有源应答器下行链路信息传输研究许阳阳, 董 昱 (兰州交通大学自动化与电气工程学院,兰州 730000) 摘 要：针对应答器系统中有源应答器不能进行双向传输的问题,对有源应答器系统进行修改,实现信息的顺利传输。首先通过建立各个接口的下行通道实现各自的信息传输,进而实现整个系统下行链路传输,并通过对“A”接口建模仿真验证该方法的有效性。具有下行链路信息传输功能的有源应答器系统保留了原有应答器的功能,避免了技术上的大幅度修改,而且能够实现信息的双向传输,也可以代替部分轨道电路的功能。当列车控制系统降级, C1和C2系统仍然能够通过有源应答器进行双向信息传输,保证列车的安全运行,同时为实现双向应答器的产品化提供理论基础。 关键词：铁路信号；有源应答器；安全；下行链路；双向传输；功能扩展 随着我国高速铁路的快速发展，基于无线通讯系统的CBTC列控系统在高速铁路方面应用的越来越广泛，车地之间的双向信息传输都是通过GSM-R系统。当GSM-R无法正常使用的时候或者列控系统本身由于线路的问题需要从C3切换到C2或者从C2切换到C1时，列控系统将会降级，采用点式列控系统，而在点式列控系统中，车地之间的信息传输主要依靠点式应答器。点式应答器系统是一个单向传输系统，只能将地面信息传输到车载设备，车载信息无法下传。 目前，国内外对于双向传输的应答器的研究都比较少，文献[1]只提出了新型的应答器可以用于传输地→车以及车→地的信息，实现特定点的车地信息的实时交互，但未给出具体的实现方法。文献[2]提出双向应答器的理论分析，给出了部分实现方法，但是由于同一时间只能有一种调制方式可以实现，所以不能既传递能量又同时传递下行链路的信息，方法不可行。 目前国内对于应答器的研究主要集中在上行链路传输的研究，文献[3]提出了应答器上行链路信号接收方法，为下行链路信号的接收提供参考。文献[4-5]提出了应答器模块的建模方案，为模型的建立提供资料。国外尚未查阅到相关资料。 本文在文献[2]的基础上，改进文献中所提出的方案，提出更加合理的实现方案，应答器采用轨旁供电的方式，车载天线利用原有传输能量的通道进行信息传输，并通过仿真建模，验证方案的可行性。 1 有源应答器的工作原理既有的应答器系统结构框图如图1所示。  图1 应答器系统结构框图 由图1可知，应答器系统主要完成车地之间的信息传输[6-7]。接口“B”是车载设备与应答器传输模块(BTM)通信接口，BTM向车载主机单元传输的信息应至少包含解码后的用户报文、位置数据、错误报告、设备工作状况等情况。车载主机向BTM传输的信息至少包含数据、里程数据、列车运行速度、射频能量开/关指令等[8]。接口“D”是车载天线与应答器传输模块的设备内部接口，主要是控制BTM天线工作机制、时间以及接收来自BTM天线的信息。接口“A”是BTM天线与有源应答器的通信接口，主要包括“A1”、“A4”和“A5”。接口“C”是地面电子单元(LEU)与应答器间通信接口，主要包括“C1”、“C4”和“C6”。接口“S”是LEU与TCC的有线通信接口，LEU根据外部信息变化向地面有源应答器发送相应数据报文[9]。 2 下行链路的设计为了实现有源应答器下行链路的信息传输需要对于现有的现行链路进行修改。修改的内容主要分为2部分：通道设计和报文设计。 为了实现应答器的下行链路数据传输，首先应当先建立传输通道，使信息能够从车载设备传递到应答器中[10]。涉及到的接口包括“A”、“C”接口以及“S”接口，下面将会对上述接口进行改进。 2.1 “A”接口的修改 原有的“A”接口只能向地面传递能量信息，接收来自地面应答器的信息，对“A”接口加以调制，使“A”接口不仅能够接收地面信息，又能发送数据信息，从而实现“A”接口数据的双向传输。因此需要代替原有的“A4”接口，建立适用于下行链路传输的“A2”接口。 2.1.1 下行链路(“A2”)的建立 对于传输下行链路数据，该信号应进行8%～12%的振幅调制，调制信号通常是基带NRZ数据信号通过拉普拉斯算子后的输出，然后通过  图2 下行链路调制TBD图 下行链路采用频移键控调制FSK方式，中心频率仍然使用27.095 MHz，频率偏移位282.24 kHz，传输速率为564 kbit/s。主要的目的是与原有的系统兼容，当系统需要向地面传递信息的时候，使用新建立的“A2”，当系统不需要向下传输信息的时候，通过ATP控制，切换成原有的功能，继续使用“A4”接口传递能量。 2.1.2 下行链路建模 针对新建立的下行链路进行性能分析，在FEKO软件中建立两个仿真模型，分别为标准天线中的f=27.095 MHz下行发送天线及地面应答器精简参考环线模型[11]。 对于27 MHz的BTM天线的电路部分进行简化，可以抽象出图3所示的电路结构。  图3 BTM天线的电路简化示意 其中，VS1为馈入的交流电源，信号频率为27.095 MHz，L1为天线本身的固有电感，C1为匹配电容，满足 BTM天线与参考环线之间的电磁耦合可以等价为图4所示的电路结构。图4中，R2为参考环的匹配电阻，阻值为50 Ω，L2为参考环线的固有电感，I2为参考环的感应输入电流。  