城市軌道交通帶上蓋物業(yè)開發(fā)的停車場無線通信覆蓋方案及關鍵技術

李慶剛

(1. 陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院), 710043, 西安;2. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司, 710043, 西安)

城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)專用無線通信系統(tǒng)對行車安全與高效運營起著非常重要的作用。帶上蓋物業(yè)開發(fā)的停車場設計非常復雜[1],需增加較多的柱網(wǎng),直接影響了無線通信覆蓋。因此,帶上蓋物業(yè)開發(fā)停車場的無線通信覆蓋設計需詳細分析,以滿足無線信號覆蓋的需求。

為了保證無線通信覆蓋的范圍和質(zhì)量,以往停車場均采用在綜合樓樓頂架設全向天線進行停車場地面區(qū)域的無線覆蓋[2]。由于上蓋物業(yè)開發(fā)后,綜合樓樓頂架設全向天線將無法覆蓋停車場地面區(qū)域。為了有效解決帶上蓋物業(yè)開發(fā)的停車場無線通信覆蓋,以西安地鐵6號線(以下簡稱“6號線”)帶上蓋物業(yè)開發(fā)的紡織城停車場為例,對該停車場無線通信覆蓋方案及關鍵技術進行研究。

1 無線通信覆蓋工程建設的難點

6號線終點站紡織城站為6號線與西安地鐵1號線(以下簡稱“1號線”)、西安地鐵9號線(以下簡稱“9號線”)三線的換乘車站,站內(nèi)采用三線平行同臺換乘。同時6號線紡織城停車場設置在紡織城站東端頭外側,與1號線紡織城站向東延伸已設置的灞河停車場并排建設。紡織城停車場站段關系示意圖如圖1所示。上述3條線專用無線通信均采用800 MHz頻段TETRA(泛歐集群無線電)通信系統(tǒng)和小區(qū)制結構。6號線以西安市無線電管理委員會已正式批復的806～821 MHz(移動臺發(fā),基站收)以及851～866 MHz(基站發(fā),移動臺收)的8對頻點資源為基礎,雙工間隔取45 MHz,頻道間隔取25 kHz。紡織城停車場TETRA通信系統(tǒng)建設將面臨如下幾個方面的難點[3]。

圖1 紡織城停車場站段關系示意圖

1) 紡織城停車場與其鄰近的1號線、6號線、9號線三線換乘車站紡織城站的干擾保護與網(wǎng)絡優(yōu)化。1號線和9號線TETRA通信系統(tǒng)均占用806～866 MHz頻段中已批復的8對頻點,組成FA、FB、FC、FD等4個頻組,每個頻組采用2對載頻(收發(fā)分離),沿線車站分別采用3個頻組輪流交叉復用的頻率復用方式(FA-FB-FC-FA-FB-FC)。紡織城站1號線區(qū)域采用FB頻組,9號線區(qū)域采用FD頻組。

2) 紡織城停車場與9號線香王車輛段的干擾保護與網(wǎng)絡優(yōu)化。香王車輛段內(nèi)TETRA通信系統(tǒng)采用綜合樓頂架設全向天線對車輛段地面區(qū)域進行無線通信覆蓋,且采用FA頻組。

3) 紡織城停車場與灞河停車場的干擾保護與網(wǎng)絡優(yōu)化。紡織城停車場與灞河停車場并排布設,灞河停車場內(nèi)TETRA通信系統(tǒng)采用樓頂架設全向天線對停車場地面區(qū)域進行無線通信覆蓋,且采用FC頻組。

4) 紡織城停車場上蓋物業(yè)開發(fā)后的無線通信覆蓋方式與網(wǎng)絡優(yōu)化。紡織城停車場由于上蓋物業(yè)開發(fā),不能采用在綜合樓樓頂架設全向天線進行停車場地面區(qū)域無線通信覆蓋的傳統(tǒng)方案,需根據(jù)上蓋物業(yè)開發(fā)后的具體情況采用有效的無線通信覆蓋方案。

