劉 斌 王子毅

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，215004，蘇州∥第一作者，工程師)

隨著城市軌道有市郊線郊的發(fā)展，列車的運(yùn)行速度也在不斷提高。在列車高速運(yùn)行過(guò)程中，基于WLAN(無(wú)線局域網(wǎng))技術(shù)的信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤會(huì)大大增多。另外，由于WLAN 的覆蓋距離較小，需要安裝很多AP(無(wú)線訪問(wèn)接入點(diǎn))設(shè)備，人工維護(hù)成本很高，故障發(fā)生概率也相應(yīng)增多。因此必須要進(jìn)一步探索出更加安全穩(wěn)定的無(wú)線通信技術(shù)。

LTE(長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù))是基于OFDMA(正交頻分復(fù)用多址接入)技術(shù)，由3GPP(第三代合作伙伴計(jì)劃)組織制定的全球通用標(biāo)準(zhǔn)。DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))的車地?zé)o線通信協(xié)議采用的是3GPP LTE Rel9標(biāo)準(zhǔn)。作為一種先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)，LTE技術(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了滿足高吞吐率的需求，在20 MHz帶寬組網(wǎng)情況下，峰值傳輸數(shù)據(jù)速率下行可達(dá)100 Mbit/s，上行可達(dá)50 Mbit/s。同時(shí)，LTE系統(tǒng)采用的是扁平化架構(gòu)，可降低時(shí)延。LTE系統(tǒng)工作在 1.8 GHz頻段 (1 785～1 805 MHz)，使用這一頻段設(shè)備需獲得無(wú)線型號(hào)核準(zhǔn)證，需要遵守一定的核準(zhǔn)指標(biāo)。

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)采用LTE安全通信協(xié)議，車載無(wú)線單元與地面網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行認(rèn)證授權(quán)，通過(guò)后才能進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并且對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，加密密鑰不少于128位。

1 全自動(dòng)運(yùn)行車輛段LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布署方案分析

根據(jù)LTE-M(城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng))系統(tǒng)需求規(guī)范，GoA4(無(wú)人干預(yù)列車運(yùn)行)列車綜合承載業(yè)務(wù)(包括CBTC(基于通信的列車控制)、PIS(乘客信息系統(tǒng))、TCMS(列車控制管理系統(tǒng)))需要周期性發(fā)送數(shù)據(jù)，列車的上行傳輸速率不小于512 kbit/s，下行傳輸速率不小于512 kbit/s。以A網(wǎng)、B網(wǎng)5 MHz+15 MHz小區(qū)配置為例，其中A網(wǎng)5 MHz為CTBC專用，B網(wǎng)15 MHz為列車綜合承載業(yè)務(wù)專用。全自動(dòng)運(yùn)行車輛段車庫(kù)數(shù)據(jù)傳輸容量將會(huì)受A網(wǎng)上行數(shù)據(jù)傳輸容量限制。因此，在全自動(dòng)車輛段運(yùn)用庫(kù)的設(shè)計(jì)初期就需考慮LTE的數(shù)據(jù)傳輸容量上限以及與運(yùn)用庫(kù)庫(kù)內(nèi)各RRU分區(qū)物理分割的問(wèn)題。

1.1 單小區(qū)容量評(píng)估

運(yùn)用庫(kù)庫(kù)內(nèi)建立一個(gè)RRU(遠(yuǎn)端射頻單元)小區(qū)，容量受限于A網(wǎng)的5 MHz小區(qū)。A網(wǎng)和B網(wǎng)單網(wǎng)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸速率如表1所示(B網(wǎng)中按照MIMO(多輸入多輸出)方式計(jì)算)。

表1 LTE系統(tǒng)A網(wǎng)和B網(wǎng)單網(wǎng)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸速率

由表1可見(jiàn)，受A網(wǎng)上行容量限制，單小區(qū)理想情況下最大容量只能支撐11列列車并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。

在運(yùn)用庫(kù)庫(kù)內(nèi)建立一個(gè)RRU小區(qū)(見(jiàn)圖1)，A網(wǎng)和B網(wǎng)合路共用天饋系統(tǒng)(采用雙漏纜覆蓋，漏纜掛于股道旁立柱上(兩根漏纜需略高于車頂，分別掛于立柱兩側(cè))，輻射方向如圖1中箭頭所示。單小區(qū)信號(hào)覆蓋不存在同頻干擾，因此采用單小區(qū)布署方案，A網(wǎng)和B網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到理論峰值。

