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摘要：隨著當今列車數(shù)量及其運行速度的提升，列車之間的直接通信技術也開始越來越受到社會所重視，尤其是在隧道場景下，其直接通信技術更是對列車的運行效果與運行安全有著決定性作用。基于此，本文對隧道場景下的列車之間直接通信技術進行分析，以此來保障通信效果。

關鍵詞：列車通信；直接通信；隧道場景；通信技術

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)來實現(xiàn)，但是在復雜的隧道場景下，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來拓展通信頻段，以此實現(xiàn)多頻段直接通信系統(tǒng)的構建，讓列車在隧道場景下也能夠實現(xiàn)有效的直接通信。

1列車在隧道場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，列車在隧道場景下的直接通信主要可表現(xiàn)出以下特征：第一，因為收發(fā)信機處于相對移動狀態(tài)，所以列車在隧道環(huán)境中直接通信時也存在多普勒效應。第二，隧道環(huán)境中，電磁波也可以在各個列車之間進行有效傳播，其插混播可以按照近場區(qū)以及遠場區(qū)進行劃分，其中，近場區(qū)的傳播形式為視距，遠場區(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，在近場區(qū)內(nèi)，多徑效應會減弱接收信號；在遠場區(qū)內(nèi)，多徑效應會在反射區(qū)表現(xiàn)得更加明顯，讓信號矢量形成疊加，實現(xiàn)信號的進一步增強[1]。

2列車在隧道場景下的直接通信技術方案設計

2.1通過頻段設計。為保障列車可以在多變的鐵路環(huán)境中實現(xiàn)直接、可靠的通信，頻帶選擇是關鍵。具體選擇中，應以列車實際的運行環(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。列車之間進行直接通信時，需要借助電磁波來完成列車之間的信息傳遞；而列車運行在隧道環(huán)境下時，為了讓信息能夠在隧道內(nèi)實現(xiàn)有效傳輸，需要保障通信頻段超過矩形隧道截止頻率。在計算矩形隧道截止頻率時，可通過以下公式來粗略估計：（1）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，代表自由空間中的介電常數(shù)以及磁導率，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伴隨著波導效應，信號減弱，以下是隧道環(huán)境下的水平與垂直極化波減弱公式：（2）（3）其中，L1代表水平極化波減弱值，L2代表垂直極化波減弱值，代表波長，代表左右兩側相對介電常數(shù)，代表上下兩端相對介電常數(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之間有著反比關系，所以在隧道環(huán)境中，工頻波段需要具有足夠強的波導效應和對多徑干擾的抵御能力。通過對各種頻段下的電磁波特征對比分析，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通信范圍設計。列車在隧道場景下直接通信技術的主要目標是實現(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該超過列車的制動距離，通常是其制動距離的兩倍。平原環(huán)境下的通信距離是15km，而在隧道環(huán)境中，通信距離應根據(jù)波段和列車具體的制動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，其一是近場區(qū)，近場區(qū)的傳播形式為視距，其二是遠場區(qū)，遠場區(qū)的傳播形式為散射和反射。按照Fresnel這一理論，可以將近場區(qū)和遠場區(qū)中電磁波傳播按照以下公式來進行劃分：（4）為有效保障信息可以在列車之間的直接交換達到實時可靠的效果，可以按照以下方式對（4）予以修正：（5）在本次所研究的高鐵單線長直隧道中，可以將隧道等效成一個矩形隧道，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對其間斷點進行修正。在該隧道內(nèi)，高鐵列車的時速是200km，制動距離在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)半徑法對通信距離進行了可靠性驗證，具體驗證中，在菲涅爾區(qū)域上選擇一個點，這個點和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：具體驗證中，可通過以下公式來進行其同心圓半徑計算：（6）在上式中，第一菲涅爾區(qū)為n=1。就實際而言，菲涅爾區(qū)主要是將發(fā)射機以及接收機作為焦點的一個橢圓，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。而進行時距鏈路的設計過程中，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)域的情況對于電磁波的繞射損耗基本不會造成影響。在速調(diào)場景中，列車之間的直接通信可借助于定向天線來實現(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（6）進行修正：（7）圖2是列車在隧道環(huán)境下直接進行通信的示意圖：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)射機設計。在發(fā)射機設計中，需要考慮寄生輸出、諧波輸出、近距離噪聲、寬帶噪聲、最大信號功率、平均信號功率、頻率以及振幅穩(wěn)定性。具體通信中，發(fā)射機主要可對有用信號進行高頻載波調(diào)制，使其轉變成具備一定帶寬，可在某一中心頻率上與通過電線中所發(fā)射電磁波相適應的載波。本次設計中，便將汽車防撞雷達中的毫米級多頻段波發(fā)射機作為依據(jù)，設計了一種發(fā)射機，該發(fā)射機應用的電路是四倍頻單片形式，可進行四倍頻信號發(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。下圖為本次所設計的發(fā)射機結構框架圖：

2.4收發(fā)信機設計。在對隧道條件下的列車直接通信系統(tǒng)收發(fā)信機進行設計時，應保障其噪聲系數(shù)較低、互換失真以及群時延變化較小、頻率動態(tài)范圍較大、自動增益控制穩(wěn)定、中頻增益與射頻增益適當、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作為基礎，進行了隧道條件中雷車之間直接同通信收發(fā)信機的設計。在多頻段形式的接收機內(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，并將列車定位技術作為基礎，通過頻率合成器對其具體運行情況進行判斷，判斷過程中，頻率合成器中將會有預制實際情況相對應的本振信號產(chǎn)生，同時將信號向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]。下圖是本次所設計的收發(fā)信機結構框架圖：

3結束語

綜上所述，在列車行駛于隧道環(huán)境中時，與其他列車之間的良好直接通信效果是保障其運行效果和運行安全的關鍵措施。因為隧道環(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，就需要對其直接通信系統(tǒng)進行研究。具體研究中，可將平原環(huán)境下的列車直接通信系統(tǒng)和相應技術設備作為基礎，結合實際情況來做出合理的優(yōu)化與改進，以此來保障信號在隧道內(nèi)列車之間的直接傳播效果。

參考文獻：

[1]陶成，張春圓，周濤，等.隧道場景列車車體對無線電波傳播的影響[J].中國鐵道科學，2019（4）：86-94.

[2]李淑娟，李茂青，高云波，等.列車間多頻段直接通信系統(tǒng)設計及性能分析[J].計算機工程與應用，2017（13）：104-112.

[3]郝美先.提升復雜環(huán)境下旅客列車手持臺通信能力的研究[J].鐵道通信信號，2020（7）：62-65.

[4]鄧奇.基于車車通信的地鐵列車應急追蹤預警方法研究[J].科技視界，2017（8）：278-279.

作者:夏賢輝 單位:杭州縱橫通信股份有限公司