寧波軌道交通車(chē)載WIFI系統(tǒng)兼容研究

徐勁松

(寧波軌道交通運(yùn)營(yíng)分公司 浙江寧波315000)

1 研究背景

隨著城市軌道交通通信技術(shù)的不斷發(fā)展，基于無(wú)線通信的列車(chē)自動(dòng)控制(CBTC)系統(tǒng)將逐漸取代基于軌道電路的列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)，成為當(dāng)前軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的主流。CBTC系統(tǒng)采用的無(wú)線傳輸協(xié)議主要運(yùn)行在2.4 GHz頻段的IEEE 802.11 g。此頻段為開(kāi)放頻段，是國(guó)際規(guī)定的免費(fèi)頻段，不需要向國(guó)際相關(guān)組織繳納任何費(fèi)用［1-4］。

我國(guó)的2.4 GHz頻段總共劃分了13個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬為20 MHz(見(jiàn)圖1)。

在多個(gè)信道同時(shí)工作的情況下，為保證信道之間不相互干擾，要求兩個(gè)信道的中心頻率間隔不能低于25 MHz。由此可以看出整個(gè)2.4 GHz頻段最多可以同時(shí)支持3組3個(gè)不重疊的信道(1/6/11、2/7/12、3/8/13)工作［5］。

圖1 2.4 GHz頻段信道分布

2 寧波軌道交通信號(hào)系統(tǒng)與車(chē)載WIFI

2.1 1號(hào)線CBTC系統(tǒng)

寧波軌道交通1號(hào)線CBTC系統(tǒng)采用的是信道2和信道13(中心頻點(diǎn)分別為2 417 MHz和2 472 MHz)，兩者是信號(hào)系統(tǒng)車(chē)地通信互為冗余保護(hù)的數(shù)據(jù)通道;同時(shí)，該信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)選用窄帶調(diào)制方式來(lái)提高無(wú)線系統(tǒng)的抗干擾性能。窄帶調(diào)制方式將2.4 GHz無(wú)線頻點(diǎn)的頻寬由20 MHz縮小為5 MHz。窄帶調(diào)制方式在總發(fā)射功率不變的情況下，功率譜密度提高了6 dBm。因此，同等條件下窄帶調(diào)制方式比原20 MHz的調(diào)制方式信噪比提升了6 dB，顯著提高了窄帶modem抗同頻干擾的能力。經(jīng)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，窄帶調(diào)制方式可顯著提高無(wú)線系統(tǒng)的抗干擾性能。窄帶modem的功率譜密度與原20 MHz的對(duì)比詳見(jiàn)圖2。

圖2 調(diào)制帶寬對(duì)比

寧波軌道交通1號(hào)線的CBTC系統(tǒng)采用波導(dǎo)管傳輸解決方案。車(chē)地通信是由安裝在車(chē)廂底部的波導(dǎo)管車(chē)載天線和安裝在軌道兩側(cè)的波導(dǎo)管組成，此方案與傳統(tǒng)的自由無(wú)線天線方式的解決方案相比有4方面優(yōu)點(diǎn)。

1)短距離通信。波導(dǎo)管與車(chē)載天線之間的通信距離最長(zhǎng)50 cm，受其他無(wú)線系統(tǒng)的干擾區(qū)域大大縮小。

2)使用正對(duì)波導(dǎo)管的車(chē)載定向天線。

3)波導(dǎo)管上方超過(guò)60 cm處無(wú)線信號(hào)衰落非常迅速，降低對(duì)其他無(wú)線系統(tǒng)的干擾影響。

4)車(chē)載天線安裝在車(chē)廂底部，波導(dǎo)管位于站臺(tái)下方，車(chē)站站臺(tái)對(duì)于非車(chē)載天線視域內(nèi)的其他無(wú)線信號(hào)形成屏蔽效果［6-8］。

2.2 1號(hào)線車(chē)載WIFI系統(tǒng)

寧波軌道交通1號(hào)線車(chē)載WiFi信號(hào)通過(guò)安裝于車(chē)廂側(cè)壁上方的LTE-AP(4G轉(zhuǎn)WiFi的無(wú)線接入點(diǎn))進(jìn)行覆蓋，每節(jié)車(chē)廂2臺(tái)，單側(cè)暗裝，全列車(chē)總共12臺(tái)。LTE-AP通過(guò)接收軌道區(qū)間移動(dòng)4G信號(hào)進(jìn)行通信，車(chē)廂內(nèi)轉(zhuǎn)為WiFi信號(hào)，滿足乘客無(wú)線上網(wǎng)需求。

LTE-AP采用2.4 GHz頻段7信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，避開(kāi)信號(hào)系統(tǒng)使用的2和13信道，同時(shí)，為了減少LTE-AP間的相互干擾，其發(fā)送功率限制為2.512mW。

2.3 車(chē)載WIFI與CBTC兼容性測(cè)試

為了驗(yàn)證寧波軌道交通1號(hào)線車(chē)載無(wú)線系統(tǒng)與軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的兼容性，選取1號(hào)線的一列車(chē)在運(yùn)營(yíng)線路上進(jìn)行測(cè)試。

2.3.1 無(wú)線系統(tǒng)設(shè)置

1)車(chē)載WiFi系統(tǒng)配置。WiFi配置:LTE-AP發(fā)射頻率使用2.4 GHz頻段7信道。位置:每節(jié)車(chē)廂布置2個(gè)AP點(diǎn)，全車(chē)共12個(gè)(見(jiàn)圖3)。

