端系统中央控制层分区控制系统1分区控制系统2分区控制系统m…车载运行控制无线电传输磁浮38G车地通信系统在车辆与地面之间传输操作控制、牵引控制、诊断及旅客信息等数据，同时为车辆与中心的操作人员提供语音服务。图中OVC操作语音通信、PVC旅客语音通信、WAN广域网。磁浮38G车地通信技术38G毫米波毫米波属于高频段微波，波长范围1mm～10mm，频率覆盖30G～300GHz。与光波在频谱表上相距甚近，因而具有类似于光波的特性。毫米波非常有利于射频设备的小(微)型化和获得强的方向性，抗干扰、抗截获能力很强。同时可获取较高可用带宽。38GHz频段错开WLAN(无线局域网)频段及毫米波频段中的ISM(工业、科学、医用频断)区域，可保障频段使用的可用性和安全性。38GHz频段避开了毫米波段上受大气衰减较严重频段(如60GHz)，且处于毫米波较低频段系统，实现比较容易。在理想情形下，毫米波传播为视距传播方式，基本不存在反射与折射现象。但当磁浮列车高速移动（最高500km/h）时，不同障碍物(如隧道、列车、建筑物和地面等)会使电磁波传播产生复杂折射、反射效应，从而引起多径传输效应，产生严重的短暂时变衰落。同时，磁浮列车高速移动产生的多普勒效会使接收终端产生频率偏移和展宽，从而引起码间干扰。针对上述问题，首先采用了具有恒包络特性、相位连续以及对多普勒频移和频率容差不敏感的相位连续FSK（CPFSK）调制。CPFSK信号由于其相位的连续性,不仅具有实现容易、适用频带宽、抗干扰能力强、解调无需相干载波等优点,而且避免了一般FSK信号频率转换点相位不连续导致的功率谱很大的旁瓣分量,带限后会引起包络起伏的缺点。其次，采用分集技术对抗多径衰落的影响。分集技术是利用多条具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性的信号路径传输相同信息，并在接收端对这些信号进行适当的合并，以便大大降低多径衰落的影响，从而改善传输的可靠性。上海磁浮运营示范线使用了2种分集方法。一种是地点分集(Locationdiversity)，即一列车上有两处位置相差较远的天线；另一种是空间分集(Spacediversity)，即每个无线电收发器上有两根位置垂直、相距约10cm的天线。这些不同位置的天线构成不同的分集技术。磁浮38G车地通信系统包括中央无线电控制单元(CRCU)、分区无线电控制单元(DRCU)、光纤网(OFN)、地面无线电基站(RBS)和车载无线电系统五个部分。通信天线沿轨道及在列车的两端架设。磁浮38G车地通信系统构成中央无线电控制单元亦称中央无线电系统(CRS)，位于中央控制室。它是传输旅客信息(PIS)、诊断信息及语音信息的接口。中央无线电控制单元可以收集无线电系统的诊断信息，并结合自己的信息向诊断系统报告情况。可以在中央无线电控制单元上直接查看简单的无线电系统各部件的状态。另外，在中央无线电控制单元计算机上，可以对无线电系统进行配置，如基站工作范围、IP地址等。中央无线电控制单元(CRCU)分区无线电控制单元亦称分区无线电系统(DRS)，可以最多连接2个分区控制系统，并在一个包含1条或多条轨道的特定区段内控制无线电传输。无线电光纤网的结构与分区控制系统的区域相对应。分区无线电控制单元与该区域内的所有无线电基站(RBS)相连，控制无线电基站连接，即仅触发列车所在的一个无线电基站建立与列车的连接。为了保持与列车的不间断通信，并提高通信稳定性，每一辆磁浮列车同时与轨道旁的两个无线电基站保持通信。这两个无线电基站处于不同的网络里，它们接收几乎同样的信息。这样可以保证在任何一个单独基站或网络发生故障时，都不会影响车地之间的通信。分区无线电控制单元(DRCU)列车与地面基站之间的冗余通信光纤网(OFN)光纤网用于连接无线电基站和分区无线电控制单元。无线电基站以梳状连接成一个环结构，即2组无线电基站内部相联并使用不同的光纤网络连接到分区无线电控制单元，以实现较高的可用性。无线电基站(RBS)无线电基站架设在轨道的旁边，每隔一段距离架设一根，架设时必须做到无线电无盲区覆盖。无线电基站的间距为0.3～1.1km，使用频率为37.1～38.5GHz，输出功率约0.05w(每个方向)。无线电基站由天线杆、连接盒、基站收发器、基站控制器及基站天线组件等组成。连接盒位于天线杆的底端，内有电源变压器，为各种无线电基站设备提供电源。基站控制器置于连接盒中，它接收网络中的数据报文，如果是发生合本站，则接收，如果不是，则转发出去。另外，它还将基站收发器收到的信号经光电转换后利用光纤网发送出去。基站收发器控制天线信号的收发功能。当该无线电基站没有激活时，只作为光纤信号的中继器(提供光电转换)。每个基站有四个天线，两根天线是作为两个相反方向的发送和接收用；另外两根天线(一个方向一根)是接收天线，是附加的接收通道以获得空间分集。每对天线(一个方向)能够单独调整以沿轨道方向获得最佳的无线电波束。使用两种工厂预制的天线类型：一种设计成用于弯道使用的宽辐射角度类型，另外一种设计成用于长直线运行的窄辐射角度类型以获得较高的增益。