面向城市軌道交通列車(chē)控制系統(tǒng)的車(chē)車(chē)通信技術(shù)探討

朱 力，唐 濤，龔泰源，梁 豪，趙紅禮，蔣海林，李宗平

（1.北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.交控科技股份有限公司，北京 100070）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，軌道交通已成為現(xiàn)代都市不可或缺的公共交通方式。其中，基于通信的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)(communication-based train control，CBTC)在城市軌道交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。CBTC 系統(tǒng)中常使用無(wú)線局域網(wǎng)(wireless local area network，WLAN)技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車(chē)與地面的通信，使用802.11 標(biāo)準(zhǔn)在2.4 GHz 頻段傳輸數(shù)據(jù)。然而，隨著全自動(dòng)運(yùn)行和智慧地鐵的興起，WLAN 技術(shù)面臨著速度低、覆蓋范圍有限、鏈路設(shè)計(jì)復(fù)雜、無(wú)線干擾頻發(fā)和資源調(diào)度低效等問(wèn)題，無(wú)法滿足安全性和服務(wù)質(zhì)量的要求。此外，CBTC 的系統(tǒng)架構(gòu)也備受關(guān)注，設(shè)備數(shù)量繁多、結(jié)構(gòu)繁雜，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和維護(hù)成本。同時(shí)，列車(chē)間缺乏直接通信鏈路，依賴軌旁設(shè)備傳輸核心數(shù)據(jù)，導(dǎo)致額外的系統(tǒng)延遲和潛在故障風(fēng)險(xiǎn)。

相比于WLAN 技術(shù)，長(zhǎng)期演進(jìn)(long term evolution，LTE)系統(tǒng)具備更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更低的系統(tǒng)延遲。國(guó)際鐵路聯(lián)盟早在2010 年之前就指出，LTE 網(wǎng)絡(luò)可以成為未來(lái)鐵路無(wú)線通信的媒介。其中，設(shè)備到設(shè)備(device-to-device，D2D)通信技術(shù)是一種直接通信技術(shù)，可以讓設(shè)備之間直接通信，建立和通信資源調(diào)度由基站集中控制。這為城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展提供了車(chē)車(chē)通信的可能性。因此，研究人員提出將車(chē)車(chē)(train-to-train，T2T)通信融入CBTC 系統(tǒng)中，以進(jìn)一步提高列車(chē)的安全性。早在2007 年，Garcia 等研究了列車(chē)避障系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了T2T 通信，大大降低了列車(chē)相撞的風(fēng)險(xiǎn)[1]。文獻(xiàn)[2]對(duì)D2D 技術(shù)在城市軌道交通無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并提出了一種基于D2D 的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)，旨在減少地面設(shè)備實(shí)現(xiàn)列車(chē)間通信，縮短系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間和減少設(shè)備接口數(shù)量?；诜▏?guó)里爾1 號(hào)線的CBTC 系統(tǒng)模型，文獻(xiàn)[3]提出了一種新型CBTC 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車(chē)間直接通信。文獻(xiàn)[4]將T2T 通信引入高速鐵路和城市軌道交通的下一代通信方案中。

在我國(guó)地鐵領(lǐng)域，基于車(chē)車(chē)通信的列控系統(tǒng)已有相關(guān)研究。例如，交控科技提出的基于車(chē)車(chē)通信的列車(chē)控制系統(tǒng)(vehicle-to-vehicle communication based train control system，VBTC)通過(guò)通信資源的按需分配和列車(chē)運(yùn)行的協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)了列車(chē)自主運(yùn)行控制[5]，上海富欣智控與青島四方車(chē)輛研究所共同研發(fā)的基于車(chē)車(chē)通信的列車(chē)自主運(yùn)行系統(tǒng)(train autonomous circumambulate system，TACS)已在青島地鐵6 號(hào)線成功上線調(diào)試[6]。以車(chē)車(chē)通信為核心的列控系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)CBTC 系統(tǒng)僅以地面設(shè)備為中心的列車(chē)操縱方法，調(diào)整了系統(tǒng)架構(gòu)并加強(qiáng)了系統(tǒng)功能，推動(dòng)了地鐵全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)向基于車(chē)車(chē)通信的自主運(yùn)行方向的發(fā)展。

基于車(chē)車(chē)通信的列車(chē)運(yùn)行控制技術(shù)不僅提供了安全可靠的通信鏈路，滿足了CBTC 系統(tǒng)對(duì)安全性和可靠性的要求，同時(shí)提供了更高效、多樣化和經(jīng)濟(jì)的技術(shù)方案。因此，本文深入探討了基于車(chē)車(chē)通信技術(shù)的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)。首先介紹了系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，然后綜述了當(dāng)前主流的基于邏輯點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和物理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的車(chē)車(chē)通信技術(shù)，最后結(jié)合城市軌道交通車(chē)車(chē)通信的典型運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行了傳輸距離的計(jì)算與分析，并基于列車(chē)運(yùn)行安全和通信質(zhì)量給出了車(chē)車(chē)通信模式選擇的建議。希望本文的研究可為城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)中的車(chē)車(chē)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用提供參考和理論依據(jù)。

