地铁中使用的2.4G与5.8G无线通信系统

Urban Mass Transit 地铁中使用的2．4G与5．8G无线通信系统 (兰州交通大学自动化与电气工程学院 关明东) (兰州交通大学电子与信息工程学院 刘金虎) (沈阳铁路局 才 彬) 城轨交通 摘要：本文建立了地铁列车的拓扑模型和移动模型，并给出影响地铁无线通信的主要因素，分析了 2．4G和5．8G通信系统的物理特性和因这些特性造成的性能差异，并讨论了为克服这些特性影响而采 取的措施 。 关键词： 地铁 CBTC AP 移动模型 多普勒频移 Abstract：To Build topological model and motion model of underground train，present main facts influencing urban wireless communication．analyze physical characteristics of 2．4G mode and 5．8G mode communication systems and the differences in both performances and discuss on measures adopted to avoid influence of the characteristics． Key words：Underground，CBTC，AP,Motion model，and Doppler frequency shift 目前，在新建地铁信号系统的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 选择上，采 用 CBTC无线 AP (无线接人点)接人方式的线路 已越来越多。采用 AP接人，具有成本较低、通信 带宽高、可部分使用商用设备、安装调试方案灵活 和施工时间短等优点。 现在我国在建或改造的地铁线路中，采用无线 AP接人的有北京地铁 4号线、l0号线和深圳地铁 2号线等。这些方案在无线频率的选择上又分为2．4G ISM频段和 5．8G ISM 频段。我国开放这两个频段 为ISM频段的时间还比较短，应用在大型工程上的 案例还不多，尤其是 5．8G频段应用更少。 本文从地铁通信的特殊环境条件和无线信号传 播的基本特性出发，结合我国使用中的一些既有经 验，对两个频段上的无线系统性能进行分析和比较。 1地铁列车的拓扑模型 地铁是铁路运输的一种模式，它的运营组织和 线路结构和大铁路相比虽然简单，但基本要素相同。 目前，地铁 CBTC系统使用无线局域网通信时，常 采用如图 1所示的轨旁定向天线组成的 A、B双网 络覆盖冗余结构。 地铁列车运行时不断从一个小区 (一个轨旁 内的无线覆盖条件更加简洁，能够适应更为复杂的 换乘站。但需要注意换乘站区域边界处的无线局域 网与区域内系统的交接问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 AP的覆盖范围)进入到下一个小区，这时，影响 车地通信可靠性因素，应从两个方面考虑。 天线l 天线2 (接收全向信号) ( 向信号)——A向 · -BI~-一一 图1 AP轨旁天线双网络覆盖示意图 (1)小区内 ：因高速移动产生的多普勒频移 ； 隧道壁反射无线电波引起的多径反射 ；地铁列车对 信号的阻隔影响等。 (2)穿越小区时 ：高速移动产生的多普勒频偏 使 AP切换时检测不到临区 ；频繁的 AP位置登记 和认证造成通信的暂时中断等。 从图 1可以看出，同大铁路的 GSM—R相似， 地铁 AP覆盖的拓扑模型是典型的一维链状小区， 而不是商用无线系统常用的蜂窝状结构，其模型如 图 2所示。 小区1 l 小区2 I 小区3 l 小区· 图2通信系统的一维链状小区模型 第一作者简介：朱晨，工程师，北京，1 00073 (收稿日期：2007．08-09) 铁路通信信号工程技术(RSCE) 2008年2月，第5卷第l期 维普资讯 http://www.cqvip.com 1Ll1．bi鲷 s{s Transit 露 ≯ 这样，移动电台穿越通信小区时的信道切换关 系大为简化。由于以地铁机车作为载体，电台的功 率和尺寸比手持电台的限制小得多。同时，地铁列 车运行受闭塞和联锁系统的控制，小区容量也不是 这个模型中要考虑的因素。