城市軌道交通中PIDS系統(tǒng)無線AP部署方案探討

莊煒銘

（佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，佛山　528000）

地鐵列車作為一個(gè)高速移動(dòng)中的載體，必須利用無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將列車和 PIDS 系統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)無縫的連接成一個(gè)整體，從而保證信息傳輸?shù)陌踩浴?shí)時(shí)性。有時(shí)候城市軌道交通為了綜合考慮會(huì)把部分路段設(shè)置在地面上或者是高架橋上，因而無線傳輸需要解決過度路段、地下路段以及高架路段、停車場(chǎng)、車輛段等覆蓋率。不同的路段地理環(huán)境千差萬別，所以無線AP作為無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)不僅需要利用定向的平板天線外置，而且安裝的位置也要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行考慮、確認(rèn)。

1　無線AP在隧道安裝位置確定原則

在隧道中天線應(yīng)該在高于軌道3.3米的機(jī)箱上端進(jìn)行安裝鋪設(shè)，方向是向隧道兩側(cè)，每個(gè)AP都要設(shè)置雙外置的天線，且呈現(xiàn)背靠背的方向。基于軌道隧道本身有很復(fù)雜的地理面貌，所以必須依靠精密的計(jì)算從而對(duì)AP分布的施工間隙做出判斷。接收器的輸入端得到的信號(hào)強(qiáng)度是：

計(jì)算公式里：Gr是接收天線增益；Gt是發(fā)射天線增益；Pt是發(fā)射功率；Lp是傳輸路徑損耗；Lf是整體饋線損耗。

而對(duì)于存在在自由空間里的在傳輸路線中發(fā)生的無線電損耗的計(jì)算公式如下：

然而實(shí)際環(huán)境不像理論環(huán)境那么簡(jiǎn)單，實(shí)際環(huán)境中必須考慮到隧道地理的墻壁、地面和軌道本身旁邊的設(shè)備的吸收、阻擋以及反射效果存在，全部考慮在內(nèi)并且結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來計(jì)算，最終有下列計(jì)算的模型存在：

頻率f單位為GHz（2.45GHz），距離d單位為米。

在實(shí)際環(huán)境中，無線設(shè)備的最大發(fā)射功率為20dBm，發(fā)射天線的增益為15dBm，接收天線的增益為8dBm，假設(shè)收發(fā)設(shè)備兩端饋線總損耗為2dBm，列車玻璃損耗為6dBm，則可以得出實(shí)際環(huán)境中信號(hào)接收強(qiáng)度的分布，如表1所示。

基于理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，在地鐵實(shí)際隧道中也獲得了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)（通過下圖所示的測(cè)試框架獲得），實(shí)際隧道環(huán)境下距離與信號(hào)接收強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見后圖1所示。

表1　計(jì)算的信號(hào)接收強(qiáng)度分布圖

圖1中，從AP1到AP2是一個(gè)直線隧道段，AP布置情況如下：AP1與AP2之間的距離為270米，AP2與AP3之間的距離為270米。

圖1　隧道無線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試框架

地鐵列車從AP1駛向AP3，過程中車頭和車尾無線網(wǎng)橋接收到的信號(hào)強(qiáng)度不斷變化，根據(jù)其強(qiáng)度變化，分析結(jié)果如下：

（1）因?yàn)橛械罔F列車的阻擋，接收到的信號(hào)強(qiáng)度有規(guī)律增強(qiáng)或減弱，并不以AP中心對(duì)稱；

（2）車頭信號(hào)強(qiáng)度在同一AP范圍能的變化規(guī)則：慢慢增強(qiáng)，陡然減弱到最小；車尾信號(hào)強(qiáng)度在同一AP范圍能的變化規(guī)則：直接增強(qiáng)到最高，然后慢慢減弱；

（3）三個(gè)AP的信號(hào)強(qiáng)度曲線顯示，無論的車頭或車尾，無線網(wǎng)橋能接收到的信號(hào)強(qiáng)度基本都處于-75dBm以上，最大值為-45dBm，說明無線通信網(wǎng)絡(luò)的接收靈敏度能夠達(dá)到-75dBm。

測(cè)試過程中，也獲得了信號(hào)接收強(qiáng)度與網(wǎng)絡(luò)接入帶寬、網(wǎng)絡(luò)有效帶寬的對(duì)應(yīng)關(guān)系，參見表2。

表2　信號(hào)接收強(qiáng)度與網(wǎng)絡(luò)接入帶寬、網(wǎng)絡(luò)有效帶寬的對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)以及前面的信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論：

在實(shí)際的隧道環(huán)境以及列車環(huán)境下，移動(dòng)寬帶傳輸網(wǎng)的最大有效帶寬可以達(dá)到24.5Mbps，最小也能夠保持在19.2Mbps左右。

依然前面的數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，只有AP的布置能讓車載無線網(wǎng)橋接收到的信號(hào)強(qiáng)度都不小于-76dBm，則整個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)就符合讓PIDS系統(tǒng)車地?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

同時(shí)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)得出結(jié)論，想要在一個(gè)AP發(fā)生異常現(xiàn)象后相鄰AP還能正常覆蓋異常AP所原覆蓋范圍，保證沒有未被覆蓋的盲點(diǎn)存在，這必須保證AP覆蓋率是兩倍的AP相鄰間隔。因而在豎直的隧道路段，大概每隔三百米設(shè)置一組AP；彎曲的路段間隔是五十到一百五十米設(shè)置一組AP。平均的分布間隔在二百米左右。

2　為全線預(yù)設(shè)一定數(shù)量的AP以備緊急情況下的使用原則

因?yàn)檐囕v在停靠站臺(tái)是傳輸需要穩(wěn)定和充足的傳輸帶寬，所以特別在車輛尾部最靠近的隧道處建立一個(gè)AP。為了防止列車尾部連接的AP出現(xiàn)異常狀況后列車仍還是可以穩(wěn)定的傳輸信息。所以還會(huì)在距離這個(gè)AP百米的地方在設(shè)立另一個(gè)AP，就是為了充分保證AP對(duì)于車尾端的覆蓋率。

3　無線AP與交換機(jī)接入方式

部署在隧道里、車輛段、列車停車庫、試車線等區(qū)域的無線AP都會(huì)以天饋線為載體與隧道內(nèi)交換機(jī)連接緊密，并且通過隧道交換機(jī)緊密的環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連通相鄰兩個(gè)車站的PIDS交換機(jī)。

隧道交換機(jī)是在天饋線的連接下與AP連通，然后在其位置之上將相鄰兩個(gè)隧道交換機(jī)和車站PIDS交換機(jī)配對(duì)，再在控制中心協(xié)助下做成環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。鑒于環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)有很多交集浪費(fèi)資源，所以工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，來解決冗余網(wǎng)絡(luò)的備份和分配，自動(dòng)到達(dá)最近節(jié)點(diǎn)的AP路徑上。若有存在異常或者損害存在某一線路中，就會(huì)觸發(fā)環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)排查，倒換出網(wǎng)絡(luò)然后重新配置資源和拓?fù)洹＿@種調(diào)制通常只需要五十毫秒的運(yùn)作就可以恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行且完成冗余環(huán)狀的備份，還支持工業(yè)工作環(huán)境的直流電壓18V到36V。

4　結(jié)束語

本文研究了城市軌道交通PIDS系統(tǒng)中無線AP的部署方案，并結(jié)合了理論計(jì)算模型和實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。這將對(duì)實(shí)際工程有一定的指導(dǎo)性意義。

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