周承昊
(廣州市地下鐵道總公司,廣州 510380)
城市軌道交通的絕大部分線路及車站均設(shè)置在地下,無線信號主要在隧道內(nèi)傳播。由于隧道的直線距離較短、彎曲路段多,造成無線電波直線傳播較難,同時隧道會大量吸收無線信號,產(chǎn)生嚴(yán)重多徑衰落,造成無線信號的極化紊亂,增加信號衰減。本文通過廣州地鐵無線集群通信系統(tǒng)信號覆蓋的研究,全面闡述在無線集群系統(tǒng)建設(shè)中所遇到的工程技術(shù)問題,希望為今后的工程建設(shè)提供一些參考。
隨著地鐵線網(wǎng)的發(fā)展,應(yīng)急通信保障已經(jīng)超出了單純保障行車的范圍。在廣州地鐵一、二號線,一般地下區(qū)間使用漏纜覆蓋,站廳使用兩副天線完成站廳覆蓋,車輛段空曠區(qū)域使用1副天線覆蓋。而三、四、五號線及在建線路,已經(jīng)開始覆蓋正線段的出入端線、停車線、車站設(shè)備區(qū)、車站出入通道、控制中心調(diào)度室、無線中央設(shè)備值班室等地方。因此除了以鏈狀覆蓋區(qū)域外,多點多區(qū)域的覆蓋正在補充進來,與移動公網(wǎng)的室內(nèi)覆蓋有一定相似性。
由于地鐵覆蓋范圍變得更為廣泛,因此實現(xiàn)信號覆蓋的方式也更為多樣。
(1)隧道漏纜覆蓋:地鐵90%的區(qū)段是在地下,采用漏纜覆蓋的方式非常普遍。通常從設(shè)備房的基站或直放站內(nèi)通過功分器接出一定類型的射頻電纜(一般有1/2、7/8、5/4、13/8型號幾種),再通過跳線接入不同類型的漏纜。漏纜按尺寸可以劃分為7/8、5/4、13/8三種規(guī)格。在實際工程中,一般依據(jù)區(qū)間的長短來選擇:通常13/8型號的漏纜應(yīng)用在2.2 km左右的區(qū)間,5/4型號的漏纜應(yīng)用在1.5 km左右的區(qū)間,7/8型號的漏纜應(yīng)用在0.8 km以內(nèi)的區(qū)間。
(2)站廳低廓全向天線覆蓋:在各車站,一般將設(shè)備房內(nèi)的基站或直放站信號饋出到站廳處,以方便車控室的車站電臺的信號接收,同時便于車務(wù)人員在站廳值班及巡查。按照目前的覆蓋要求,一般在一個典型車站需要5~7副天線(站廳3副,設(shè)備區(qū)2副,長通道2副)。一般基站的典型輸出功率為10 W(40 dBm),而且信號優(yōu)先保證覆蓋隧道,因此,一般在設(shè)備房采用20 dB或30 dB的耦合器,耦合出信號作為上述天線的輸出。
(3)定向天線、八木天線與極柱天線:在隧道或聯(lián)絡(luò)線處,往往需要對無線信號進行補強,因此采用定向天線的居多,在廣州地鐵一號線大量采用偶極天線,作為車站站廳及停車庫的信號覆蓋。八木天線與極柱天線一般安裝在車輛段,覆蓋該地區(qū)的空曠區(qū)域。
在地鐵無線集群通信專網(wǎng)用戶中,移動臺和車載電臺的特性存在較大差別,在工程實施過程中考慮到無線鏈路的平衡性,一般很難保證兩種車載電臺都能滿足實際使用要求,因此往往存在信號覆蓋重點保障取舍問題。
表1 典型長區(qū)間隧道鏈路計算(區(qū)間長2.4 km)
典型隧道區(qū)間的信號覆蓋路徑是無線交換機通過光纖與基站相連接,基站通過射頻線連出耦合器,耦合部分信號到站廳,同時耦合大部分信號進入?yún)^(qū)間。目前主流側(cè)終端設(shè)備的接收靈敏度分別為:基站-113 dBm,手持臺-103 dBm,車載臺-103 dBm;發(fā)射功率一般為:基站10 W(40 dBm),車載電臺3 W(35 dBm),手持臺1 W(30 dBm)。一般鏈路計算與分析時,射頻分路設(shè)備及漏纜的損耗是一致的,在隧道自由空間的損耗也是一定的,但是上述基站與移動終端接收靈敏度的差異性,在漏纜設(shè)計長度時需要綜合考慮,以達到上下鏈路的均衡。例如,如果漏纜設(shè)計過長,使車載臺發(fā)射信號剛好達到基站的最低接收靈敏度-113 dBm,射頻分路設(shè)備、漏纜、自由空間的損耗共-148 dBm。此時基站發(fā)射信號40 dBm,經(jīng)過-148 dBm衰減后為-108 dBm,就無法滿足移動臺的接收。因此在鏈路設(shè)計時,必須保證上下鏈路的余量及均衡性。
由于列車車載臺與手持臺相比,列車車載臺天線有一定的增益,天線架設(shè)于機車頂部(距軌面3.6 m時),與漏纜大致處于平行位置,且距漏泄同軸電纜的直線距離較近(2 m),不受車廂、車體屏蔽(5 dB損耗)及人體阻擋(5 dB損耗)的影響。同一地點手持臺距軌面大約2.5 m,高度方向距漏纜大約1~1.5 m,增加損耗約5 dB。因此,車載臺與漏纜之間耦合損耗在同一地點優(yōu)于便攜臺約15 dB。因此在長區(qū)間隧道,兩者很難同時兼顧。舉例來說,如果一個區(qū)間的長度為2.4 km,1-5/8型號漏泄同軸電纜空間耦合損耗69 dB(95%概率)。鏈路計算如表1所示。
