寧波軌道交通車載WIFI系統(tǒng)兼容研究

徐勁松

(寧波軌道交通運營分公司 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，基于無線通信的列車自動控制(CBTC)系統(tǒng)將逐漸取代基于軌道電路的列車自動控制系統(tǒng)，成為當(dāng)前軌道交通信號系統(tǒng)的主流。CBTC系統(tǒng)采用的無線傳輸協(xié)議主要運行在2.4 GHz頻段的IEEE 802.11 g。此頻段為開放頻段，是國際規(guī)定的免費頻段，不需要向國際相關(guān)組織繳納任何費用［1-4］。

我國的2.4 GHz頻段總共劃分了13個信道，每個信道帶寬為20 MHz(見圖1)。

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

圖1 2.4 GHz頻段信道分布

2 寧波軌道交通信號系統(tǒng)與車載WIFI

2.1 1號線CBTC系統(tǒng)

寧波軌道交通1號線CBTC系統(tǒng)采用的是信道2和信道13(中心頻點分別為2 417 MHz和2 472 MHz)，兩者是信號系統(tǒng)車地通信互為冗余保護的數(shù)據(jù)通道;同時，該信號系統(tǒng)通過選用窄帶調(diào)制方式來提高無線系統(tǒng)的抗干擾性能。窄帶調(diào)制方式將2.4 GHz無線頻點的頻寬由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)實際測試驗證，窄帶調(diào)制方式可顯著提高無線系統(tǒng)的抗干擾性能。窄帶modem的功率譜密度與原20 MHz的對比詳見圖2。

圖2 調(diào)制帶寬對比

寧波軌道交通1號線的CBTC系統(tǒng)采用波導(dǎo)管傳輸解決方案。車地通信是由安裝在車廂底部的波導(dǎo)管車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)的自由無線天線方式的解決方案相比有4方面優(yōu)點。

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

2)使用正對波導(dǎo)管的車載定向天線。

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

4)車載天線安裝在車廂底部，波導(dǎo)管位于站臺下方，車站站臺對于非車載天線視域內(nèi)的其他無線信號形成屏蔽效果［6-8］。

2.2 1號線車載WIFI系統(tǒng)

寧波軌道交通1號線車載WiFi信號通過安裝于車廂側(cè)壁上方的LTE-AP(4G轉(zhuǎn)WiFi的無線接入點)進行覆蓋，每節(jié)車廂2臺，單側(cè)暗裝，全列車總共12臺。LTE-AP通過接收軌道區(qū)間移動4G信號進行通信，車廂內(nèi)轉(zhuǎn)為WiFi信號，滿足乘客無線上網(wǎng)需求。

LTE-AP采用2.4 GHz頻段7信道進行數(shù)據(jù)傳輸，避開信號系統(tǒng)使用的2和13信道，同時，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 車載WIFI與CBTC兼容性測試

為了驗證寧波軌道交通1號線車載無線系統(tǒng)與軌道交通信號系統(tǒng)的兼容性，選取1號線的一列車在運營線路上進行測試。

2.3.1 無線系統(tǒng)設(shè)置

1)車載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)車廂布置2個AP點，全車共12個(見圖3)。

圖3 車載無線AP分布

2)信號系統(tǒng)車地通信設(shè)備配置。信號紅網(wǎng):頻率使用2.4 GHz頻段2信道，位于車頭司機室。信號藍網(wǎng):頻率使用2.4 GHz頻段13信道，位于車尾司機室。

2.3.2 測試方式

列車在1號線東環(huán)南站至高橋西站上下行，以正常CTBC模式運行狀態(tài)下，開啟車載WiFi系統(tǒng)并模擬各類實際使用情況，記錄車廂內(nèi)部各處WiFi信號強度以及乘客在此期間使用車載WiFi系統(tǒng)的用戶感知;同時記錄信號系統(tǒng)無線信號場強覆蓋和車地端到端通信質(zhì)量。

2.3.3 測試結(jié)果

1)車載WiFi系統(tǒng)。測試人員在總計6節(jié)車廂中選取18處點位進行覆蓋強度測試(每節(jié)車廂選取3處)，記錄結(jié)果見表1。

表1 信號場強記錄

車廂內(nèi)各處的WiFi信號強度基本控制在－40～－60 dBm，能滿足正常無線通信需求。

2)覆蓋區(qū)域認證測試。測試人員在列車車廂內(nèi)進行10次的用戶上/下線測試，記錄結(jié)果見表2。

表2 認證測試記錄

3)覆蓋區(qū)域業(yè)務(wù)測試。測試人員在列車上對各個AP進行AP信道、上傳/下載、Ping包測試，記錄結(jié)果見表3。

表3 業(yè)務(wù)測試記錄

在列車運行期間，20人在首節(jié)車廂自由使用WiFi，網(wǎng)頁打開速率平均3 s，下載速率穩(wěn)定在200 KB/s，Ping包延時低于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信號系統(tǒng)

1)無線覆蓋場強。全線信號網(wǎng)信道2(信號藍網(wǎng))如圖4所示，全線信號網(wǎng)信道13(信號紅網(wǎng))如圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，全線信號網(wǎng)信道2和信道13無線信號場強基本保持在－40～－60 dBm，滿足信號系統(tǒng)車地通信的要求。

2)丟包率。信道2(信號藍網(wǎng))如圖6所示。信道13(信號紅網(wǎng))如圖7所示。

圖4 信號藍網(wǎng)

圖5 信號紅網(wǎng)

圖6 信號藍網(wǎng)丟包測試記錄

測試結(jié)果表明，當(dāng)車載WiFi系統(tǒng)運行在2.4 GHz頻段7頻點的狀態(tài)下，且AP發(fā)射功率在2.512 mW時，信號系統(tǒng)無線覆蓋信號場強分布不受影響，車地端到端通信的丟包率小于0.1%，可滿足信號車地通信質(zhì)量要求［9-10］。

圖7 信號紅網(wǎng)丟包測試記錄

3 總結(jié)

綜上所述，為了加強乘客出行便捷以及乘客對無線上網(wǎng)需求的迫切性，同時考慮到地鐵CBTC系統(tǒng)運營的安全、可靠性，地鐵項目在設(shè)計初期，運營商各方就應(yīng)加強重視，同時考慮各方對WLAN(無線局域網(wǎng))信道的需求，合理規(guī)劃頻點的使用。筆者提出3點建議供參考。

1)首先確定地鐵信號系統(tǒng)對信道的使用需求，盡量將信號系統(tǒng)兩個冗余保護通道頻點安排在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)車載WiFi系統(tǒng)信道采用信道7/8/9中一個或組合，緊鄰司機室車廂內(nèi)AP的布置應(yīng)避開靠近司機室區(qū)域;控制車載WiFi AP的發(fā)射功率，將其無線覆蓋區(qū)域控制在本車廂區(qū)域內(nèi)，減少車載WiFi AP自身系統(tǒng)間的互相干擾。

3)對于其他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，可以與信號系統(tǒng)、車載WiFi系統(tǒng)做到完全的信道隔離，互不干擾。

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