1 基于車(chē)車(chē)通信的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)基本原理

基于車(chē)車(chē)通信的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱“列控系統(tǒng)”)是一種先進(jìn)的列車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)，以具備車(chē)車(chē)通信能力的列車(chē)為核心，并通過(guò)列車(chē)控制系統(tǒng)與車(chē)載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等高度融合，實(shí)現(xiàn)列車(chē)主動(dòng)進(jìn)路、自主防護(hù)、自主運(yùn)行等技術(shù)功能。相較于傳統(tǒng)CBTC 系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅具有更高的安全性、可靠性和運(yùn)營(yíng)效率，而且建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本更低。基于車(chē)車(chē)通信的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的推廣，實(shí)現(xiàn)了列車(chē)控制從集中控制到分布式控制、從列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行到自主運(yùn)行技術(shù)的轉(zhuǎn)變，是未來(lái)列控系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。

基于車(chē)車(chē)通信的列控系統(tǒng)以列車(chē)自主運(yùn)行計(jì)算為中樞，選用了扁平化的系統(tǒng)框架，在保障傳統(tǒng)CBTC運(yùn)行安全性的條件下，將軌旁聯(lián)鎖設(shè)備(computer interlocking，CI)和區(qū)域控制設(shè)備(zone controller，ZC)的職責(zé)下沉至列車(chē)設(shè)備上，并通過(guò)車(chē)車(chē)通信實(shí)現(xiàn)列車(chē)主動(dòng)進(jìn)路和自主防護(hù)等功能。該系統(tǒng)框架化簡(jiǎn)了軌旁設(shè)備設(shè)置，優(yōu)化了各子系統(tǒng)間接口設(shè)計(jì)，縮減了系統(tǒng)復(fù)雜度和維護(hù)成本，同時(shí)提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，有力地降低了建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的投入。如圖1所示，基于車(chē)車(chē)通信的列控系統(tǒng)架構(gòu)主要分為4 個(gè)部分：列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(automatic train supervision，ATS)中心、地面對(duì)象控制器(object controller，OC)、車(chē)載控制器(on-board controller，OBC)以及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(data communication system，DCS)。

圖1 基于車(chē)車(chē)通信的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)架構(gòu)Figure 1 Architecture of train operation control system based on train-to-train communication

基于車(chē)車(chē)通信的列控系統(tǒng)具體的控制流程包括：列車(chē)從中央ATS獲取預(yù)先編排好的時(shí)刻表運(yùn)行圖或?qū)崟r(shí)人工進(jìn)路；OC 及時(shí)記錄列車(chē)信息和道岔進(jìn)路等資源占用情況，并向列車(chē)反饋執(zhí)行列車(chē)控制命令；當(dāng)列車(chē)在正線行駛時(shí)，OBC 直接向鄰車(chē)通信以獲取位置，獲得鄰車(chē)區(qū)段資源占用和釋放信息，向鄰車(chē)申請(qǐng)資源占用，同時(shí)向OC 報(bào)告登記位置和查詢道岔區(qū)段等實(shí)體資源的占用情況；根據(jù)自主計(jì)算的進(jìn)路，列車(chē)通過(guò)車(chē)載控制單元、牽引控制單元和制動(dòng)控制單元計(jì)算列車(chē)運(yùn)行曲線，并進(jìn)行精準(zhǔn)控制；OC 監(jiān)測(cè)和控制實(shí)體資源狀態(tài)，同時(shí)接收來(lái)自控制中心下達(dá)的臨時(shí)操作命令[7]。

基于車(chē)車(chē)通信技術(shù)的列控系統(tǒng)顛覆了傳統(tǒng)區(qū)域控制器集中式的列車(chē)運(yùn)行控制方式，通過(guò)車(chē)車(chē)通信技術(shù)直接進(jìn)行信息傳輸實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行控制，并在傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)基礎(chǔ)上重新分配系統(tǒng)功能，強(qiáng)調(diào)列車(chē)依靠自身感知手段來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)安全和高效的運(yùn)行控制。借助列車(chē)間的直接通信，當(dāng)前列車(chē)能夠獲取前車(chē)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，包括位置、速度和加速度等。通過(guò)對(duì)前車(chē)行駛曲線的預(yù)測(cè)，可以計(jì)算出兩車(chē)之間不會(huì)發(fā)生位移重合的安全防護(hù)速度。在保證列車(chē)前后方安全距離的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)兩列相鄰的列車(chē)以允許的最大速度和較小間隔運(yùn)行，這一技術(shù)創(chuàng)新為列車(chē)運(yùn)行的安全性和效率提供了重要保障。利用車(chē)車(chē)通信技術(shù)，該列控系統(tǒng)正線追蹤間隔最小可達(dá)到80 s，相比CBTC系統(tǒng)可縮短11%；折返間隔最小可達(dá)到85 s，相比CBTC 系統(tǒng)可降低29%，這大幅提升了運(yùn)營(yíng)效率[8]。