基站天线车载无线电系统车载无线电系统包括整流罩、组合天线、车载无线电控制单元。整流罩是车载无线电系统的可见部分，位于车辆两端顶部。在500km／h以上速度下工作时，具有航空动力学上的低阻、低噪声发送、坚固设计以及在毫米波频率的低插入损耗。组合天线位于整流罩的正下方，提供4根天线(仍然是为了空间分集和反方向的接收)。移动式天线设计成中等的方位发射角，因为它们必须在轨道的曲线和直线路段都能得到最佳的工作效果。数据和控制信号通过RS-422接口连接到车载无线电控制单元。车载无线电控制单元控制着无线电系统的移动部分，提供移动用户的各种接口。数据传输从CRCU到DRCU的数据是通过广域网（WAN＃l）传输的。两个系统通道A和B使用WAN＃l的不同光缆。要传输的数据在无线设备间通过两个系统通道A和B中同时并行发送。无线数据传输系统沿线分到各个无线区段中（无线区段与一条或两条轨道的DOCS区段相一致）。每个无线区段由DRCU管理，DRCU利用车辆管理无线传输基站。每个分区无线控制中心有两个连接基站A1、A2，An和B1、B2、Bn的局域网A和B（LAN-A中基站的编号可不同于LAN-B的编号）。两个局域网环的基站形成沿线的梳状结构。一个基站发送和接收来自沿线与天线排列一致的两个方向的信息。所有局域网A的基站用统一频率发射接收。为避免相互干扰，LAN环B的基站用其他频率传输。图中MAA移动天线组件，MST移动台收发器。无线传输与越区切换无线电系统现使用三组频率。分区无线电控制单元只要距离足够远，就可以使用相同的无线电频率，不会导致相互干扰。如图所示，在一个无线电区域内，信道A无线电基站以频率f1向车载电台发射，信道B则以频率f2向车载电台发射；相反车载电台以频率f3向信道A基站传输信息，以频率f4向信道B基站传输信息。当列车向前运行时，无线电信道An、Bn的基站将切换到无线电基站An+1、Bn+1。运行控制系统分区设备除无线电基站数量不同外，其它完全一致，所不同的是在分区内无线电信道频率不同而已。无线电基站的切换由无线电系统自身控制，使用的是PRW定位数据。当然该定位数据将与运行控制系统的定位数据进行比较，如果误差大于20m，系统将认为PRW信息不可用，将使用OCS定位信息。系统设定了分区交接区域。例如，当列车从龙阳路开往浦东国际机场，运行在A轨，那么当列车到达一定位置时，系统就启动无线电分区交接，先切换A通道，一定时间(例如几百ms)后切换B通道。因此在分区切换过程中，也始终是存在无线电连接的。TDMA通信机制车地通信系统为了实现DRCU能同时与无线区段内的多个MRCU通信，采用时分多址接入方式（TDMA），循环周期为20ms，每个周期分为8个时隙，传输速率为4Mbps。在每20ms时间间隔内，共分为8个时隙，其中有2个时隙用于“运行”列车、2个时隙用于“停止”列车、3个时隙用于“存车”列车、第8个时隙用于内部测试。DRCU可管理13个列车，可与分区内的两辆“运行”状态列车、两辆“停止”状态列车和三辆“存车”状态列车同时通信，其他处于“存车”状态的列车通过轮询的方式通信。通过TDMA机制，将数据、状态、话音及诊断等信息按一定的规则，复接到每个时隙，以实现DRCU能同时与无线区段内的多个MRCU通信。同时，将一些重要信息按一定的规律复接到每个时隙，以提高传输的可靠性和误码率。运行车辆#1测试存车车辆#3存车车辆#2存车车辆#1停止车辆#2停止车辆#1运行车辆#2存车车辆#5存车车辆#4存车车辆#11存车车辆#10轮询模式说明：1、传输速率为4.096Mbps2、轮询周期为20ms3、不同状态的车辆分布的时隙是固定的4、不同状态的车辆的数据长度是不同的5、要求在测试时隙内完成本次状态的测试6、传输的帧结构为TDMA帧结构OCS数据Eth数据ISDND+VPRW数据20ms时隙1时隙8时隙7时隙6时隙5时隙4时隙3时隙24.6城轨CBTC系统WLAN车地通信技术基于通信的列控系统（简称CBTC）是集现代计算机、通信及控制技术与传统信号技术为一体的复杂系统。其系统装备分别安装在每列列车、分布在每个车站，并覆盖整条线路，实现列车运行全过程的安全防护、速度控制以及精确停车，是列控技术发展方向。以太网RF模块多普勒雷达里程计AP箱AP箱802.11b/g802.11b/gWGB漏泄同轴电缆漏泄波导管自由波天线自由波天线AP覆盖约300-350米特点：技术成熟造价低应用：北京亦庄线，昌平线漏泄波导管AP覆盖最大1600米特点：抗干扰能力强安装工作量大应用：北京亦庄线，昌平线漏泄电缆AP覆盖最大800米特点：抗干扰能力强安装较为简便应用：北京一号线52号站试验城轨CBTC系统基于无线局域网WLAN实现车地双向实时数据通信发展中的802.11协议IEEE802.11协议分布PHY802.11(1/2Mbps)802.11b(5.5/11Mbps)802.11g(54Mbps)802.11a(54Mbps)MAC802.11/11a/11b/11g/11nMAC802.11e—QoS802.11i—安全增强802.11n(300Mbps)802.11f—漫游和切换802.11h—动态调整802.11s—