寧波有軌電車(chē)無(wú)線通信解決方案

董仁權(quán)

摘要：有軌電車(chē)無(wú)線通信系統(tǒng)是在傳統(tǒng)有軌電車(chē)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型快速公共交通系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)寧波有軌電車(chē)車(chē)地?zé)o線通信的需求的分析，對(duì)現(xiàn)有幾種可行的車(chē)地通信方式進(jìn)行了對(duì)比。提出了適合有軌電車(chē)的TD-LTE車(chē)地?zé)o線通信解決方案，該方案能夠解決現(xiàn)有軌電車(chē)車(chē)地通信的瓶頸，能夠達(dá)到降低工程投資，多業(yè)務(wù)承載，維護(hù)工作量的目的，有利于其他系統(tǒng)接入。

關(guān)鍵詞：LTE 有軌電車(chē) 無(wú)線通信 頻率

中圖分類號(hào)：U284 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2015）04-0023-02

1 工程需求

寧波有軌電車(chē)一期工程全長(zhǎng)8.16公里，全線設(shè)站12座。電車(chē)所經(jīng)過(guò)的線路處于城市核心區(qū)，線路環(huán)境比已開(kāi)通運(yùn)行的任何一條有軌電車(chē)線路都要復(fù)雜，線路交叉路口多，平均每400多米就有一個(gè)路口，與社會(huì)車(chē)輛交叉混行。另外，車(chē)站線間距小，平均680米設(shè)站一座。電車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中受到的干擾因素多，如何降低外部因素對(duì)電車(chē)正常運(yùn)行的干擾，提高電車(chē)旅行速度，是本條線路建設(shè)成功與否的決定性因素。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要將行車(chē)調(diào)度信息可以安全、可靠地從控制中心傳輸?shù)接熊夒娷?chē)上，同時(shí)又實(shí)時(shí)客流統(tǒng)計(jì)作為行車(chē)調(diào)度的輔助。以上功能的實(shí)現(xiàn)，需要一套安全、可靠、穩(wěn)定的車(chē)地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)。另外，出于公共交通對(duì)反恐防暴的要求，有軌電車(chē)在列車(chē)上需要安裝視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)，并實(shí)時(shí)將視頻傳輸給控制中心。這同樣需要一套高帶寬、高穩(wěn)定性的車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)。

2 LTE無(wú)線通信網(wǎng)對(duì)有軌電車(chē)建設(shè)的重要性

支撐有軌電車(chē)安全運(yùn)營(yíng)的生產(chǎn)業(yè)務(wù)不斷增加，車(chē)地通信功能和性能面臨挑戰(zhàn)，迫切需要可靠傳輸信號(hào)系統(tǒng)的列車(chē)狀態(tài)信息和行車(chē)控制命令以保證行車(chē)安全；迫切需要及時(shí)回傳在線列車(chē)車(chē)內(nèi)視頻，向乘客通報(bào)緊急情況，以保證公共安全和緊急狀況的應(yīng)急處置。與國(guó)內(nèi)其他城市一樣，目前，有軌電車(chē)信號(hào)系統(tǒng)、PIS（CCTV）中車(chē)地信息傳輸均獨(dú)立設(shè)置的WiFi系統(tǒng)。由于WiFi系統(tǒng)存在如下問(wèn)題：

（1）采用公用頻段，易受干擾，尤其是在地面使用，干擾更是無(wú)法控制，造成通信不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)易丟失；（2）另外WiFi沒(méi)有多業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)保障機(jī)制；（3）不適用于綜合承載；（4）高速移動(dòng)場(chǎng)景帶寬的穩(wěn)定性也無(wú)法保障；（5）信號(hào)系統(tǒng)、PIS（CCTV）系統(tǒng)、輔助駕駛系統(tǒng)、客流實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)等系統(tǒng)全部需要借助無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)承載車(chē)地之間的通信數(shù)據(jù)，獨(dú)立建網(wǎng)，頻率資源浪費(fèi)。

目前，有些行業(yè)采用租用無(wú)線公網(wǎng)的方式，滿足其語(yǔ)音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。然而，無(wú)線公網(wǎng)由于安全性、可靠性和帶寬流量的限制，不宜作為有軌電車(chē)的網(wǎng)絡(luò)通信方式。不僅如此，隨著有軌電車(chē)線網(wǎng)的形成，必定需要一套能實(shí)現(xiàn)各條線路之間互聯(lián)互通的無(wú)線通信系統(tǒng)，才能滿足有軌電車(chē)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的要求。從初期線路就開(kāi)始統(tǒng)一考慮，統(tǒng)一規(guī)劃，可以避免將來(lái)不必要的改造，節(jié)約投資。而LTE專網(wǎng)是目前比較適合用來(lái)承載這種需求的無(wú)線通信網(wǎng)。，因此建設(shè)一套LTE專網(wǎng)作為車(chē)地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)來(lái)承載業(yè)務(wù)勢(shì)在必行。