2 面向列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的車(chē)車(chē)通信技術(shù)

2.1 基于邏輯點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)?/h3>

車(chē)車(chē)通信技術(shù)

基于邏輯點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)能?chē)車(chē)通信技術(shù)主要是指在系統(tǒng)中，一列車(chē)只需要知道另一列車(chē)的邏輯IP，就可以通過(guò)基站和核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)的車(chē)車(chē)通信技術(shù)。圖2 是基于邏輯點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)氖疽鈭D，前車(chē)將位置、速度等信息上傳至軌旁基站，基站通過(guò)骨干網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的方式，轉(zhuǎn)發(fā)至后車(chē)所在基站位置。隨后基站通過(guò)與后車(chē)通信的方式告知前車(chē)位置、速度。

圖2 基于邏輯點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)能?chē)車(chē)通信示意Figure 2 Schematic illustration of train-to-train communication based on logical point-to-point transmission

由于目前軌道交通數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的車(chē)輛都有邏輯IP，因此現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)都支持基于邏輯點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)能?chē)車(chē)通信系統(tǒng)。具體的通信技術(shù)包含以下3 種。

2.1.1 WLAN 技術(shù)

無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)是一種無(wú)線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，其基本構(gòu)成為站點(diǎn)、基本服務(wù)單元(basic service set，BSS)、分配系統(tǒng)(distribution system，DS)、接入點(diǎn)(access point，AP)、擴(kuò)展服務(wù)單元(extended service set，ESS)和關(guān)口(portal)。WLAN 已經(jīng)經(jīng)歷了從802.11 的2Mbps帶寬到802.11ax 的多用戶MIMO 和9.6Gbps 通道帶寬等多個(gè)版本的技術(shù)發(fā)展，使其具備了強(qiáng)大的通信能力。隨著新技術(shù)的應(yīng)用，地鐵控制系統(tǒng)也越來(lái)越多地采用數(shù)據(jù)通信，并常常采用WLAN 構(gòu)建地面和列車(chē)之間的無(wú)線鏈路。此外，一些服務(wù)應(yīng)用于列車(chē)上，如乘客信息服務(wù)系統(tǒng)(passenger information system，PIS)，也開(kāi)始使用WLAN 技術(shù)，主要用于車(chē)廂監(jiān)控、車(chē)載電視等服務(wù)。

通過(guò)WLAN，列車(chē)與地面設(shè)備相連，列車(chē)將信息傳輸至地面設(shè)備后，地面設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)該信息至目標(biāo)車(chē)輛所在區(qū)域的地面設(shè)備，隨后再經(jīng)WLAN 傳輸數(shù)據(jù)至目標(biāo)列車(chē)，形成基于邏輯點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的車(chē)車(chē)通信。

2.1.2 LTE 技術(shù)

LTE 是一種無(wú)線數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，旨在提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的延遲和更好的用戶體驗(yàn)。該技術(shù)采用正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)和多輸入多輸出(multiple-input multiple-output，MIMO)等關(guān)鍵技術(shù)，顯著提高了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率?！冻鞘熊壍澜煌ㄜ?chē)地綜合通信系統(tǒng)(LTE-M)規(guī)范》是一個(gè)基于時(shí)分長(zhǎng)期演進(jìn)(TD-LTE)技術(shù)的通信規(guī)范[9]，其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足城市軌道交通的綜合業(yè)務(wù)需求。相較于公用的LTE 系統(tǒng)，LTE-M有很多優(yōu)勢(shì)，如較小的傳輸延遲、較少的專用頻段干擾、多層次的優(yōu)先級(jí)調(diào)度配置，以及認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議(authentication and key agreement，AKA)、安全防護(hù)機(jī)制和自動(dòng)頻率調(diào)整等，這些優(yōu)勢(shì)有助于保證城市軌道交通的安全和效率。

