摘要：随着当今列车数量及其运行速度的提升，列车之间的直接通信技术也开始越来越受到社会所重视，尤其是在隧道场景下，其直接通信技术更是对列车的运行效果与运行安全有着决定性作用。基于此，本文对隧道场景下的列车之间直接通信技术进行分析，以此来保障通信效果。
关键词：列车通信；直接通信；隧道场景；通信技术
平原环境条件下，列车之间的直接通信可通过超短波通信系统来实现，但是在复杂的隧道场景下，这种通信系统便不能够有效满足列车之间的直接通信需求。所以在通信过程中，可以将超短波作为基础来拓展通信频段，以此实现多频段直接通信系统的构建，让列车在隧道场景下也能够实现有效的直接通信。
1列车在隧道场景下的直接通信信道特征
在本次所研究的直接通信系统中，列车在隧道场景下的直接通信主要可表现出以下特征：第一，因为收发信机处于相对移动状态，所以列车在隧道环境中直接通信时也存在多普勒效应。第二，隧道环境中，电磁波也可以在各个列车之间进行有效传播，其插混播可以按照近场区以及远场区进行划分，其中，近场区的传播形式为视距，远场区的传播形式为散射和反射。第三，在隧道环境下，电磁波传播也具有多径效应，在近场区内，多径效应会减弱接收信号；在远场区内，多径效应会在反射区表现得更加明显，让信号矢量形成叠加，实现信号的进一步增强[1]。
2列车在隧道场景下的直接通信技术方案设计
2.1通过频段设计。为保障列车可以在多变的铁路环境中实现直接、可靠的通信，频带选择是关键。具体选择中，应以列车实际的运行环境作为依据，比如，在平原环境下，其直接通信可采用150MHz的超短波频段。列车之间进行直接通信时，需要借助电磁波来完成列车之间的信息传递；而列车运行在隧道环境下时，为了让信息能够在隧道内实现有效传输，需要保障通信频段超过矩形隧道截止频率。在计算矩形隧道截止频率时，可通过以下公式来粗略估计：（1）其中，fc代表矩形隧道截止频率，w代表隧道宽度，h代表隧道高度，代表自由空间中的介电常数以及磁导率，m代表水平面上的电磁波反射次数，n代表垂直面上的电磁波反射次数，大多隧道的截止频率通常在几十兆赫左右[2]。在隧道环境下，电磁波在传播过程中会伴随着波导效应，信号减弱，以下是隧道环境下的水平与垂直极化波减弱公式：（2）（3）其中，L1代表水平极化波减弱值，L2代表垂直极化波减弱值，代表波长，代表左右两侧相对介电常数，代表上下两端相对介电常数。通过以上的公式可以发现，在直隧道环境下，电磁波传播过程中的减弱情况与波长之间有着反比关系，所以在隧道环境中，工频波段需要具有足够强的波导效应和对多径干扰的抵御能力。通过对各种频段下的电磁波特征对比分析，最终将工频是34GHz，即8mm波选作隧道环境下的工频波段。
2.2通信范围设计。列车在隧道场景下直接通信技术的主要目标是实现在隧道中前后行使列车之间的直接信息交换，所以其最小的通信距离也应该超过列车的制动距离，通常是其制动距离的两倍。平原环境下的通信距离是15km，而在隧道环境中，通信距离应根据波段和列车具体的制动距离来加以合理确定。电磁波在隧道环境下的传播过程中，其区域主要分为两个，其一是近场区，近场区的传播形式为视距，其二是远场区，远场区的传播形式为散射和反射。按照Fresnel这一理论，可以将近场区和远场区中电磁波传播按照以下公式来进行划分：（4）为有效保障信息可以在列车之间的直接交换达到实时可靠的效果，可以按照以下方式对（4）予以修正：（5）在本次所研究的高铁单线长直隧道中，可以将隧道等效成一个矩形隧道，其宽度是7.8m。高度是5.3m，为有效保障其通信的可靠性，按照3.5km对其间断点进行修正。在该隧道内，高铁列车的时速是200km，制动距离在2km以内，因此，可以将通信距离确定为4km。