2 無線通信覆蓋方案分析

2.1 頻率規(guī)劃分配方案分析

1號線和6號線專用無線通信系統(tǒng)采用的是Motorola的TETRA通信系統(tǒng),9號線采用的海能達通信股份有限公司的TETRA通信系統(tǒng)。目前1號線和9號線均已開通運營,在紡織城站的1號線和9號線區(qū)域,半坡站和香王站(兩站為紡織城站相鄰車站),以及灞河停車場和香王車輛段分別使用了FA、FB、FC和FD等4個頻組。為了避免紡織城站內(nèi)部的頻率干擾,該站內(nèi)還需設置1個新頻組FE用于紡織城站6號線區(qū)域,臨站紡二路站采用FC頻組,這樣就有效解決了紡織城站的同頻干擾問題[4]。為了避免與1號線同頻干擾,紡織城停車場不能采用FC頻組。為了避免與6號線、9號線同頻干擾,不能采用FD和FE頻組,因此可選擇的只能有FA或FB頻組,且各頻組之間的最小間隔均不小于50 kHz,這可以滿足系統(tǒng)頻率最小保護間隔要求。

2.1.1 采用FA頻組

若紡織城停車場采用FA頻組,其唯一可能產(chǎn)生同頻干擾的是9號線香王車輛段使用的FA頻組。由于香王車輛段采用的是綜合樓樓頂架設全向天線的方式進行車輛段內(nèi)無線通信覆蓋,因此,需通過計算來確定該車輛段的FA頻組對紡織城停車場的無線通信覆蓋是否會有同頻干擾。

香王車輛段位于西安白鹿原與洪慶山之間的谷地,距離紡織城停車場約2.5 km。根據(jù)香王車輛段的地形情況及各種條件,適合采用Hata-Okumura無線傳播模型來進行計算。以市區(qū)內(nèi)傳播損耗作為基本數(shù)據(jù),其他地區(qū)以市區(qū)為基準進行相應的修正。香王車輛段無線通信覆蓋空間路徑損耗公式為:

Lm=69.55+26.16lgfc-13.82lghb+
(44.9-6.55lghb)lgd-a(hr)

(1)

式中:

Lm——城市市區(qū)收發(fā)天線之間的基本傳輸損耗中值,單位dB;

fc——無線頻率,單位MHz;

hb——基站發(fā)射天線的有效高度,單位m,hb=ht-hr;

ht——基站發(fā)射天線高度,單位m,有效高度取30～300 m;

hr——移動臺接收天線高度,單位m,有效高度取1～10 m;

d——收發(fā)天線距離,即基站覆蓋半徑,單位km,一般小于2 km;

a(hr)——移動臺天線高度修正因子,單位dB。

針對大型城市,頻率在300 MHz以上時,a(hr)為:

a(hr)=3.2[lg (11.75hr)]2-4.97

(2)

根據(jù)香王車輛段的具體情況,空間路徑損耗參數(shù)取值如表1所示。

表1 香王車輛段空間路徑損耗參數(shù)取值

根據(jù)式(1)—式(2)以及各種參數(shù)的取值計算得到:對于大型城市,a(hr)=0.651 dB;對于距離香王車輛段2.5 km處,Lm=134.74 dB。

按照相關要求,下行鏈路的每載頻信號電平值,以及便攜臺在覆蓋區(qū)內(nèi)的最低接收電平值均應≥-85 dBm。便攜臺邊緣電平值為:

Pe=Pf+Gi-Lm-Lj+M

(3)

式中:

Pe——便攜臺邊緣電平;

Pf——基站輸出電平;

Gi——基站天線增益;

Lj——饋線以及接頭損耗;

M——終端天線增益。

根據(jù)香王車輛段無線通信系統(tǒng)設備的情況,便攜臺邊緣電平參數(shù)取值如表2所示。

表2 香王車輛段便攜臺邊緣電平參數(shù)取值

根據(jù)式(3)以及各種參數(shù)的取值,可以得到Pb=-88.74 dB<-85.00 dB。

根據(jù)上述計算可以得出:在距香王車輛段架設全向天線2.5 km外的紡織城停車場的信號電平值,已低于便攜臺在覆蓋區(qū)內(nèi)的最低接收電平值-85 dB,同時由于6號線、9號線無線通信系統(tǒng)設備不是同一廠家,因此,香王車輛段的FA頻組不會對紡織城停車場造成同頻干擾,滿足紡織城停車場的無線通信要求。

