隧道場(chǎng)景下的列車間直接通信技術(shù)

◆夏賢輝

（杭州縱橫通信股份有限公司 浙江 310000）

平原環(huán)境條件下，列車之間的直接通信可通過超短波通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，但是在復(fù)雜的隧道場(chǎng)景下，這種通信系統(tǒng)便不能夠有效滿足列車之間的直接通信需求。所以在通信過程中，可以將超短波作為基礎(chǔ)來拓展通信頻段，以此實(shí)現(xiàn)多頻段直接通信系統(tǒng)的構(gòu)建，讓列車在隧道場(chǎng)景下也能夠?qū)崿F(xiàn)有效的直接通信。

1 列車在隧道場(chǎng)景下的直接通信信道特征

在本次所研究的直接通信系統(tǒng)中，列車在隧道場(chǎng)景下的直接通信主要可表現(xiàn)出以下特征：第一，因?yàn)槭瞻l(fā)信機(jī)處于相對(duì)移動(dòng)狀態(tài)，所以列車在隧道環(huán)境中直接通信時(shí)也存在多普勒效應(yīng)。第二，隧道環(huán)境中，電磁波也可以在各個(gè)列車之間進(jìn)行有效傳播，其插混播可以按照近場(chǎng)區(qū)以及遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行劃分，其中，近場(chǎng)區(qū)的傳播形式為視距，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的傳播形式為散射和反射。第三，在隧道環(huán)境下，電磁波傳播也具有多徑效應(yīng)，在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，多徑效應(yīng)會(huì)減弱接收信號(hào)；在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)，多徑效應(yīng)會(huì)在反射區(qū)表現(xiàn)得更加明顯，讓信號(hào)矢量形成疊加，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的進(jìn)一步增強(qiáng)[1]。

2 列車在隧道場(chǎng)景下的直接通信技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1 通過頻段設(shè)計(jì)

為保障列車可以在多變的鐵路環(huán)境中實(shí)現(xiàn)直接、可靠的通信，頻帶選擇是關(guān)鍵。具體選擇中，應(yīng)以列車實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境作為依據(jù)，比如，在平原環(huán)境下，其直接通信可采用150MHz 的超短波頻段。

列車之間進(jìn)行直接通信時(shí)，需要借助電磁波來完成列車之間的信息傳遞；而列車運(yùn)行在隧道環(huán)境下時(shí)，為了讓信息能夠在隧道內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效傳輸，需要保障通信頻段超過矩形隧道截止頻率。在計(jì)算矩形隧道截止頻率時(shí)，可通過以下公式來粗略估計(jì)：

其中，fc代表矩形隧道截止頻率，w代表隧道寬度，h代表隧道高度，00εμ代表自由空間中的介電常數(shù)以及磁導(dǎo)率，m代表水平面上的電磁波反射次數(shù)，n代表垂直面上的電磁波反射次數(shù)，大多隧道的截止頻率通常在幾十兆赫左右[2]。

在隧道環(huán)境下，電磁波在傳播過程中會(huì)伴隨著波導(dǎo)效應(yīng)，信號(hào)減弱，以下是隧道環(huán)境下的水平與垂直極化波減弱公式：

其中，L1代表水平極化波減弱值，L2代表垂直極化波減弱值，λ代表波長(zhǎng)，εr1代表左右兩側(cè)相對(duì)介電常數(shù)，εr2代表上下兩端相對(duì)介電常數(shù)。

通過以上的公式可以發(fā)現(xiàn)，在直隧道環(huán)境下，電磁波傳播過程中的減弱情況與波長(zhǎng)之間有著反比關(guān)系，所以在隧道環(huán)境中，工頻波段需要具有足夠強(qiáng)的波導(dǎo)效應(yīng)和對(duì)多徑干擾的抵御能力。通過對(duì)各種頻段下的電磁波特征對(duì)比分析，最終將工頻是34GHz，即8mm 波選作隧道環(huán)境下的工頻波段。

2.2 通信范圍設(shè)計(jì)

列車在隧道場(chǎng)景下直接通信技術(shù)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在隧道中前后行使列車之間的直接信息交換，所以其最小的通信距離也應(yīng)該超過列車的制動(dòng)距離，通常是其制動(dòng)距離的兩倍。平原環(huán)境下的通信距離是15km，而在隧道環(huán)境中，通信距離應(yīng)根據(jù)波段和列車具體的制動(dòng)距離來加以合理確定。

電磁波在隧道環(huán)境下的傳播過程中，其區(qū)域主要分為兩個(gè)，其一是近場(chǎng)區(qū)，近場(chǎng)區(qū)的傳播形式為視距，其二是遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的傳播形式為散射和反射。按照Fresnel 這一理論，可以將近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)中電磁波傳播按照以下公式來進(jìn)行劃分：

為有效保障信息可以在列車之間的直接交換達(dá)到實(shí)時(shí)可靠的效果，可以按照以下方式對(duì)（4）予以修正：

在本次所研究的高鐵單線長(zhǎng)直隧道中，可以將隧道等效成一個(gè)矩形隧道，其寬度是7.8m。高度是5.3m，為有效保障其通信的可靠性，按照3.5km 對(duì)其間斷點(diǎn)進(jìn)行修正。在該隧道內(nèi)，高鐵列車的時(shí)速是200km，制動(dòng)距離在2km 以內(nèi)，因此，可以將通信距離確定為4km。