图4 等价电路结构 通过在FEKO软件中建立应答器模型，如图5所示[12]。其中上方的天线为车载天线，下方的天线为标准型参考环线，运行FEKO，得出应答器系统基础模型的近场辐射波瓣图如图6所示。  图5 应答器模型  图6 近场辐射波瓣 由图6可知，应答器系统基础模型的近场辐射图满足车载天线近场一致性要求[13]。一致性要求如图7所示，能够满足下行链路的数据传输对场强的基本要求。  图7 场强分布一致性要求 2.1.3 下行链路的工作流程及报文 (1)工作流程 新建立的下行链路由于需要传递数据信息，所以增加一个编码系统，用于下行链路信息的编码。下行链路工作流程如图8所示。  图8 下行链路工作流程 当车载天线进入工作状态时，波形变换电路从感应线圈谐振频率中提取系统工作时钟，同时供给编码器和调制电路，编码器读取预置在系统FLASH中的信息，并给调制器输出编码条件。调制器从系统时钟获得FSK调制信号的上边频f1和下边频f2。调制完成后的FSK信号要经过低通滤波器整形之后放大，由BTM天线发送出去，通过空气间隙传输，最后由应答器接收。 (2)报文 下行链路发送的报文采用欧洲标准应答器的报文格式，由于所发送的信息量较少，仅采用短报文(341 bits)。341 bits中有201 bits信息位，其中的某些被预留的位，作为报文传送系统中趋稳上行或者下行报文[14]。报文不需要从开始时传送起始帧(或结尾帧)。 2.1.4 下行链路(“A2”)协议 (1)启动传输连接 BTM将准备发送车载ATC/ATP给出的下行链路数据，车载ATC/ATP也为下行链路合适发送以及发送时间提供命令。 (2)错误检错/纠错码 Bose-Chaudhuri-Hocquenghem码(BCH)用于保护下行链路报文。编码应是循环的，这意味着可将任意有效码分为两部分，且可以相互交换，新报文仍然具有同样内容的有效报文。这种报文形式的主要优势是同步移入报文作为奇偶位的一部分。因为同步故障情况下很难确定对编码的影响，该方法简化了编码的安全性证明。 (3)握手 没有握手要求。 (4)断开 只要不达到车载ATC/ATP设置的时间或位置，报文应不间断发送。 (5)同步 应使用BCH循环分组码，分组长度为341码应该循环发送。为了避免等待数据块的起始位，该编码应修正成冗余校验完成后就能发现循环内容的始端。 (6)模式转换语句 在BTM开始发送下行链路数据之前，互操作模式的BTM应切断远程供电信号的toggling振幅调制。下行链路数据传输停止后，假设车载ATC/ATP已发出命令，远程供电信号的toggling条幅应再次接通。 2.1.5 上下行链路之间的干扰及解决方法 由于应答器“A”接口天线只有1个，上下行链路都需要通过天线进行接收跟发送。但是当上下行链路同时进行工作的时候，会引起上下行链路之间的干扰，天线发送出去的电磁波可能会被天线本身接收到，从而引起报文出现乱码的情况，因此需要提高收发端之间的隔离度。比较常用的方法是在天线的端口加上双工器，使“A”接口在单天线的情况下实现双工工作。双工器是由2个频段的滤波器通过阻抗匹配网络连接组成的。其作用是发射信号和接收信号隔离，保证信号的发射和接收能够同时进行，从而接收和发送能公用一副天线。双工器示意如图9所示，双工器是个三端口网络，端口1为天线端口，端口2为接收机端口，端口3位发送机端口，而双工器的作用就是使得2、3端口之间互不影响并通过1端口进行接收发送，从而消除上下行链路之间的干扰。  图9 双工器示意 2.2 “C”接口的修改 原有的“C”接口是将信息由LEU传递到应答器，现在需要将信息同样能够从应答器传送到LEU。另外取消了原有远程供电部分，下行链路应答器需要独立电源，用来供应答器的正常工作。因此除了现有的接口以外需要建立新的接口用于实现新的功能，分别是“C2”接口以及“C3”接口。 “C2”接口用来传输应答器下行链路的报文，将报文从应答器传递到地面电子单元。应答器数据处理器硬件框图如图10所示。 图10 应答器数据处理器硬件框图 当系统上电之后开始周期性的自检，对于各个部分进行测试，测试失败之后，向电子单元发送一个失败的信号，并将信号传递给TCC，及时通知相关人员进行维修或者替换。当系统经过测试之后，开始正常工作，把接收到的信息在进行解调之前需要报文转换阻隔，当天线单元激活应答器时，报文不应被转换。转换时间应允许一组完整和正确的报文转移不被中断。当在一个指定的传输窗口时，车载传输设备不应转换到另一个下行链路报文。 “C3”接口为应答器下行链路提供能量，此能量来自于地面电子单元。但是“C3”接口提供的能量需要通过特定的电路控制，不是一直供应答器工作，在最不利的情况下不能激活串扰区的应答器。只有当车载设备达到一定的范围内才开始工作。需要在应答器设置一个磁场探测仪，当下行链路接收到的磁场达到一定值时，输出信号开始激发上行链路进行工作。 2.3 “S”接口的修改 “S”接口的修改是最简单的，因为“S”接口指有线通信接口，主要将接口的工作模式改为半双工或者双工即可，能够将接收到下行链路数据传递到TCC中。 