因此，小区的尺寸成为 影响小区容量和切换频率的重要因素，对地铁无线 通信系统的性能影响很大。 2地铁列车的移动模型 地铁列车运行线路、运行时间、运行 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 严格 按时刻表执行，较少变化，移动轨迹和移动时间相 对确定。根据这些特点，可采用两种模型研究地铁 列车的移动。 2．1基于流体理论的移动模型 在这种模型中，列车的移动是一种聚合运动， 可用于描述列车的总体运动过程。 假设列车运行密度为p，平均运行速率为 ， 无线小区长度』，行车间隔长度为d，则在单位时间 通过小区的列车数量Ⅳ为 ： Ⅳ：2 2 v／cl (1) 此公式适用双线运行条件下，而地铁是单线运 行的，则公式变为 ： Ⅳ=v／cl (2) 因为地铁列车在相同等级上的平均运行速度 相同，而列车运行时间间隔是在 ATC系统控制下 的固定时间t，则间隔距离d： t。代人公式 (2) 可知，Ⅳ：1／t。即单位时间内通过某个小区的列车 数是固定的，并由行车间隔时间t(典型值 1／20h) 决定。则间隔距离d远大于 AP小区几百米的范围， 即同一时间一个小区内只有一辆列车在运行。 2．2基于行为的移动模型 这个模型主要用于描述单个移动台。地铁列车 运行是行车和停车两种模式的混合，且严格按照时 刻表进行，因此，列车的行为模式是计划行车。在 这种情况下，列车在 AP小区内的停留时间可以由 下面的公式决定。 n ∑(ti-'kli／ ) (3) t=1 其中 ： f ——列车在小区内第 个车站的停车时间 ； l ——在铁路实际约束条件下，表示小区长度 ； — — 在 厶下的平均运行速度。 地铁列车的停站时间t 和列车运行速度 由运 行计划决定，一般是固定的。可知，列车在小区内 的停留时间只与 AP的覆盖长度 l 有关，增大 AP 城轨瓣 0 的覆盖范围能同比例地降低穿越小区的频率。 由以上两种模型可知 ： (1)列车运行密度不是无线系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 时需要考 虑的问题。 (2)增大无线小区的覆盖范围，能大大提高无 线系统的稳定性。 3无线电物理特性的影响 3．1抗多普勒效应 多普勒效应是指，因波源和接收者之间存在着 相互运动，造成接收端收到的频率与波源发出的频 率之间发生变化。 根据经典多普勒效应理论，有公式 = (C± ／ ， ^ =C／ ；其中 ： 接收机接收到的频率， 是发射机的发送频率，C为光速， 是发射机和接 收机之间相对移动速度。推导得多普勒频移 ： 频移= 收一 发= V／ (4) 从公式 (4)可知， 频移值取决于波长 和相 对运动速度 。 而2．4G波长为 0．125m，5．8G波长为0．0517m； 由公式 (4)可得，在 一定的条件下，5．8G的频 移至少是 2．4G的一倍以上。 多普勒频移一定会带来信道畸变。目前，高频 段上的调制大多采用多载波的方式，受频移影响更 大。例如，广泛采用的OFDM 技术，当频移超出设 备可以纠正的范围时，载波之间的正交特性被破坏， 信道性能快速恶化，表现为信道的通信速率严重降 低，以至中断。 实际使用中，广泛采用扩频技术提高信噪比， 应用 DSP编解码、格栅编码和软判决等先进技术， 使信号调制后具有较强的抗多径干扰、抗频率选择 性衰落和频率扩散能力，能适应多径和移动信道传 播条件。 目前，在 2．4G频段上，广泛使用 IEEE802．11b 和 IEEE802．11g协议。这是 IEEE制定的适用于 较低移动速率条件下的通信 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ；在高速率 (如 速度大于 90kin／h)的情况下，系统性能不佳。而 能完善支持 5．8G的协议比较少，许多技术先进的 公司在 5．8G频段上，使用 了自己开发的私有协 议，以提高系统性能。某些公司的系统，已做到在 120km／h的速度上仍能够获得 10M 以上的带宽。 3．2菲涅耳效应 在 2．4G和 5．8G这两个频段上，因为频率很高， 电磁波表现出很强的光波性。所以在较远距离通信 时，必须要求收发天线之间实现 “视线无阻挡”。