2.1.2 采用FB頻組

若紡織城停車場采用FB頻組,其唯一可能產(chǎn)生同頻干擾的是紡織城站1號線區(qū)域和9號線香王站使用的FB頻組。由于香王站為地下車站,距離紡織城停車場約1.5 km,因此不會對紡織城停車場使用的FB頻組造成干擾。

紡織城站為地下車站,車站范圍內(nèi)1號線和6號線軌行區(qū)無開放區(qū)域,1號線使用的FB頻組不會對紡織城停車場造成影響。但停車場處于出入段線區(qū)域,列車由區(qū)間隧道駛入停車場或列車由停車場駛入?yún)^(qū)間隧道,列車就會在區(qū)間隧道無線覆蓋區(qū)和停車場無線覆蓋區(qū)之間進行越區(qū)切換。為了保證切換成功率,一般的做法是在隧道側壁吊掛漏纜的末端,通過連接跳線增加定向天線,將區(qū)間隧道內(nèi)的無線信號擴展至隧道外,與停車場無線覆蓋區(qū)形成長度為200 m左右的無線覆蓋重疊區(qū),從而達到成功切換的目的[5]。因此,灞河停車場U型槽處的室外板狀天線是否會對紡織城停車場造成干擾,需要進一步計算。

1號線U型槽處設置的室外板狀天線距6號線紡織城停車場的最近距離為100 m。考慮到停車場內(nèi)部的空間特性,可以選用無線信號室內(nèi)路徑損耗附加因子的傳播模型。該模型公式為:

Lk=32.4+20lgfo+20lgd+αd+FAF

(4)

式中:

fo——頻率,單位MHz;

α——信道衰減常數(shù),單位dB/m,取值范圍為0.48～0.62,因天線覆蓋范圍很小,因此此項可忽略不計;

FAF——不同層路徑損耗附加值,一般為0,單位dB。

TETRA通信系統(tǒng)采用850 MHz頻率,計算得到1號線U型槽處設置的室外板狀天線在6號線紡織城停車場邊緣區(qū)域的Lk=71 dB。

便攜臺邊緣電平值的計算公式如下:

Pe=PV-L+M

(5)

式中:

PV——天線輸入電平;

L——總損耗。

PV的計算公式如下:

Pv=Pf-Lo-Lg-Lu-Ls-Ll

(6)

式中:

Lo——耦合器損耗;

Lg——功分器損耗;

Lu——跳線損耗;

Ls——射頻纜損耗;

Ll——漏纜損耗。

總損耗的計算公式為:

L=Lk+Lz

(7)

式中:

Lz——綜合損耗。

根據(jù)1號線紡織城站的站型,7/8 in(2.222 5 cm)射頻電纜長度按100 m計算,區(qū)間漏纜長度按700 m計算,多根跳線合計損耗按2.5 dB計算。考慮到停車場建筑物、上蓋立柱等阻擋損耗,綜合損耗取10 dB,板狀天線增益取9 dBi。板狀天線便攜臺邊緣電平參數(shù)取值如表3所示。

表3 紡織城站板狀天線便攜臺邊緣電平參數(shù)取值

根據(jù)式(5)—式(7)以及各種參數(shù)的取值,1號線U型槽處設置的室外板狀天線輸入功率Pv=7 dB,6號線紡織城停車場邊緣區(qū)域自由空間L=81 dB,6號線紡織城停車場Pe=-65 dB>-85 dB。

根據(jù)上述計算可以得出,1號線U型槽處的板狀天線無線信號會被6號線手持臺接收,會產(chǎn)生同頻干擾。

經(jīng)過上述兩個方案的分析計算比較,6號線紡織城停車場應采用FA頻組,可有效避免同頻干擾。

2.2 停車場無線通信覆蓋方案分析

紡織城停車場無線信號頻率確定為FA頻組后,根據(jù)上蓋物業(yè)開發(fā)的情況對停車場內(nèi)無線通信覆蓋進行分析。

整個停車場其中蓋板下主要有運用庫、洗車庫、咽喉區(qū)、出入段線等,未上蓋開發(fā)的單體有綜合樓、料庫料棚、門衛(wèi)及周邊道路等。上蓋物業(yè)開發(fā)平臺高度為10 m,綜合樓為地上5層建筑物,主樓高度為21.45 m,因此,不能采用在綜合樓樓頂架設全向天線進行停車場地面區(qū)域的無線通信覆蓋[6]。運用庫和上蓋物業(yè)根據(jù)功能布局和柱網(wǎng)設置情況,均呈現(xiàn)為線狀空間,因此采用定向天線優(yōu)于采用全線天線。