LTE-M 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通車(chē)地通信領(lǐng)域，相比傳統(tǒng)的WLAN 車(chē)地?zé)o線通信技術(shù)，它具有移動(dòng)接入性強(qiáng)、傳輸速率高、穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)，武漢地鐵6 號(hào)線于2016 年12 月28 日開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，成為首條采用LTE 承載CBTC 業(yè)務(wù)的城市軌道交通線路。南京寧高城際于2017 年12 月30 日開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，是國(guó)內(nèi)首條速度目標(biāo)值為120 km/h，LTE-M 綜合承載CBTC、PIS、車(chē)載CCTV、TCMS 業(yè)務(wù)的線路。

2.1.3 5G 技術(shù)

第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5th generation mobile networks或5th generation wireless systems，簡(jiǎn)稱5G)是最新的移動(dòng)通信技術(shù)。它的性能目標(biāo)是高速率數(shù)據(jù)傳輸、低延遲、省電、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接。5G 的無(wú)線接入技術(shù)是NR(new radio)，它支持更高的帶寬、更高的速度和更低的延遲。大規(guī)模天線技術(shù)可以提高網(wǎng)絡(luò)容量、覆蓋范圍和信號(hào)質(zhì)量。5G 將支持更多的設(shè)備連接，同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)效率和性能。此外，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)也將帶來(lái)更高的靈活性和可編程性，從而加速網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新。

目前，軌道交通正在逐步采用5G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。例如，2019 年，深圳地鐵已經(jīng)使用5G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了車(chē)載數(shù)據(jù)的車(chē)地傳輸，通過(guò)增加小型智能5G 終端設(shè)備在列車(chē)和車(chē)站、停車(chē)場(chǎng)、車(chē)輛段等地，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛之間數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸。2020 年，南京地鐵2 號(hào)線在馬群車(chē)輛段建設(shè)了5G 實(shí)驗(yàn)基站，用于承載地鐵車(chē)輛綜合業(yè)務(wù)。5G 傳輸技術(shù)將大大增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性，例如，對(duì)于每天信號(hào)系統(tǒng)的車(chē)載日志，實(shí)現(xiàn)了秒級(jí)下載。

2.2 基于物理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)能?chē)車(chē)通信技術(shù)

基于物理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)能?chē)車(chē)通信技術(shù)主要是指車(chē)與車(chē)之間不經(jīng)過(guò)任何基站轉(zhuǎn)發(fā)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，前車(chē)不經(jīng)過(guò)地面基站而直接通過(guò)車(chē)—車(chē)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的方式向后車(chē)傳輸關(guān)鍵信息。圖3 是基于物理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸示意。

圖3 基于物理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)能?chē)車(chē)通信示意Figure 3 Schematic illustration of train-to-train communication based on physical point-to-point transmission

目前支持實(shí)現(xiàn)物理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)車(chē)車(chē)通信的技術(shù)主要指的是蜂窩網(wǎng)的設(shè)備到設(shè)備通信(device-to-device，D2D)技術(shù)以及車(chē)聯(lián)網(wǎng)的車(chē)車(chē)通信(vehicle-to-vehicle，V2V)技術(shù)，具體包括以下3 種。

2.2.1 LTE 系統(tǒng)的D2D 技術(shù)

D2D 技術(shù)是LTE R12 版本中推出的一種技術(shù)，它允許在蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站的控制下，用戶設(shè)備直接使用小區(qū)內(nèi)的傳統(tǒng)蜂窩用戶頻譜資源進(jìn)行通信[10]。與傳統(tǒng)的設(shè)備直連技術(shù)(如ZigBee)和藍(lán)牙相比，D2D 用戶終端能夠借用部分蜂窩網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)空間、頻譜和硬件資源，這使得D2D 通信在可靠性和性能上都得到了顯著的提升。鐵路移動(dòng)通信領(lǐng)域尤其關(guān)注D2D 通信技術(shù)的無(wú)中心化特點(diǎn)，基于這一特點(diǎn)，可以進(jìn)一步提高列控系統(tǒng)的資源管理效率，減少額外的信令交互導(dǎo)致的時(shí)延開(kāi)銷。

近年來(lái)，D2D 通信在列車(chē)通信中的應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注，被稱為T(mén)2T(train-to-train)通信。列車(chē)控制系統(tǒng)通過(guò)使用車(chē)對(duì)車(chē)的通信系統(tǒng)，能夠減少對(duì)地面設(shè)備子系統(tǒng)的依賴，同時(shí)將部分地面設(shè)備和功能集成到列車(chē)本身中。這種車(chē)車(chē)通信方式能夠提高列車(chē)控制反應(yīng)能力，滿足列車(chē)智能駕駛等功能的時(shí)延需求[11]。相比傳統(tǒng)的車(chē)—地—車(chē)通信方式，車(chē)車(chē)通信方式減少了通信的中間過(guò)程，因此是下一代列車(chē)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2.2 5G NR 系統(tǒng)的D2D 技術(shù)