其 38 铁路通信信号工程技术(RSCE)2008年2月 维普资讯 http://www.cqvip.com Administrator 矩形 Administrator 矩形 Administrator 矩形 Administrator 矩形 Urban Mass Transit 含义是：在收发天线之间连一条线，以这条线为轴心， 以尺为半径的一个类似于管道的区域内，没有障碍 物的阻挡。这个管道称为菲涅尔区。菲涅尔区是一 个椭球体，收发天线位于椭球的两个焦点上，图 3中， 尺为第一菲涅尔半径，计算公式如下 ： 图3菲涅耳效应示意图 R=0．5( J[))o·5 (5) 式中 ： — — 波长 ； J[)——两天线的距离。 从公式 (5)可知，当频率固定时，菲涅尔半径 随着传输距离的增加而增大。 例 ：当D=300m，根据 电磁 波的基 本公 式 C= ，(C为光速)，得 ： f=2．4GHz时 =0．125m R=3．06m f=5．8GHz时 =0．0517m R=I．97m 比较可知，当天线距离J[)一定时，频率越高， 菲涅耳半径越小。在理论上，更小的菲涅耳半径可 以减小隧道壁反射带来的干扰，有利于在长直的地 铁隧道中信号传输， 由于菲涅耳效应，列车成了信号在隧道中传输 的阻碍物。比如，信号由迎着车头方向的定向天线 发出，即使在车头车尾都有天线，也只有车头天线 能收到信号，而车尾天线由于车体的阻挡，基本收 不到信号。只有采用轨旁双向冗余 AP覆盖方案 (如 图 I所示)，才可以使车头车尾都接收到信号。 3．3分集接收 分集接收是指在多重接收的基础上，利用接收 到的多个信号的适当组合或选择，来减小信号电平 在门限电平以下的时间百分比，从而达到提高通信 质量和接通率的技术。目前，地铁通信的2．4G和 5．8G系统中，无论使用IEEE的 802．XX协议，还 是私有协议，为了提高移动条件下的通信性能，都 支持天线的分集技术。 3．4传输距离和AP覆盖范围 电磁波在空间传播会产生一定的损耗，也就是 自由空间的路径损耗 ，其公式为 ： Ls=32．45+201g 201gd 式中 ： 一 工作频率 (MHz)； d——传输距离 (km)。 城轨交通 (6) 可见，自由空间基本传输损耗 仅与频率 ，和 距离d有关。当，和d扩大一倍时， s均增加 6dB。 国家无线电管理局规定，5．8G频段的EIRP(等 效全向辐射功率 )≤2W 和≤33dBii1，而 2．4G频 段 EIRP，在天线增益≥ 10dB时为≤500mW或≤ 27dBm。根据公式 (6)可知，这两个频段在国家允 许的范围内的传输距离基本一致。 而实际应用中，系统的表现与所采用的信号调 制方式和天线的性能有极大的关系，如 QSPK调制 一 般比64QAM 调制方式能传输更远的距离，而设 计优异的天线可以极大地改善高速移动下的信道性 能。可见，AP覆盖的范围与各方案具体运用的技 术和所采用的设备性能有很大的关系。 4结论 目前，2．4G和 5．8G地铁通信系统，如果不考 虑外界信号的干扰，仅因物理特性造成的性能差异 并不大。实际系统的性能差异是因为不同公司产品 选择的技术方案和设备性能不同造成的。也就是说， 系统的技术水平是选择方案要考虑的主要问题，而 不是频率。值得注意的是，一些公司在 5．8G频段 已研发出性能出色的私有协议，这些应用私有协议 的地铁无线系统有着更好的性能表现。未来承载地 铁信号的无线车地通信系统可具有高达几十兆的带 宽，容纳更多的功能子系统，将极大地丰富地铁列 车所能提供的服务。 参考文献 1 王炜，过秀成．交通工程学【M]．南京：东南大学出版社， 2000． 2 蒋秋华，沈海燕．铁路无线信道模型的建立及应用[J]． 交 通运输系统工程与信息，2005(3)：56． 3 王海梅，钟章队．青藏铁路GsM--Ig试验工程隧道覆盖技术 方案的探讨[J]．中国铁路，2004(1 0)：52． 第一作者简介：关明东，硕士研究生，兰州，7：50070 (收稿 El期：2007—1 1—28) No．1 关明东、刘金虎、才 彬：地铁中使用的2．4G与5．8G无线通信系统 维普资讯 http://www.cqvip.com Administrator 下划线 Administrator 下划线 Administrator 下划线 Administrator 下划线 Administrator 下划线 Administrator 下划线 Administrator 矩形 Administrator 高亮