從表1可以看出,基站鏈路下行信號基本可以滿足需求。但在上行鏈路計算時,滿足車載電臺的同時,無法滿足手持臺,即在區(qū)間中部地區(qū)手持臺無法發(fā)起呼叫。顯然可以通過增加直放站的方式改善這種狀況,但會造成一定的同頻干擾,因此,在軌道交通的無線集群系統(tǒng)中,一般采取車載臺優(yōu)先的方式,重點保障行車。
在很多地鐵無線集群系統(tǒng)覆蓋的初期設(shè)計中,廣泛使用直放站來延伸區(qū)間的信號覆蓋。在這種配置方案下,可能出現(xiàn)基站射頻信號與其所帶的光纖直放站的射頻信號之間所謂的“同頻效應(yīng)”?;?光纖直放站的基本配置方式如圖1所示。從圖1可以看出,基站與直放站之間存在漏泄電纜(LCX)“同頻”覆蓋的情況。
以基站與直放站相距2 000 m來計算,光纖信號傳播速度為2/3光速,其經(jīng)過直放站的信號到達中點的時延為15 μs,直接經(jīng)過基站的信號時延為5 μs,兩者時差為10 μs。在TETRA標(biāo)準(zhǔn)中,TU50(典型城市環(huán)境50 km/h運行速度下)即為一種測試環(huán)境,這一測試環(huán)境的定義:主射頻信號高于多徑信號22.3 dB,主射頻信號與多徑信號之間時延差為5 μs。因此,只要傳輸環(huán)境滿足或優(yōu)于上述要求,移動臺就可以保持-103 dBm的動態(tài)接收靈敏度性能。但是上述計算結(jié)果表明,10 μs的時差會在一定程度上降低動態(tài)接收靈敏度的性能,即動態(tài)接收靈敏度高于-103 dBm。
為了避免存在時延差的兩路射頻信號出現(xiàn)大范圍的交疊,因此,在基站和本基站所帶的遠端光纖直放站區(qū)間中點附近將LCX斷開,如圖2所示,并分別接入各自的終端負(fù)載,此時兩邊的射頻信號便無法進入對方的LCX內(nèi),從而不會產(chǎn)生更大范圍的重疊和干擾區(qū)。按照空間波傳輸損耗的計算方法,L=32.4+20 lg F+20 lg D,LCX斷開達到22.3 dB的衰耗所需傳輸距離約為0.39 m,即便是存在相互干擾,其干擾距離也不會超過1 m。如果列車的運行速度按80 km/h計算,所需的時間約為17 ms,不會造成無線通信中斷。
通過上述對地鐵無線集群覆蓋的研究,今后地鐵無線集群建設(shè)應(yīng)該充分考慮這些特點,細(xì)化、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋。
(1)覆蓋資源共享:隨著覆蓋技術(shù)的發(fā)展,將區(qū)間隧道信號系統(tǒng)無線覆蓋、民用無線覆蓋、PIDS無線寬帶傳輸系統(tǒng)覆蓋、公安無線集群覆蓋等渠道統(tǒng)一,通過外圍設(shè)備整合饋入信號,使區(qū)間無線信號可以從同一根漏纜饋出,實現(xiàn)覆蓋資源共享。
(2)智能天線的廣泛應(yīng)用:隨著3G技術(shù)大規(guī)模對智能天線的利用,地鐵無線集群通信系統(tǒng)也應(yīng)廣泛引進此類設(shè)備,不但精確控制下行發(fā)射功率,降低功耗,同時也能進一步優(yōu)化各值班點、辦公樓等區(qū)域的信號覆蓋。
(3)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對無線覆蓋要求強化:目前一般語音業(yè)務(wù)對無線傳輸速率要求很低,最高只需13 kbit/s就可以保證清晰穩(wěn)定的通信效果,但該速度對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說是十分低的。隨著各專業(yè)技術(shù)發(fā)展,地鐵列車監(jiān)控數(shù)據(jù)、信號控制數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等一系列數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),也會通過專用無線傳輸通道進入各自的中央設(shè)備,屆時這些數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對無線覆蓋的要求將進一步加強。
(4)直放站更加微型化、易安裝、低成本:作為無線覆蓋的延伸設(shè)備,直放站類產(chǎn)品的特點是補充網(wǎng)絡(luò)覆蓋的不足,廣泛使用在各無線覆蓋領(lǐng)域。但該設(shè)備目前需要專業(yè)的技術(shù)人員進行現(xiàn)場安裝、調(diào)試和維護,大大增加了直放站使用的局限性和成本。隨著未來大量使用和低成本化要求,直放站將更為微型化、低成本化和更易于安裝,以此帶動延伸覆蓋的簡易性、便捷性。
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