本次研究中，主要通过菲涅尔区半径法对通信距离进行了可靠性验证，具体验证中，在菲涅尔区域上选择一个点，这个点和TR之间的连线垂直距离就是该菲涅尔区的半径[3]。具体情况如下图所示：具体验证中，可通过以下公式来进行其同心圆半径计算：（6）在上式中，第一菲涅尔区为n=1。就实际而言，菲涅尔区主要是将发射机以及接收机作为焦点的一个椭圆，通常情况下，如果第一菲涅尔区不存在遮挡的障碍物，就可以将电磁波绕射过程中的损耗忽略不计。而进行时距链路的设计过程中，只要保障第一菲涅尔区内的55%的区域范围无遮挡，其他区域的情况对于电磁波的绕射损耗基本不会造成影响。在速调场景中，列车之间的直接通信可借助于定向天线来实现，其频段是34GHz形式的毫米波段，且波束比较集中。所以可按照以下方式对（6）进行修正：（7）图2是列车在隧道环境下直接进行通信的示意图：其中，隧道高度和列车高度已知，车顶和隧道顶部的距离是0.5m，这个距离在第一菲涅尔区域内，所以能够保障通信的可靠性。天线安装在列车顶部，和地面之间的距离是5.1m，将频段波长8mm、通信距离4km以及n=1带入到公式（7）中，由此可求出其菲涅尔区的半径是1.63m，且通过计算得出，在该菲涅尔区域内，仅仅有16.3%的区域被遮挡，满足电磁波在隧道内的传播需求，由此可判断，该通信距离可靠。
2.3发射机设计。在发射机设计中，需要考虑寄生输出、谐波输出、近距离噪声、宽带噪声、最大信号功率、平均信号功率、频率以及振幅稳定性。具体通信中，发射机主要可对有用信号进行高频载波调制，使其转变成具备一定带宽，可在某一中心频率上与通过电线中所发射电磁波相适应的载波。本次设计中，便将汽车防撞雷达中的毫米级多频段波发射机作为依据，设计了一种发射机，该发射机应用的电路是四倍频单片形式，可进行四倍频信号发射和毫米波获得，以此来保障列车在隧道条件中的直接通信效果。下图为本次所设计的发射机结构框架图：
2.4收发信机设计。在对隧道条件下的列车直接通信系统收发信机进行设计时，应保障其噪声系数较低、互换失真以及群时延变化较小、频率动态范围较大、自动增益控制稳定、中频增益与射频增益适当、频率平坦度和稳定性极好等。在本次研究中，以平原地区适用的超外差二次形式混频接收机作为基础，进行了隧道条件中雷车之间直接同通信收发信机的设计。在多频段形式的接收机内，LNA低噪声放大器属于双频段、并行形式，可在两种频段下保障硬件共享，并将列车定位技术作为基础，通过频率合成器对其具体运行情况进行判断，判断过程中，频率合成器中将会有预制实际情况相对应的本振信号产生，同时将信号向MIXER1第一混频器提供，然后再通过n分频器向MIXER2第二混频器提供[4]。下图是本次所设计的收发信机结构框架图：
3结束语
综上所述，在列车行驶于隧道环境中时，与其他列车之间的良好直接通信效果是保障其运行效果和运行安全的关键措施。因为隧道环境和平原环境不同，电磁波的传播很容易受到各方面因素的影响，进而出现偏差。为有效避免此类情况的发生，提升列车在隧道环境中的直接通信效果，就需要对其直接通信系统进行研究。具体研究中，可将平原环境下的列车直接通信系统和相应技术设备作为基础，结合实际情况来做出合理的优化与改进，以此来保障信号在隧道内列车之间的直接传播效果。
参考文献：
[1]陶成，张春圆，周涛，等.隧道场景列车车体对无线电波传播的影响[J].中国铁道科学，2019（4）：86-94.
[2]李淑娟，李茂青，高云波，等.列车间多频段直接通信系统设计及性能分析[J].计算机工程与应用，2017（13）：104-112.
[3]郝美先.提升复杂环境下旅客列车手持台通信能力的研究[J].铁道通信信号，2020（7）：62-65.
[4]邓奇.基于车车通信的地铁列车应急追踪预警方法研究[J].科技视界，2017（8）：278-279.
作者:夏贤辉 单位:杭州纵横通信股份有限公司