圖1 全自動(dòng)運(yùn)行車輛段運(yùn)用庫(kù)LTE系統(tǒng)單小區(qū)布署方案

1.2 雙小區(qū)容量評(píng)估

由于小區(qū)帶寬資源有限，單小區(qū)容量有限，因此可以通過(guò)增加小區(qū)的方式實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。在運(yùn)用庫(kù)庫(kù)內(nèi)建立RRU1與RRU2兩個(gè)小區(qū)，同時(shí)考慮兩個(gè)小區(qū)之間是否需要進(jìn)行物理分隔以及小區(qū)容量上限的問(wèn)題。

1.2.1 無(wú)物理分隔的雙小區(qū)容量評(píng)估

運(yùn)用庫(kù)庫(kù)內(nèi)建立RRU1與RRU2兩個(gè)小區(qū)，在沒(méi)有做物理隔離的情況下會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)小區(qū)間的同頻干擾問(wèn)題，因此兩個(gè)小區(qū)的容量?jī)H為峰值容量的60%～70%。雙小區(qū)A網(wǎng)和B網(wǎng)雙網(wǎng)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸速率如表2所示。

表2 LTE系統(tǒng)A網(wǎng)和B網(wǎng)雙網(wǎng)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸速率(雙小區(qū)規(guī)劃)

由表2可見(jiàn)，在沒(méi)有做物理隔離的情況下，雙小區(qū)容量依然受A網(wǎng)的上行容量限制，雙小區(qū)理想情況下最大容量只能支撐13～15列列車并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，且這些列車需在兩個(gè)小區(qū)內(nèi)均勻分布。

在運(yùn)用庫(kù)庫(kù)內(nèi)建立RRU1和RRU2兩個(gè)小區(qū)(見(jiàn)圖2)，每個(gè)小區(qū)采用雙漏纜+全向天線覆蓋，漏纜掛于股道旁立柱上(兩根漏纜需略高于車頂，分別掛于立柱兩側(cè))，輻射方向如圖2中箭頭所示。采用從漏纜引信號(hào)接全向天線方式覆蓋，降低同一股道上左右兩個(gè)小區(qū)之間的干擾，同時(shí)保證可正常切換。A網(wǎng)和B網(wǎng)RRU位置放置于庫(kù)頭庫(kù)尾同一位置，A網(wǎng)和B網(wǎng)合路共用天饋。

圖2 全自動(dòng)運(yùn)行車輛段運(yùn)用庫(kù)LTE系統(tǒng)雙小區(qū)(無(wú)物理分隔)布署方案

以蘇州軌道交通5號(hào)線全自動(dòng)運(yùn)行車輛段——胥口車輛段運(yùn)用庫(kù)中LTE網(wǎng)絡(luò)布署方案為例。胥口車輛段運(yùn)用庫(kù)庫(kù)內(nèi)設(shè)有22股道(每股道停車2列)，滿負(fù)載下同時(shí)可容納44列列車。該運(yùn)用庫(kù)長(zhǎng)約288 m，寬約147 m。在不改變目前車路(列車股道)場(chǎng)景的前提下，可以將該庫(kù)按股道方向劃分為兩個(gè)小區(qū)?？紤]相互之間的同頻干擾問(wèn)題，在沒(méi)有做物理隔離的前提下，每個(gè)小區(qū)容量可達(dá)峰值容量的60%～70%。

車庫(kù)容量受A網(wǎng)上行限制，MIMO方式無(wú)法有效提升小區(qū)上行容量。按照信號(hào)廠家提供的資料，列車CBTC系統(tǒng)的最大實(shí)際上下行速率按210 kit/s計(jì)算，則單小區(qū)理想情況最大容量只能支撐26列列車并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸；雙小區(qū)理想情況最大容量只能支撐31～36列列車并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，且需要這些列車在兩個(gè)小區(qū)內(nèi)均勻分布。胥口車輛段運(yùn)用庫(kù)前期布署方案中沒(méi)有考慮物理分隔，由于LTE技術(shù)存在同頻干擾問(wèn)題，在既有的帶寬下無(wú)法達(dá)到44列列車并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，只能通過(guò)規(guī)章制度對(duì)列車并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行限制。

1.2.2 物理分隔的雙小區(qū)容量評(píng)估

在有物理隔離的情況下，信號(hào)覆蓋同頻干擾較小， A網(wǎng)和B網(wǎng)雙網(wǎng)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸速率可以接近理論峰值，最大容量可支撐22列列車并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，但這些列車需在兩個(gè)小區(qū)內(nèi)均勻分布。

有物理分割情況下，運(yùn)用庫(kù)庫(kù)內(nèi)RRU1與RRU2布署方案如圖3所示，采用雙漏纜覆蓋全庫(kù)，漏纜掛于股道旁立柱上(兩根漏纜需略高于車頂，分別掛于立柱兩側(cè))，輻射方向如圖3中箭頭所示。在運(yùn)用庫(kù)庫(kù)內(nèi)中間設(shè)置物理分隔，可降低上下兩個(gè)小區(qū)之間的干擾，提高小區(qū)容量。A網(wǎng)和B網(wǎng)的RRU放置于庫(kù)頭庫(kù)尾同一位置，A網(wǎng)和B網(wǎng)合路共用天饋系統(tǒng)。