作為關(guān)鍵候選技術(shù)，D2D 在面向5G 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注，其具有提高系統(tǒng)性能、優(yōu)化用戶體驗(yàn)、擴(kuò)展蜂窩通信應(yīng)用等潛在優(yōu)勢(shì)。在5G 的D2D 場(chǎng)景中，網(wǎng)絡(luò)僅需配備一個(gè)全向天線基站，從而降低系統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜度。該網(wǎng)絡(luò)采用OFDM 技術(shù)，將頻譜資源分割為一系列正交子載波，以此減少用戶間的互相干擾。在此網(wǎng)絡(luò)中，用戶分為兩種類型：傳統(tǒng)蜂窩用戶和D2D 用戶。傳統(tǒng)蜂窩用戶通過(guò)基站通信，而D2D用戶之間可以直接通信，也可以與基站通信，能夠在兩種通信模式之間自由切換。

車(chē)車(chē)通信中基于5G 的T2T 通信備受關(guān)注，因?yàn)樗軌蚪档蛙?chē)輛之間的通信延遲，提高傳輸速率，特別是當(dāng)車(chē)輛距離較近時(shí)，無(wú)須通過(guò)基站或軌旁單元的轉(zhuǎn)發(fā)。此外，還可通過(guò)列車(chē)之間的直接通信獲得相鄰列車(chē)的行車(chē)信息。這種通信方式可以增加后車(chē)獲取前車(chē)位置信息的通信渠道，增強(qiáng)列車(chē)的主動(dòng)防護(hù)能力，同時(shí)還能有效提高運(yùn)營(yíng)效率，保障列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)[12]。

2.2.3 面向車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的V2V 技術(shù)

車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要分為兩類：以美國(guó)為主導(dǎo)的西方國(guó)家采用的專用短程通信技術(shù)(dedicated short range communication，DSRC)標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)提出的蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(cellular vehicle to everything，C-V2X)標(biāo)準(zhǔn)。DSRC 主要涉及射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)、超寬帶(ultra wide band，UWB)、無(wú)線保真(wireless-fidelity，WIFI)等通信技術(shù)，而C-V2X則以4G-LTE、5G 等蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)為基礎(chǔ)。盡管這兩類通信技術(shù)是專用于車(chē)聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，但如何將其應(yīng)用于軌道交通相關(guān)場(chǎng)景成為車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)[13]。

DSRC 系統(tǒng)主要由車(chē)載單元(on-board unit，OBU)和路邊單元(roadside unit，RSU)構(gòu)成，信息在OBU 和RSU 之間實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，交通信息通過(guò)RSU 傳送至車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺(tái)。目前，DSRC 技術(shù)的最典型應(yīng)用是在我國(guó)各大高速出入口、無(wú)人收費(fèi)停車(chē)場(chǎng)等場(chǎng)景的電子不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)(electronic toll collection，ETC)。

C-V2X 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)于2015 年由3GPP 立項(xiàng)啟動(dòng)，由中國(guó)主導(dǎo)完成。C-V2X 包括兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：基于4G移動(dòng)蜂窩網(wǎng)的LTE-V2X 和基于5G 的NR-V2X。它適用于車(chē)速最高可達(dá)500 km/h、最大信息傳輸速率為500 Mbps、傳輸時(shí)延低于10 ms、傳輸距離可達(dá)1 000 m以上的車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。C-V2X 主要依賴基站部署，并通過(guò)終端與基站之間的Uu 接口和終端與終端之間的PC5接口提供車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)大帶寬、大覆蓋、低時(shí)延和高可靠性。

3 面向列控系統(tǒng)的車(chē)車(chē)通信傳輸距離分析

在列控系統(tǒng)中，車(chē)車(chē)通信距離對(duì)列車(chē)運(yùn)行控制的安全至關(guān)重要。車(chē)車(chē)通信具體選擇基于物理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的車(chē)車(chē)通信或是邏輯點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的車(chē)車(chē)通信方式取決于車(chē)與車(chē)之間的通信距離。因此，本節(jié)從距離出發(fā)，分析車(chē)車(chē)通信的距離極限。

3.1 基于邏輯點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的車(chē)車(chē)通信傳輸距離分析

邏輯點(diǎn)對(duì)點(diǎn)車(chē)車(chē)通信傳輸?shù)木嚯x理論上可以是無(wú)限的，車(chē)車(chē)通信經(jīng)骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸。但車(chē)與基站的通信距離受限，因此本小節(jié)對(duì)車(chē)與基站之間的通信距離極限進(jìn)行建模計(jì)算。本文以經(jīng)典的信道傳播模型為例，計(jì)算在不同傳輸媒介下，列車(chē)與基站之間的通信距離極限。