在停車場蓋下有限空間區(qū)域,無線信號覆蓋受影響的因素較多,環(huán)境復雜,上蓋、墻體、立柱、地面、車體、檢修平臺和工作人員地等都會引起無線信號的散射、反射、折射和吸收,無線電波傳播模型類型較多,根據(jù)停車場蓋下情況,可以采用室內(nèi)小尺度路徑損耗傳播模型計算,計算公式如下:

(8)

式中:

PL,d——路徑的總損耗值,單位dB;

PL,d0——距天線1 m處的自由空間衰減值,單位dB;

d0——近地天線距離,單位m;

n——環(huán)境和建筑物傳播損耗指數(shù),其取值范圍為1.6～3.3,本文取2.8。

TETRA通信系統(tǒng)采用850 MHz頻率,距離地面1 m天線處的自由空間損耗PL,d0=31 dB。

停車場蓋下區(qū)域Pe的計算公式如下:

Pe=PV-PL,d-Lw+M

(9)

式中:

Lw——電平值衰減儲備。

停車場蓋下區(qū)域天線均通過直放站傳輸后,末端天線電平值基本都在10 dB以上,天線增益為9 dB,衰減儲備為10 dB。根據(jù)式(8)和式(9),采用850 MHz頻率時,分別計算距離天線50～300 m的電平值,見表4。

表4 距離天線50～300 m的電平值

從表4可以看出,蓋下區(qū)域?qū)Ｓ脽o線通信系統(tǒng)采用定向天線進行無線信號覆蓋150 m是能夠滿足便攜臺在覆蓋區(qū)內(nèi)最低接收電平值應≥-85 dBm的要求,天線極限覆蓋距離可以到達180 m。

2.2.1 專用無線與公安無線通信覆蓋方案分析

城市軌道交通公安無線通信是為了提高公安部門對軌道交通范圍內(nèi)更好的治安管理,保證城市軌道交通內(nèi)部與公安局各部門之間的通信聯(lián)絡,傳統(tǒng)的停車場只需要進行專用無線通信的覆蓋,公安無線通信是通過市政公安350 MHz頻率無線通信進行覆蓋[7],但由于紡織城停車場帶上蓋物業(yè)開發(fā),且蓋下區(qū)域較大,根據(jù)相關規(guī)范要求需要考慮公安無線的引入,根據(jù)上述公式,分別計算距離天線50～400 m的電平值,通過計算,蓋下區(qū)域公安無線通信系統(tǒng)采用定向天線進行無線信號覆蓋300 m是能夠滿足便攜臺在覆蓋區(qū)內(nèi)最低接收電平應≥-85 dBm的要求,天線極限覆蓋距離可以到達330 m。由此可見,公安無線通信系統(tǒng)完全可以利用專用無線通信系統(tǒng)的天饋進行無線覆蓋。

2.2.2 運用庫內(nèi)無線通信覆蓋方案分析

紡織城停車場運用庫采用盡端式布置,順接于出入段線,運用庫面積3.37萬m2,長274.2 m,寬83.5 m,運用庫庫頂平臺高度為10 m。由于運用庫上蓋物業(yè)開發(fā)為多層住宅,柱網(wǎng)較密,每排柱網(wǎng)間根據(jù)距離設置1～3列位,因此無線覆蓋采用運用庫每排柱網(wǎng)兩端設置定向天線對射方式進行,中間會有40 m左右的覆蓋重疊區(qū)域,可以滿足庫內(nèi)無線通信覆蓋及切換需求。

2.2.3 出入段線U型槽處無線通信覆蓋方案分析

停車場出入段線U型槽側壁敷設有紡織城方向的漏纜,直至出地面部分,為了使列車能夠在U型槽部分成功完成區(qū)間和停車場的無線覆蓋小區(qū)切換,在U型槽終點上方區(qū)域,利用上蓋設置定向天線進行U型槽無線信號覆蓋,與U型槽內(nèi)漏纜形成無線覆蓋重疊區(qū),同時在此處其他柱網(wǎng)間設置定向天線,完成牽出線和其他就近區(qū)域的無線通信覆蓋。

