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厦门市轨道交通特殊区段车地无线覆盖方案研究

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【摘要】:
随着厦门市轨道交通线路的密集网络化,列车信息成为保障行车安全的重要信息,列车与地面的数据传输网络效率将直接对线网运营管理和行车组织产生很大影响。基于厦门市城市轨道交通特殊区段的具体情况,提出PIS系统车地无线技术的选用,并针对不同场景进行覆盖方案的理论计算和分析。 1、概述厦门市轨道交通远期规划网共有8条线路,线网总规模321.04 km,共设160座车站,含换乘站27座。其中1号线、2号线、3号

随着厦门市轨道交通线路的密集网络化,列车信息成为保障行车安全的重要信息,列车与地面的数据传输网络效率将直接对线网运营管理和行车组织产生很大影响。基于厦门市城市轨道交通特殊区段的具体情况,提出PIS系统车地无线技术的选用,并针对不同场景进行覆盖方案的理论计算和分析。

 

1、概述

厦门市轨道交通远期规划网共有8条线路,线网总规模321.04 km,共设160座车站,含换乘站27座。其中1号线、2号线、3号线、5号线、6号线、7号线为普线,4号线、8号线为快线。此外,远景控制2条线路,9号线长34.7 km,设车站25座;10号线长32.01 km,设车站22座。随着厦门市轨道交通线路的密集网络化,列车信息成为保障行车安全的重要信息,列车与地面的数据传输网络效率将直接对线网运营管理和行车组织产生很大影响。

2、线网规划中特殊区段的基本情况

厦门市轨道交通3号线为城市轨道交通线路,速度不高于80 km/h;轨道交通4号线为快线,8号线为城际线,运行速度均不低于120 km/h。在高架区域,4号线在洪坑至翔安机场段与8号线共轨运营,共轨段长约15.8 km,2个4、8号线共用车站;4/8号线在大嶝岛内及进岛前以高架形式与3号线并行(简称共通道),共通道区段长度约6 km,两线线间距约为8~10 m

3、车地无线技术选择

目前,城市轨道交通乘客信息系统(PIS)车-地无线通信主要采用时分长期演进(time division-longtermevolution,TD-LTE)技术、无线局域网(WLAN)技术及数字视频广播(DVB)技术。

DVB技术为解决实时双向传输,需要增加上行信号传输设备,提高了系统的复杂性及投资。产品单一,属于专用技术,同时需要申请专用频率[1]

WLAN技术目前在各地轨道交通中大规模应用,作为基于IEEE802.11制式的系统应用很成熟,在性价比上有一定优势,高速率、高带宽的IEEE802.11ac等协议将是未来的趋势[2]。WLAN技术[3]在带宽上可满足车地无线数据传输的需求,但该技术在列车快速移动时,需要较大的控制信息开销,以克服因快速移动带来的频移、衰落等,有效带宽较低;在电磁环境较为复杂的建筑密集市区地面/高架线路条件下,系统容易受到外来系统干扰,导致系统性能降低。2012年10月开始,深圳地铁蛇口线、环中线列车多次因乘客使用便携WLAN设备,对信号系统列控信息传输造成干扰,引起列车紧急制动。WLAN设备工作在2.4 GHz  ISM频段,许多工业、科研和医疗设备的发射频率均集中于该频段,该频带为国际频带分配,是不需要授权的。根据信息产业部无线电管理局2002年发布的文件《关于调整2 .4GHz频段发射功率限值及有关问题的通知》,其中第五条规定“在该频段内的无线电台站之间产生干扰,原则上不受保护,应自行解决或协商解决”[4]。因此,随着WLAN设备的普及应用,采用WLAN技术的车地无线数据传输网络容易受到外来系统干扰,势必容易导致系统性能降低,带来安全隐患。

同时,受WLAN技术本身定义的工作场景限制,对于列车最高速度达到120 km/h的快速地铁线路,无线局域网难以提供稳定带宽和保障通信质量。

TD-LTE系统[5]采用扁平化组网方案,简化了网络架构,减少了网元数量,系统可靠性高。其扁平化结构有效地缩短了端到端的数据传输时延,更加满足城市轨道交通的应用需求。同时,LTE技术可支持高达350 km/h的移动性能,移动接入性优于WLAN技术[6]。TD-LTE技术产品成熟度较高,可选择范围大,可以考虑与专用通信系统共用区间漏缆,节省投资;在地铁项目中已有成功应用案例,需要申请专用频率。福建省无线电管理局已批复轨道交通1号线申请的1 790~1800MHz共10MHz带宽,用于PIS系统TD-LTE车地无线网络。

本文涉及的3号线共通道部分为高架线路,4、8号线全线均为高架线路,同时也是列车最高速度达到120 km/h的快速地铁线路。因此TD-LTE技术具有的移动接入性强,接入速度快,抗干扰能力强的优势,在这几条轨道交通线路中尤为明显。

在4、8号线部分共轨, 4、8、3号线共通道的限制条件下,PIS系统推荐采用TD-LTE技术实现车地无线系统的通信功能。

4、特殊区段的PIS系统共网方案

在PIS共网条件下,从编播中心下发至各线列车的视频图像一致,利用TD-LTE技术的空口组播技术,可有效控制车地无线数据传输的下行数据带宽。车载CCTV视频监视图像回传至控制中心,通过核心网接口服务器,将相应线路的列车视频监视图像发送至该线路车辆视频服务器。

   在采用适当的技术策略后,PIS系统在轨道交通线网层面的共网运行,在10 MHz频谱带宽下,线网层面的TD-LTE车地无线数据网络提供可靠的线网级车载PIS播放及视频监视图像回传服务。