3.1.1 基于自由空間傳輸?shù)能?chē)地傳輸距離計(jì)算

由于車(chē)輛運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)的自由空間損耗模型難以良好地反映列車(chē)信號(hào)損耗情況，因此本文采用經(jīng)典的COST231-Hata 傳播模型作為車(chē)車(chē)通信的傳播模型，計(jì)算車(chē)車(chē)通信的最大傳輸距離。

COST231-Hata 模型是一種廣泛使用的室外移動(dòng)通信信號(hào)傳播模型，適用于頻率在800 MHz 到2 GHz之間的城市或郊區(qū)環(huán)境中的大范圍信號(hào)傳播。該模型可用于鐵路環(huán)境下的無(wú)線電波傳播損耗預(yù)測(cè)[14]，在該模型中，傳播損耗建模為：

式中，fc為頻率。由于目前全國(guó)各地城市軌道交通的專用頻點(diǎn)分配都在2 GHz 以下，其中1.8 GHz 是當(dāng)前北京市的專用頻點(diǎn)，1.4 GHz 是專用頻點(diǎn)的一個(gè)重要可選項(xiàng)，因此本文重點(diǎn)考慮1.4 GHz 和1.8 GHz 兩種頻率。ht和hr分別為發(fā)射、接收天線的高度，m；d為車(chē)—地直線距離，km；Cm為地物模型矯正因子，對(duì)于大城市取3 dB，小城市、郊區(qū)、農(nóng)村等環(huán)境取0 dB；α(hr)是有效天線修正因子，可表示為

式中，Pt為發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，dB，Gt和Gr分別為發(fā)射和接收天線增益，dBi；LB為傳輸損耗，dB。

考慮在典型郊區(qū)中考察車(chē)地傳輸距離，由于車(chē)地通信屬于上行受限，因此本文以車(chē)向地面發(fā)送信息為考察樣點(diǎn)。設(shè)Pt=23 dBm，Gt=7.5 dBi，Gr=15 dBi，車(chē)載發(fā)射及接收天線各有5.5 dB 的功分、饋線等綜合損耗，車(chē)載天線高4.8 m，基站天線高30 m，基站接收機(jī)最大靈敏度為-120 dBm，并預(yù)留10 dBm 余量。可得出接收功率與車(chē)車(chē)距離關(guān)系如圖4 所示。

圖4 邏輯點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸下車(chē)車(chē)通信距離與接收功率關(guān)系Figure 4 Correlation between communication distance for disembarking from the vehicle and received power in logical point-to-point transmission

根據(jù)曲線與-110 dBm 交匯點(diǎn)可知，在郊區(qū)時(shí)，1.8 GHz 下車(chē)地通信距離在6.575 km 時(shí)達(dá)到-110 dBm考察點(diǎn)，1.4 GHz 下車(chē)地通信距離在8.154 km 時(shí)達(dá)到-110 dBm 考察點(diǎn)。

3.1.2 基于漏泄同軸電纜傳播的車(chē)地傳輸距離計(jì)算

在隧道中，車(chē)地通信同樣可以采用漏泄同軸電纜傳輸。漏纜處于單模輻射狀態(tài)，其使用頻帶指的是高階模處于非輻射狀態(tài)時(shí)的頻率范圍，而截止頻率則是為了避免高階模產(chǎn)生而設(shè)定的最大頻率[15]，計(jì)算公式如下所示：

式中，c 為光速，m/s；εr是絕緣層相對(duì)介電常數(shù)；d為內(nèi)導(dǎo)體的等效直徑，m；D為外導(dǎo)體的等效直徑，m。隧道覆蓋常用的漏纜型號(hào)有13/8 漏纜及5/4 漏纜，其理論截止頻率約為2.8 GHz 和3.6 GHz。因此，1.8 GHz頻段的信號(hào)可以在這兩種漏纜里傳輸。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，漏纜的損耗可表示為：

式中，PLt為漏纜的傳輸損耗，PLc為漏纜的耦合損耗。在1.8 GHz 下，漏纜的傳輸損耗為4 dB/100 m，耦合損耗為65 dB(距離1.5 m 時(shí))?？紤]列車(chē)的發(fā)射功率為23 dBm，車(chē)上功分損耗為5.5 dB，地面漏纜合路器損耗為7.5 dB，設(shè)單側(cè)覆蓋距離為x，單位m，在接收機(jī)處接收功率為