2.2.4 道岔區(qū)無線通信覆蓋方案分析

洗車庫布設在咽喉區(qū)附近,洗車庫長65.6 m,寬9.0 m,全部處于蓋下。出入段線U型槽終點距離運用庫左端頭330 m,同時考慮咽喉區(qū)的布局和柱網(wǎng)的不規(guī)則布置,無線覆蓋會受到遮擋,因此不僅在U型槽上方和運用庫左端架設定向天線,而且在咽喉區(qū)線纜轉折處增設背對背定向天線進行補強。

2.2.5 停車場內(nèi)非蓋下區(qū)域道路無線通信覆蓋方案分析

停車場內(nèi)非蓋下區(qū)域主要為周邊的道路,根據(jù)各單體建筑的分布,利用建筑物的側墻或者立柱設置板狀定向天線進行道路的無線覆蓋,不僅可以滿足道路線性的覆蓋區(qū)域,同時可以減少對周邊環(huán)境的電磁干擾。

3 無線通信覆蓋工程建設方案的實施

在充分了解紡織城停車場、附近車站及停車場周邊既有無線通信覆蓋情況,再通過以上的計算分析,可以得到紡織城停車場無線覆蓋方案,采用FA頻組進行無線通信覆蓋,由于停車場上蓋物業(yè)開發(fā),因此,不能采用在綜合樓樓頂架設全向天線進行停車場地面區(qū)域的無線覆蓋,而是在運用庫內(nèi)部以及上蓋物業(yè)下方采用了定向天線進行無線信號覆蓋,在停車場周邊道路,尤其是與既有灞河停車場相鄰的道路,利用建筑物側墻或者立柱方式安裝定向天線,調(diào)整天線安裝的方向和角度,實現(xiàn)對停車場地面區(qū)域無線全覆蓋,滿足停車場無線通信覆蓋的需求,同時減少對周邊環(huán)境的無線電磁干擾[8]。紡織城停車場無線通信覆蓋示意圖如圖2所示。

圖2 紡織城停車場無線通信覆蓋示意圖

4 結語

隨著西安及各大城市軌道交通建設規(guī)模的不斷擴大,城市軌道交通線網(wǎng)已逐漸形成,為了更好地利用場段土地,停車場帶上蓋物業(yè)開發(fā)必將是趨勢,鑒于蓋下區(qū)域的復雜性,無線覆蓋將面臨復雜的頻率規(guī)劃、分配、覆蓋、干擾防護等一系列問題。

紡織城停車場處于西安城市軌道交通首個三線換乘車站紡織城站的端頭,與1號線既有灞河停車場并排設置,與9號線香王車輛段相距2.5 km,并且?guī)仙w物業(yè)開發(fā),工程特殊性幾乎涵蓋了所有停車場的無線覆蓋及網(wǎng)絡優(yōu)化的場景,經(jīng)充分調(diào)查分析研究,通過各種模型的理論計算、仿真、分析、實測及網(wǎng)優(yōu)選擇更優(yōu)的無線覆蓋方案,通過專用無線與公安無線信號合路共用天饋系統(tǒng)進行停車場無線通信覆蓋,運用庫采用柱間設置定向天線對射方式,咽喉區(qū)順軌道方向在柱間設置定向天線并在咽喉部位進行天線覆蓋補強,U型槽過渡段利用上蓋設置定向天線進行覆蓋,與U型槽側壁漏纜形成覆蓋重疊區(qū),有效的解決越區(qū)切換,蓋外道路利用建筑物側墻或立柱架設定向天線進行覆蓋。經(jīng)過上述一系列的覆蓋方案優(yōu)化及措施,有效解決了帶上蓋物業(yè)開發(fā)停車場的無線通信覆蓋,不僅能夠降低頻率干擾,減少對既有運營影響,節(jié)約投資,而且能夠保證無線通信系統(tǒng)的高質(zhì)量覆蓋,為停車場及列車的正常運營提供有力的保障,本文談到的工程設計思路,希望可為后續(xù)帶上蓋開發(fā)的停車場無線通信覆蓋設計工作提供一些幫助。