3 双向传输应答器的意义通过实现应答器下行链路的数据传输，信息可以从列车到地面传输，这些主要包括列车的构成、对列车状态的改变有可能影响最大安全速度、列车粘着轨道、牵引控制状态以及其他信息，主要用于列车的追踪及安全防护。这些信息的下传能够更加安全的防护列车的运行，类似一个闭环系统，当应答器下传车载信息时，TCC可以根据这些信息制定新的行车命令，并将这些信息传递给之后的应答器进而传递给车载设备，更好地控制列车运行。但不是一个传统意义上的闭环系统，因为信息是定点传输的，无法实现实时控制。 当应答器实现双向之后可以取代部分轨道电路的作用。区段的入口位置设置应答器，如图11所示，出于可靠性的要求成对设置，当其中一个失效的时候启动备用应答器，确保列车安全运行。当应答器B1接收到列车头部车载天线发送的信息，列控中心判断列车已经进入到区段Q1；当B1接收到车尾车载天线发送的信息时，列控中心判断列车完全占用区段Q1；当B2接收到车尾车载天线发送的信息时，判断列车出清区段Q1，当B2没有接收到信息时，区段Q1将无法解锁，直到B3接收到列车尾部车载天线发送的信息时，才能解锁，从而保证列车的安全运行。 图11 应答器设置 4 结语本文在深入分析应答器工作原理的基础上，对应答器各个部分进行修改，实现了应答器下行链路的信息传输，进一步地完善了应答器的功能，保证列车能够更加安全运行。新功能的增加可以取代轨道电路的部分功能，能够减少部分维护量，减轻工作人员负担，同时为双向应答器的产品化提供了实现方案。 参考文献： [1] 徐宁，赵鹏，等.应答器技术的最新进展[C]∥铁道科学研究院建院五十五周年文集.北京：2005. 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Study on Down-link Data Transmission of Active Balise XU Yang-yang, DONG Yu (School of Automation and Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China) Abstract：In view of the failure of the active balise in two-way transmission in the balise system, the active balise is improved to assure the successful data transmission. The down channels of each interface are firstly built to conduct two-way transmission of each interface, and the two-way transmission of the entire system is then fulfilled. The effectiveness of this method is proved by the modeling and simulation of “A” interface. The improved active balise system reserves the original functions to avoid much technical revision, and furthermore to fulfill two-way transmission of data and replace some of the functions of the track circuit. As a result, C1 and C2 can still fulfill two-way transmission via the active balise to ensure normal train operation in case of the degradation of the Train Control System, and theoretical basis is provided for the productization of the two-way balise. Key words：Railway signaling; Active balise; Safety; Down-link; Two-way transmission; Function extension 收稿日期：2016-07-11； 修回日期：2016-09-12 作者简介：许阳阳(1991—)，女，硕士研究生，E-mail：xuyangyang088@163.com。 文章编号：1004-2954(2017)05-0158-05 中图分类号：U284 文献标识码：A DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.05.034 |
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，调制信号满足图2所示，其中
=0，即回路处于纯阻状态，ω