3.1.3 基于波導(dǎo)管傳播的車(chē)地傳輸距離計(jì)算

波導(dǎo)管與漏纜類似，是一種電磁波傳輸媒介，用于地鐵隧道信號(hào)覆蓋[17]。在隧道內(nèi)覆蓋時(shí)，波導(dǎo)管的布設(shè)方式與漏纜相同。設(shè)耦合損耗為65 dB(距離40 cm時(shí))，傳輸損耗為2.2 dB/100 m。考慮列車(chē)的發(fā)射功率為23 dBm，車(chē)上功分損耗為5.5 dB，地面漏纜合路器損耗為7.5 dB，當(dāng)接收機(jī)的靈敏度為-95 dBm 時(shí)，在滿足接收機(jī)靈敏度要求前提下，允許最大縱向傳輸損耗為

則單側(cè)最大覆蓋范圍為40 × 1 00/2.2 = 1818.2 m ，兩側(cè)有效覆蓋范圍為1 818.2×2=3 636.4 m。

3.2 基于物理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)能?chē)車(chē)通信傳輸距離分析

車(chē)車(chē)直接通信時(shí)，列車(chē)之間距離將直接影響通信質(zhì)量。列車(chē)間距不僅影響通信質(zhì)量，也關(guān)乎列車(chē)運(yùn)行安全。因此本小節(jié)對(duì)車(chē)車(chē)物理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接通信的通信距離進(jìn)行分析。

3.2.1 非隧道區(qū)域

當(dāng)完全沒(méi)有障礙物時(shí)，在LOS 情況下，路徑損耗為自由空間損耗，計(jì)算公式如式(9)所示

式中，f為頻率，MHz；d為距離，m。為了獲取更好的通信質(zhì)量，第一菲涅爾區(qū)內(nèi)應(yīng)盡量避免設(shè)置障礙物。如圖5 所示，由于車(chē)車(chē)直接通信時(shí)，在第一菲涅爾區(qū)內(nèi)的障礙通常是地面，因此地面帶來(lái)的多徑反射將導(dǎo)致信號(hào)衰減。

圖5 列車(chē)車(chē)頂天線與第一菲涅爾區(qū)示意Figure 5 Schematic illustration of train roof antenna and first Fresnel zone菲涅爾橢球的橫截面半徑由式(10)給出

式中，d1和d2分別為從橫截面到發(fā)射器和接收器的縱向距離。當(dāng)d=d1+d2且d1=d2時(shí)，為自由空間條件下最大傳播距離，。列車(chē)通信天線通常被安裝于距離地面4.8 m 的地方，因此可以通過(guò)式(10)計(jì)算得到。當(dāng)列車(chē)采用1.8 GHz 通信時(shí)，在553.3 m 內(nèi)都可以直接使用式(10)模型進(jìn)行自由空間損耗的估計(jì)，在調(diào)車(chē)場(chǎng)、郊區(qū)等列車(chē)間可實(shí)現(xiàn)LOS 的情況下，均可以使用式(10)模型對(duì)信號(hào)衰減進(jìn)行粗略估計(jì)。

車(chē)車(chē)直接通信環(huán)境較為復(fù)雜，簡(jiǎn)單的自由空間損耗模型難以反映實(shí)際情況。本文進(jìn)一步采用經(jīng)典的COST231-Hata 傳播模型作為車(chē)車(chē)通信的傳播模型，計(jì)算車(chē)車(chē)通信的最大傳輸距離。根據(jù)式(2)和(3)，設(shè)Pt=23 dBm，Gt=9.5 dBi，Gr=9.5 dBi，車(chē)載發(fā)射及接收天線各有5.5 dB 的功分、饋線等綜合損耗，車(chē)載天線高度為4.8 m，接收機(jī)靈敏度為-105 dBm 并預(yù)留10 dBm 余量，可得出接收功率與車(chē)車(chē)距離關(guān)系圖(見(jiàn)圖6)。

圖6 物理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸下車(chē)車(chē)通信距離與接收功率關(guān)系Figure 6 Correlation between communication distance and received power in physical point-to-point transmission

以典型接收靈敏度-95 dBm 為考察樣點(diǎn)，1.8 GHz下，車(chē)車(chē)通信距離約為765.7 m；1.4 GHz 下，車(chē)車(chē)通信距離約為923.6 m。

3.2.2 隧道區(qū)域

列車(chē)在隧道中的通信同樣關(guān)鍵。在隧道中，傳播模型應(yīng)使用修正后的模型。文獻(xiàn)[18]提出了分段傳播模型，可依據(jù)式(11)得到近、遠(yuǎn)場(chǎng)的分界點(diǎn)

式中，h為隧道高度，m；w為隧道寬度，m；λ為電磁波波長(zhǎng)，m。以溫福鐵路寧德段圓拱形隧道為例，起高9 m，寬13.4 m，拱形截面可近似認(rèn)為與矩形截面相同。對(duì)于1.4 GHz，電磁波邊界dNF=837 m；對(duì)于1.8 GHz，電磁波邊界dNF=1 077 m，即當(dāng)車(chē)車(chē)距離小于dNF時(shí)為近場(chǎng)，大于dNF時(shí)則為遠(yuǎn)場(chǎng)。