4、8号线与3号线共通道区段,3条线路共用核心网设备,以通道为单位分别设置BBU+RRU;4、8号线共轨区段由先建的4号线建设该区段的BBU+RRU设备,并完成无线覆盖,后建8号线直接利用既有设备实现车地无线数据传输功能,并接入控制中心本线路的接口设备。

5、无线覆盖方案研究

5.1 特殊区段覆盖媒介的选择

本文讨论的共轨、共通道区段均为高架区间,车地无线数据网络在轨道交通地面、高架线路的无线覆盖一般采用漏泄同轴电缆覆盖和定向天线覆盖两种方式。天线覆盖方式安装简单,造价较低,但覆盖角度、范围不易控制,且覆盖场强的均匀度也低于漏泄同轴电缆覆盖方式。漏泄同轴电缆覆盖可提供更为均匀的信号场强,同时,在不同轨道交通线路共通道的条件下,漏泄同轴电缆覆盖方式有利于控制共通道线路之间的同频干扰。因此,在共轨、共通道线路区段采用漏泄同轴电缆覆盖方式更加实用。

在共轨、共通道区段PIS系统LTE信号馈入安装在同一区间内的两根漏缆,按双流方式实现MIMO空间复用,提高信道的容量和信道的可靠性,降低误码率,消除无线覆盖的单点故障。为提供优质深度覆盖和较高的干扰保护比,无线覆盖边缘的信号场强按RSRP(参考信号接收功率)≥-95 dBm

5.2 高架区间覆盖方案

在高架区间,为避免上下行RRU之间的同频干扰,RRU分别连接线路左右两侧的2条漏缆,覆盖周边区域。上下行区间统一覆盖。BBU设置在车站,RRU尽可能设置在便于安装和维护的轨旁,有效减少馈线路径损耗。如果车站间距大于相邻车站RRU的覆盖能力,在区间中采用将RRU拉远到隧道中,通过合路器馈入漏缆的方式进行覆盖。考虑小区间的切换重叠区域设计,以及RRU基于漏缆的覆盖能力,每一个RRU覆盖半径距离按0.6 km规划,最终的覆盖半径需要根据所采用的漏缆进行覆盖预测。

5.3 共轨区段不同线路覆盖方案

在4、8号线共轨区域,由先建线路(4号线)完成共轨区段的无线覆盖,后建线路负责完成本线路后建及过渡区段的无线覆盖,并完成越区切换等网络优化工作。

5.4 共通道区段不同线路覆盖方案

共通道区段两条线路在不同高架桥上运行时,两条线路之间有一定间隔,最外侧两条轨道侧的两漏缆之间距离不小于10m,按照室内的Keenan-Motley传播模型估算两侧小区的同频隔离度[8]:

https://mmbiz.qlogo.cn/mmbiz_png/Pkyzz7OpYqtiaJ2aOZAhfm3KvYXhsWNwK9xicySKkczS3hPDmYx9yMtSEReRIdmeHgWkeLibcSmrvoBL37C4HyHaw/640?wx_fmt=png

其中,f为工作频率;D为手机到天线距离;P*W包含列车及屏蔽门穿透损耗。

该区段车辆接收本小区信号的路损计算如下:

D按照2m计算,无穿透损耗。

https://mmbiz.qlogo.cn/mmbiz_png/Pkyzz7OpYqtiaJ2aOZAhfm3KvYXhsWNwKomtZTz62FaGiaA3mY2xIse8rYyichN4oMOFibVuBu9Bnvo5AqKXmE2Sfg/640?wx_fmt=png

该区段车辆接收对面小区信号的路损计算如下:

D按10m计算,P*W包含列车及屏蔽门穿透损耗,按3 dB计算。

https://mmbiz.qlogo.cn/mmbiz_png/Pkyzz7OpYqtiaJ2aOZAhfm3KvYXhsWNwK67jv7yOu3qzxv3wEnQia843CvVkt1Q0VKoJ31xe2l6JWHFk32RH1soQ/640?wx_fmt=png

两侧小区信号隔离度=PL2-PL1=16.9 dB,可以满足信号隔离度的要求。因此,采用两条线路分别设置不同RRU馈入漏缆覆盖的方式。

 

 

参考文献

[1]张甲文.基于DVB标准的车-地无线通信技术在地铁中的应用[J].现代城市轨道交通,2012(1):17-19.

[2]阚庭明.城市轨道交通乘客信息系统技术发展趋势探讨[J].铁路计算机应用,2009,18(1):37-39.

[3]段水福,历晓华,段炼.无线局域网(WLAN)设计与实现[M].杭州:浙江大学出版社.2007.

[4]信息产业部无线电管理局.工信部无[2002]353号 关于调整2.4GHz频段发射功率限值及有关问题的通知[S].北京:信息产业部办公厅,2002.

[5]王映民.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2014.

[6]沈佳,索士强,全海洋,等.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2008.

[7]肖清华,汪丁鼎,许光斌,等.TD-LTE网络规划设计与优化[M].人民邮电出版社,2014.

[8]李新.TD-LTE无线网络覆盖特性浅析[J].电信科学,2009,25 (1) :43-47.

[9]戴克平,张艳兵,朱力.基于LTE的城市轨道交通车地通信综合承载系统[J].都市快轨交通,2016,29(1):69-74.

来源:《铁路通信信号工程技术》

作者:陈宇 北京全路通信信号研究设计院集团有限公司 北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中