全自動運行車輛段運用庫庫內(nèi)LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布署方案研究

劉 斌 王子毅

(蘇州市軌道交通集團有限公司，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，列車的運行速度也在不斷提高。在列車高速運行過程中，基于WLAN(無線局域網(wǎng))技術(shù)的信號數(shù)據(jù)傳輸錯誤會大大增多。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)設(shè)備，人工維護成本很高，故障發(fā)生概率也相應(yīng)增多。因此必須要進一步探索出更加安全穩(wěn)定的無線通信技術(shù)。

LTE(長期演進技術(shù))是基于OFDMA(正交頻分復用多址接入)技術(shù)，由3GPP(第三代合作伙伴計劃)組織制定的全球通用標準。DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))的車地無線通信協(xié)議采用的是3GPP LTE Rel9標準。作為一種先進的無線通信技術(shù)，LTE技術(shù)在設(shè)計時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100 Mbit/s，上行可達50 Mbit/s。同時，LTE系統(tǒng)采用的是扁平化架構(gòu)，可降低時延。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)備需獲得無線型號核準證，需要遵守一定的核準指標。

全自動運行系統(tǒng)采用LTE安全通信協(xié)議，車載無線單元與地面網(wǎng)絡(luò)需要進行認證授權(quán)，通過后才能進行關(guān)聯(lián)，并且對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密，加密密鑰不少于128位。

1 全自動運行車輛段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(無人干預列車運行)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。全自動運行車輛段車庫數(shù)據(jù)傳輸容量將會受A網(wǎng)上行數(shù)據(jù)傳輸容量限制。因此，在全自動車輛段運用庫的設(shè)計初期就需考慮LTE的數(shù)據(jù)傳輸容量上限以及與運用庫庫內(nèi)各RRU分區(qū)物理分割的問題。

1.1 單小區(qū)容量評估

運用庫庫內(nèi)建立一個RRU(遠端射頻單元)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。

在運用庫庫內(nèi)建立一個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)傳輸速率可以達到理論峰值。

圖1 全自動運行車輛段運用庫LTE系統(tǒng)單小區(qū)布署方案

1.2 雙小區(qū)容量評估

由于小區(qū)帶寬資源有限，單小區(qū)容量有限，因此可以通過增加小區(qū)的方式實現(xiàn)擴容。在運用庫庫內(nèi)建立RRU1與RRU2兩個小區(qū)，同時考慮兩個小區(qū)之間是否需要進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)容量評估

運用庫庫內(nèi)建立RRU1與RRU2兩個小區(qū)，在沒有做物理隔離的情況下會出現(xiàn)兩個小區(qū)間的同頻干擾問題，因此兩個小區(qū)的容量僅為峰值容量的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小區(qū)內(nèi)均勻分布。

在運用庫庫內(nèi)建立RRU1和RRU2兩個小區(qū)(見圖2)，每個小區(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。采用從漏纜引信號接全向天線方式覆蓋，降低同一股道上左右兩個小區(qū)之間的干擾，同時保證可正常切換。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 全自動運行車輛段運用庫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號線全自動運行車輛段——胥口車輛段運用庫中LTE網(wǎng)絡(luò)布署方案為例。胥口車輛段運用庫庫內(nèi)設(shè)有22股道(每股道停車2列)，滿負載下同時可容納44列列車。該運用庫長約288 m，寬約147 m。在不改變目前車路(列車股道)場景的前提下，可以將該庫按股道方向劃分為兩個小區(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，每個小區(qū)容量可達峰值容量的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。按照信號廠家提供的資料，列車CBTC系統(tǒng)的最大實際上下行速率按210 kit/s計算，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小區(qū)內(nèi)均勻分布。胥口車輛段運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到44列列車并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，只能通過規(guī)章制度對列車并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸進行限制。

1.2.2 物理分隔的雙小區(qū)容量評估

在有物理隔離的情況下，信號覆蓋同頻干擾較小， 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小區(qū)內(nèi)均勻分布。

有物理分割情況下，運用庫庫內(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。在運用庫庫內(nèi)中間設(shè)置物理分隔，可降低上下兩個小區(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 全自動運行車輛段運用庫LTE系統(tǒng)雙小區(qū)(有物理分隔)布署方案

1.3 四小區(qū)容量評估

由于小區(qū)帶寬資源有限，因此可以通過增加小區(qū)的方式實現(xiàn)擴容。在運用庫庫內(nèi)將RRU1與RRU2分別拆分成兩個小區(qū)，在沒有做物理隔離的情況下會出現(xiàn)兩個小區(qū)間的同頻干擾問題，因此四個小區(qū)的容量僅為峰值容量的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小區(qū)內(nèi)均勻分布。

在有物理隔離的情況下，信號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小區(qū)內(nèi)均勻分布。

對運用庫庫內(nèi)的RRU進行小區(qū)拆分，每臺RRU拆分成2個小區(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接全向天線方式覆蓋，降低同一股道上左右兩個小區(qū)之間的干擾，同時保證可正常切換。因需要預留消防通道和列車進出庫，所以圖4中間的雙豎線處無法設(shè)置物理隔離。在運用庫庫內(nèi)中間設(shè)置物理分隔，降低上下兩個小區(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 全自動運行車輛段運用庫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并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。

2 結(jié)語

基于本文分析，建議在全自動運行車輛段運用庫車庫LTE系統(tǒng)設(shè)計初期，應(yīng)設(shè)計一定的物理分隔。在一些沒有條件進行物理分隔的區(qū)域，建議使用漏纜與全向天線來配合使用，通過控制信號覆蓋范圍來降低多小區(qū)交界處的干擾。

根據(jù)全自動運行車輛段、停車場運用庫滿負載情況下可容納列車數(shù)量，同時依照庫內(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)章制度限制同時接收遠程指令的列車數(shù)量，以保證列車能正常接受到各項指令。