其中，在近場(chǎng)時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[19]矯正的傳播模型為

在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)，由于隧道自身特性，傳播模型近似于波導(dǎo)模型，可通過(guò)矯正后的傳播模型來(lái)近似表示。有矯正后的直通長(zhǎng)隧道傳播模型為

因此可根據(jù)近、遠(yuǎn)場(chǎng)劃分不同模型。根據(jù)式(3)考察接收機(jī)處信號(hào)情況，設(shè)Pt=23 dBm，Gt=9.5 dBi，Gr= 9.5 dBi。在近場(chǎng)時(shí)，車(chē)車(chē)間距與接收功率關(guān)系如圖7 所示；在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)，車(chē)車(chē)間距與接收功率的關(guān)系如圖8 所示。

圖7 隧道內(nèi)近場(chǎng)時(shí)車(chē)車(chē)之間距離與接收功率關(guān)系Figure 7 Correlation between the distance between trains and received power in the near field in the tunnel

圖8 隧道內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)車(chē)車(chē)之間距離與接收功率關(guān)系Figure 8 Correlation between the distance between vehicles and the received power in the far field in the tunnel

因此，可根據(jù)車(chē)輛所處位置(位于近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng))，通過(guò)相應(yīng)模型計(jì)算數(shù)值參考接收功率衰減變化情況?？疾斓湫徒邮展β蕿?95 dBm，根據(jù)圖7 和圖8 可知其屬于近場(chǎng)區(qū)域。1.4 GHz 下的通信距離為724.8 m，1.8 GHz下的車(chē)車(chē)通信距離為511.3 m。

3.3 車(chē)車(chē)通信傳輸距離總結(jié)

以當(dāng)前軌道交通1.4 GHz 與1.8 GHz 頻點(diǎn)為例，計(jì)算了車(chē)車(chē)通信的傳輸距離極限。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)采用基于邏輯點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的車(chē)車(chē)通信傳輸時(shí)，由于車(chē)與車(chē)之間的通信可以經(jīng)過(guò)地面骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸，車(chē)車(chē)通信距離理論上可以是無(wú)限的，前提是車(chē)與基站的距離小于最大傳輸極限。本文研究表明，在自由空間中使用30 m 高的天線傳輸時(shí)，1.8 GHz 下車(chē)地通信距離可達(dá)6.575 km，1.4 GHz 下車(chē)地通信距離可達(dá)8.154 km；在采用漏纜傳輸時(shí)，雙側(cè)覆蓋范圍可達(dá)2 000 m，波導(dǎo)傳輸雙側(cè)覆蓋范圍可達(dá)3 636.4 m。

當(dāng)采用基于物理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的車(chē)車(chē)通信傳輸時(shí)，在自由空間的非隧道區(qū)域內(nèi)，由于接收機(jī)靈敏度要求，物理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)車(chē)車(chē)通信距離不能支持大于 765.7 m(1.8 GHz 下)及923.6 m(1.4 GHz 下)的傳輸。在隧道區(qū)域中，物理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)車(chē)車(chē)通信距離不能支持大于724.8 m(1.4 GHz 下)和511.3 m(1.8 GHz 下)的傳輸。列車(chē)自主運(yùn)行時(shí)，當(dāng)車(chē)車(chē)運(yùn)行間距超過(guò)基于物理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的車(chē)車(chē)通信距離，基于物理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的車(chē)車(chē)通信將不足以支撐可靠的車(chē)車(chē)通信。

列車(chē)自主運(yùn)行需要根據(jù)列車(chē)運(yùn)行的間距選擇滿足傳輸距離的車(chē)車(chē)通信傳輸模式。

4 結(jié)語(yǔ)

將車(chē)車(chē)通信技術(shù)引入下一代列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)中，不僅可以有效提升列車(chē)運(yùn)行的安全性和效率，還能夠推動(dòng)智慧軌道交通的進(jìn)一步發(fā)展。本文面向列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)深入探討了車(chē)車(chē)通信技術(shù)。首先，介紹基于車(chē)車(chē)通信的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的基本原理；其次，調(diào)研當(dāng)前主流的基于邏輯點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和物理點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的車(chē)車(chē)通信技術(shù)；最后，結(jié)合城市軌道交通車(chē)車(chē)通信典型運(yùn)行場(chǎng)景，進(jìn)行傳輸距離計(jì)算與分析，并在充分考慮列車(chē)運(yùn)行安全和通信質(zhì)量的基礎(chǔ)上給出車(chē)車(chē)通信模式選擇的建議。本研究期望為未來(lái)城市軌道交通中車(chē)車(chē)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供有益參考和理論支持。