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)行過程中,基于WLAN(無線局域網(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(無線訪問接入點(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,車載無線單元與地面網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行認(rèn)證授權(quán),通過后才能進(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。
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)用庫庫內(nèi)各RRU分區(qū)物理分割的問題。
運(yùn)用庫庫內(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,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)用庫庫內(nèi)建立一個(gè)RRU小區(qū)(見圖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LTE系統(tǒng)單小區(qū)布署方案
由于小區(qū)帶寬資源有限,單小區(qū)容量有限,因此可以通過增加小區(qū)的方式實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。在運(yùn)用庫庫內(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)容量上限的問題。
1.2.1 無物理分隔的雙小區(qū)容量評(píng)估
運(yùn)用庫庫內(nèi)建立RRU1與RRU2兩個(gè)小區(qū),在沒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,在沒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)用庫庫內(nèi)建立RRU1和RRU2兩個(gè)小區(qū)(見圖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位置放置于庫頭庫尾同一位置,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LTE系統(tǒng)雙小區(qū)(無物理分隔)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)用庫中LTE網(wǎng)絡(luò)布署方案為例。胥口車輛段運(yùn)用庫庫內(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題,在沒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%。
車庫容量受A網(wǎng)上行限制,MIMO方式無法有效提升小區(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)用庫前期布署方案中沒有考慮物理分隔,由于LTE技術(shù)存在同頻干擾問題,在既有的帶寬下無法達(dá)到44列列車并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸,只能通過規(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)用庫庫內(nèi)RRU1與RRU2布署方案如圖3所示,采用雙漏纜覆蓋全庫,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)用庫庫內(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放置于庫頭庫尾同一位置,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LTE系統(tǒng)雙小區(qū)(有物理分隔)布署方案
由于小區(qū)帶寬資源有限,因此可以通過增加小區(qū)的方式實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。在運(yùn)用庫庫內(nèi)將RRU1與RRU2分別拆分成兩個(gè)小區(qū),在沒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,在沒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)用庫庫內(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,所以圖4中間的雙豎線處無法設(shè)置物理隔離。在運(yùn)用庫庫內(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放置于庫頭庫尾同一位置,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,在沒有物理分隔的運(yùn)用庫庫內(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。
基于本文分析,建議在全自動(dòng)運(yùn)行車輛段運(yùn)用庫車庫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配合使用,通過控制信號(hào)覆蓋范圍來降低多小區(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)用庫滿負(fù)載情況下可容納列車數(shù)量,同時(shí)依照庫內(nèi)物理分隔條件選擇合適的RRU小區(qū)布署方案。在沒有條件進(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。