圖3 全自動(dòng)運(yùn)行車輛段運(yùn)用庫(kù)LTE系統(tǒng)雙小區(qū)(有物理分隔)布署方案

1.3 四小區(qū)容量評(píng)估

由于小區(qū)帶寬資源有限，因此可以通過(guò)增加小區(qū)的方式實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。在運(yùn)用庫(kù)庫(kù)內(nèi)將RRU1與RRU2分別拆分成兩個(gè)小區(qū)，在沒(méi)有做物理隔離的情況下會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)小區(qū)間的同頻干擾問(wèn)題，因此四個(gè)小區(qū)的容量?jī)H為峰值容量的60%～70%。按照四小區(qū)規(guī)劃的A網(wǎng)和B網(wǎng)雙網(wǎng)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸如表3所示。

表3 LTE系統(tǒng)A網(wǎng)和B網(wǎng)雙網(wǎng)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸速率(四小區(qū)規(guī)劃)

由表3可見(jiàn)，在沒(méi)有做物理隔離的情況下，四小區(qū)容量依然受A網(wǎng)的上行容量限制，四小區(qū)理想情況下最大容量只能支撐26～30列列車并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，且這些列車需在四個(gè)小區(qū)內(nèi)均勻分布。

在有物理隔離的情況下，信號(hào)覆蓋降低了同頻干擾，因此該小區(qū)布署方案A網(wǎng)和B網(wǎng)雙網(wǎng)狀態(tài)下的速率可以接近理論峰值，最大容量可支撐44列列車并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，但這些列車需在兩個(gè)小區(qū)內(nèi)均勻分布。

對(duì)運(yùn)用庫(kù)庫(kù)內(nèi)的RRU進(jìn)行小區(qū)拆分，每臺(tái)RRU拆分成2個(gè)小區(qū)(見(jiàn)圖4)，采用雙漏纜+全向天線覆蓋，漏纜掛于股道旁立柱上(兩根漏纜需略高于車頂，分別掛于立柱兩側(cè))，輻射方向如圖4中箭頭所示。同一股道切換帶區(qū)域采用從漏纜引信號(hào)接全向天線方式覆蓋，降低同一股道上左右兩個(gè)小區(qū)之間的干擾，同時(shí)保證可正常切換。因需要預(yù)留消防通道和列車進(jìn)出庫(kù)，所以圖4中間的雙豎線處無(wú)法設(shè)置物理隔離。在運(yùn)用庫(kù)庫(kù)內(nèi)中間設(shè)置物理分隔，降低上下兩個(gè)小區(qū)之間的干擾，提高小區(qū)容量。A網(wǎng)和B網(wǎng)的RRU放置于庫(kù)頭庫(kù)尾同一位置，A網(wǎng)和B網(wǎng)合路共用天饋系統(tǒng)。

圖4 全自動(dòng)運(yùn)行車輛段運(yùn)用庫(kù)LTE系統(tǒng)四小區(qū)(有物理分隔)布署方案圖

由前文分析可知，在沒(méi)有物理分隔的運(yùn)用庫(kù)庫(kù)內(nèi)及帶寬限制條件下，雙小區(qū)和四小區(qū)布署方案均不能顯著的提升庫(kù)內(nèi)列車并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘?；但在有物理分隔的情況下，雙小區(qū)和四小區(qū)布署方案與單小區(qū)布署方案相比，容量有顯著提升，在帶寬有限的情況下仍可滿足更多的列車同時(shí)并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。

2 結(jié)語(yǔ)

基于本文分析，建議在全自動(dòng)運(yùn)行車輛段運(yùn)用庫(kù)車庫(kù)LTE系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，應(yīng)設(shè)計(jì)一定的物理分隔。在一些沒(méi)有條件進(jìn)行物理分隔的區(qū)域，建議使用漏纜與全向天線來(lái)配合使用，通過(guò)控制信號(hào)覆蓋范圍來(lái)降低多小區(qū)交界處的干擾。

根據(jù)全自動(dòng)運(yùn)行車輛段、停車場(chǎng)運(yùn)用庫(kù)滿負(fù)載情況下可容納列車數(shù)量，同時(shí)依照庫(kù)內(nèi)物理分隔條件選擇合適的RRU小區(qū)布署方案。在沒(méi)有條件進(jìn)行物理分隔的情況下，建議建立相應(yīng)的規(guī)章制度，通過(guò)規(guī)章制度限制同時(shí)接收遠(yuǎn)程指令的列車數(shù)量，以保證列車能正常接受到各項(xiàng)指令。