圖3 車(chē)載無(wú)線AP分布

2)信號(hào)系統(tǒng)車(chē)地通信設(shè)備配置。信號(hào)紅網(wǎng):頻率使用2.4 GHz頻段2信道，位于車(chē)頭司機(jī)室。信號(hào)藍(lán)網(wǎng):頻率使用2.4 GHz頻段13信道，位于車(chē)尾司機(jī)室。

2.3.2 測(cè)試方式

列車(chē)在1號(hào)線東環(huán)南站至高橋西站上下行，以正常CTBC模式運(yùn)行狀態(tài)下，開(kāi)啟車(chē)載WiFi系統(tǒng)并模擬各類(lèi)實(shí)際使用情況，記錄車(chē)廂內(nèi)部各處WiFi信號(hào)強(qiáng)度以及乘客在此期間使用車(chē)載WiFi系統(tǒng)的用戶(hù)感知;同時(shí)記錄信號(hào)系統(tǒng)無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋和車(chē)地端到端通信質(zhì)量。

2.3.3 測(cè)試結(jié)果

1)車(chē)載WiFi系統(tǒng)。測(cè)試人員在總計(jì)6節(jié)車(chē)廂中選取18處點(diǎn)位進(jìn)行覆蓋強(qiáng)度測(cè)試(每節(jié)車(chē)廂選取3處)，記錄結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)記錄

車(chē)廂內(nèi)各處的WiFi信號(hào)強(qiáng)度基本控制在－40～－60 dBm，能滿足正常無(wú)線通信需求。

2)覆蓋區(qū)域認(rèn)證測(cè)試。測(cè)試人員在列車(chē)車(chē)廂內(nèi)進(jìn)行10次的用戶(hù)上/下線測(cè)試，記錄結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 認(rèn)證測(cè)試記錄

3)覆蓋區(qū)域業(yè)務(wù)測(cè)試。測(cè)試人員在列車(chē)上對(duì)各個(gè)AP進(jìn)行AP信道、上傳/下載、Ping包測(cè)試，記錄結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 業(yè)務(wù)測(cè)試記錄

在列車(chē)運(yùn)行期間，20人在首節(jié)車(chē)廂自由使用WiFi，網(wǎng)頁(yè)打開(kāi)速率平均3 s，下載速率穩(wěn)定在200 KB/s，Ping包延時(shí)低于50 ms，丟包率小于3%，全程網(wǎng)絡(luò)使用感知較為理想。

2.3.4 CBTC信號(hào)系統(tǒng)

1)無(wú)線覆蓋場(chǎng)強(qiáng)。全線信號(hào)網(wǎng)信道2(信號(hào)藍(lán)網(wǎng))如圖4所示，全線信號(hào)網(wǎng)信道13(信號(hào)紅網(wǎng))如圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，全線信號(hào)網(wǎng)信道2和信道13無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)基本保持在－40～－60 dBm，滿足信號(hào)系統(tǒng)車(chē)地通信的要求。

2)丟包率。信道2(信號(hào)藍(lán)網(wǎng))如圖6所示。信道13(信號(hào)紅網(wǎng))如圖7所示。

圖4 信號(hào)藍(lán)網(wǎng)

圖5 信號(hào)紅網(wǎng)

圖6 信號(hào)藍(lán)網(wǎng)丟包測(cè)試記錄

測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)車(chē)載WiFi系統(tǒng)運(yùn)行在2.4 GHz頻段7頻點(diǎn)的狀態(tài)下，且AP發(fā)射功率在2.512 mW時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)無(wú)線覆蓋信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布不受影響，車(chē)地端到端通信的丟包率小于0.1%，可滿足信號(hào)車(chē)地通信質(zhì)量要求［9-10］。

圖7 信號(hào)紅網(wǎng)丟包測(cè)試記錄

3 總結(jié)

綜上所述，為了加強(qiáng)乘客出行便捷以及乘客對(duì)無(wú)線上網(wǎng)需求的迫切性，同時(shí)考慮到地鐵CBTC系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的安全、可靠性，地鐵項(xiàng)目在設(shè)計(jì)初期，運(yùn)營(yíng)商各方就應(yīng)加強(qiáng)重視，同時(shí)考慮各方對(duì)WLAN(無(wú)線局域網(wǎng))信道的需求，合理規(guī)劃頻點(diǎn)的使用。筆者提出3點(diǎn)建議供參考。

1)首先確定地鐵信號(hào)系統(tǒng)對(duì)信道的使用需求，盡量將信號(hào)系統(tǒng)兩個(gè)冗余保護(hù)通道頻點(diǎn)安排在2.4 GHz頻段的兩端，即分別靠近信道1和信道13，做到盡量大的信道隔離度。

2)車(chē)載WiFi系統(tǒng)信道采用信道7/8/9中一個(gè)或組合，緊鄰司機(jī)室車(chē)廂內(nèi)AP的布置應(yīng)避開(kāi)靠近司機(jī)室區(qū)域;控制車(chē)載WiFi AP的發(fā)射功率，將其無(wú)線覆蓋區(qū)域控制在本車(chē)廂區(qū)域內(nèi)，減少車(chē)載WiFi AP自身系統(tǒng)間的互相干擾。

3)對(duì)于其他WLAN的應(yīng)用系統(tǒng)，如PIS(乘客信息系統(tǒng))建議采用5.8 GHz頻段，可以與信號(hào)系統(tǒng)、車(chē)載WiFi系統(tǒng)做到完全的信道隔離，互不干擾。

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