本次研究中，主要通過菲涅爾區(qū)半徑法對(duì)通信距離進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證，具體驗(yàn)證中，在菲涅爾區(qū)域上選擇一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)和TR 之間的連線垂直距離就是該菲涅爾區(qū)的半徑[3]。具體情況如下圖所示：

圖1 菲涅爾半徑連續(xù)邊界示意圖

具體驗(yàn)證中，可通過以下公式來進(jìn)行其同心圓半徑計(jì)算：

在上式中，第一菲涅爾區(qū)為n=1。就實(shí)際而言，菲涅爾區(qū)主要是將發(fā)射機(jī)以及接收機(jī)作為焦點(diǎn)的一個(gè)橢圓，通常情況下，如果第一菲涅爾區(qū)不存在遮擋的障礙物，就可以將電磁波繞射過程中的損耗忽略不計(jì)。而進(jìn)行時(shí)距鏈路的設(shè)計(jì)過程中，只要保障第一菲涅爾區(qū)內(nèi)的55%的區(qū)域范圍無遮擋，其他區(qū)域的情況對(duì)于電磁波的繞射損耗基本不會(huì)造成影響。

在速調(diào)場(chǎng)景中，列車之間的直接通信可借助于定向天線來實(shí)現(xiàn)，其頻段是34GHz 形式的毫米波段，且波束比較集中。所以可按照以下方式對(duì)（6）進(jìn)行修正：

圖2 是列車在隧道環(huán)境下直接進(jìn)行通信的示意圖：

圖2 列車在隧道環(huán)境下直接進(jìn)行通信的示意圖

其中，隧道高度和列車高度已知，車頂和隧道頂部的距離是0.5m，這個(gè)距離在第一菲涅爾區(qū)域內(nèi)，所以能夠保障通信的可靠性。天線安裝在列車頂部，和地面之間的距離是5.1m，將頻段波長(zhǎng)8mm、通信距離4km 以及n=1 帶入到公式（7）中，由此可求出其菲涅爾區(qū)的半徑是1.63m，且通過計(jì)算得出，在該菲涅爾區(qū)域內(nèi)，僅僅有16.3%的區(qū)域被遮擋，滿足電磁波在隧道內(nèi)的傳播需求，由此可判斷，該通信距離可靠。

2.3 發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

在發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)中，需要考慮寄生輸出、諧波輸出、近距離噪聲、寬帶噪聲、最大信號(hào)功率、平均信號(hào)功率、頻率以及振幅穩(wěn)定性。具體通信中，發(fā)射機(jī)主要可對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行高頻載波調(diào)制，使其轉(zhuǎn)變成具備一定帶寬，可在某一中心頻率上與通過電線中所發(fā)射電磁波相適應(yīng)的載波。本次設(shè)計(jì)中，便將汽車防撞雷達(dá)中的毫米級(jí)多頻段波發(fā)射機(jī)作為依據(jù)，設(shè)計(jì)了一種發(fā)射機(jī)，該發(fā)射機(jī)應(yīng)用的電路是四倍頻單片形式，可進(jìn)行四倍頻信號(hào)發(fā)射和毫米波獲得，以此來保障列車在隧道條件中的直接通信效果。下圖為本次所設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)框架圖：

圖3 本次所設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)框架圖

2.4 收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)

在對(duì)隧道條件下的列車直接通信系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保障其噪聲系數(shù)較低、互換失真以及群時(shí)延變化較小、頻率動(dòng)態(tài)范圍較大、自動(dòng)增益控制穩(wěn)定、中頻增益與射頻增益適當(dāng)、頻率平坦度和穩(wěn)定性極好等。在本次研究中，以平原地區(qū)適用的超外差二次形式混頻接收機(jī)作為基礎(chǔ)，進(jìn)行了隧道條件中雷車之間直接同通信收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)。在多頻段形式的接收機(jī)內(nèi)，LNA 低噪聲放大器屬于雙頻段、并行形式，可在兩種頻段下保障硬件共享，并將列車定位技術(shù)作為基礎(chǔ)，通過頻率合成器對(duì)其具體運(yùn)行情況進(jìn)行判斷，判斷過程中，頻率合成器中將會(huì)有預(yù)制實(shí)際情況相對(duì)應(yīng)的本振信號(hào)產(chǎn)生，同時(shí)將信號(hào)向MIXER1 第一混頻器提供，然后再通過n 分頻器向MIXER2 第二混頻器提供[4]。下圖是本次所設(shè)計(jì)的收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)框架圖：

圖4 本次所設(shè)計(jì)的收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)框架圖

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在列車行駛于隧道環(huán)境中時(shí)，與其他列車之間的良好直接通信效果是保障其運(yùn)行效果和運(yùn)行安全的關(guān)鍵措施。因?yàn)樗淼拉h(huán)境和平原環(huán)境不同，電磁波的傳播很容易受到各方面因素的影響，進(jìn)而出現(xiàn)偏差。為有效避免此類情況的發(fā)生，提升列車在隧道環(huán)境中的直接通信效果，就需要對(duì)其直接通信系統(tǒng)進(jìn)行研究。具體研究中，可將平原環(huán)境下的列車直接通信系統(tǒng)和相應(yīng)技術(shù)設(shè)備作為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際情況來做出合理的優(yōu)化與改進(jìn)，以此來保障信號(hào)在隧道內(nèi)列車之間的直接傳播效果。