3 解決方案

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

有軌電車(chē)LTE無(wú)線通信網(wǎng)由控制中心系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、基站設(shè)備、天饋系統(tǒng)、車(chē)站子系統(tǒng)和移動(dòng)終端組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1。

3.2 業(yè)務(wù)承載需求

寧波市鄞州區(qū)現(xiàn)代有軌電車(chē)實(shí)驗(yàn)線一期工程運(yùn)營(yíng)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)包括運(yùn)營(yíng)管理及中央調(diào)度系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、車(chē)輛段自動(dòng)化系統(tǒng)等。需無(wú)線通信系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)承載的有中央調(diào)度系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、列車(chē)安防系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)。各系統(tǒng)的帶寬需求如下表1：

以上各類業(yè)務(wù)重要性各有不同，對(duì)信號(hào)傳輸?shù)陌踩砸笠膊煌虼藢⒁陨蠘I(yè)務(wù)劃分為三類：A類為優(yōu)先保證類業(yè)務(wù)，包括列車(chē)輔助駕駛和無(wú)線列調(diào)，此類業(yè)務(wù)關(guān)系到列車(chē)能否正常運(yùn)行，信號(hào)的實(shí)時(shí)性和安全性要求最高，一旦信號(hào)丟失將對(duì)列車(chē)運(yùn)行造成重大影響甚至交通事故，因此無(wú)線系統(tǒng)需要優(yōu)先保證這類信號(hào)正常傳輸；B類為次要保證類業(yè)務(wù)，包括自動(dòng)售檢票系統(tǒng)和列車(chē)安防系統(tǒng)，此類業(yè)務(wù)是保證列車(chē)正常、安全運(yùn)營(yíng)的重要輔助手段，但是對(duì)信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求不高，如自動(dòng)售檢票系統(tǒng)信息可以在列車(chē)進(jìn)站后帶寬容量較高時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，列車(chē)安防系統(tǒng)可以通過(guò)降低上傳圖像路數(shù)、高清圖像可以本地存儲(chǔ)、上傳標(biāo)清圖像、緊急時(shí)（如乘客緊急呼叫）上傳1路高清圖像等方式降低帶寬占用；C類為商用需求類業(yè)務(wù)，主要指乘客信息系統(tǒng)，此業(yè)務(wù)服務(wù)對(duì)象是乘客，信號(hào)的實(shí)時(shí)性和安全性要求不高，信號(hào)傳輸出現(xiàn)異常時(shí)對(duì)列車(chē)運(yùn)營(yíng)影響較小，可以通過(guò)增大車(chē)載緩存、到站緩存等方式降低帶寬占用。

3.3 頻率需求

根據(jù)2015年初國(guó)家工信部65號(hào)文相關(guān)通知，工信部規(guī)劃1785-1805MHz頻段為時(shí)分多址（TDD）方式無(wú)線接入系統(tǒng)使用頻率，滿足交通（城市軌道交通等）、電力、石油等行業(yè)專用通信網(wǎng)和公眾通信網(wǎng)的應(yīng)用需求。本條線路剛好可以考慮將車(chē)地?zé)o線通信選用LTE技術(shù)。根據(jù)有軌電車(chē)業(yè)務(wù)承載需求，下行速率需要8Mbps，上行速率4Mbps，考慮到下行效率基本是上行的一倍，因此需要綜合考慮3D：1U和2D：2U時(shí)隙配置的選擇，按1.8GHz頻率通過(guò)仿真計(jì)算如下表2。

上述選擇中，10MHz在3D：1U時(shí)隙配置下，下行平均速率可以滿足系統(tǒng)目標(biāo)要求，但是上行平均速率無(wú)法滿足系統(tǒng)目標(biāo)要求；在2D：2U時(shí)隙配置下，上行平均速率可以滿足系統(tǒng)目標(biāo)要求，但是下行平均速率無(wú)法滿足系統(tǒng)目標(biāo)要求。由前面表1中優(yōu)先級(jí)可以看出，乘客信息系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)最低，但是占用下行帶寬最多，因此綜合考慮業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)和帶寬占用情況，選擇2D：2U時(shí)隙配置。同時(shí)考慮到乘客信息系統(tǒng)可以通過(guò)到站緩存，以及4列車(chē)總有車(chē)會(huì)離基站近一點(diǎn)，后期可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化來(lái)讓容量盡量滿足需求，優(yōu)化手段有：

（1）乘客信息系統(tǒng)，6Mbps下行，到站高速情況下緩存；（2）對(duì)于速率不能保障的小區(qū)，通過(guò)增加基站/扇區(qū)來(lái)增加容量；（3）發(fā)射，接收天線的優(yōu)化來(lái)增加吞吐量。

結(jié)論：在10MHz頻率帶寬及2D：2U時(shí)隙配置下，可以通過(guò)一些帶寬優(yōu)化和業(yè)務(wù)分級(jí)優(yōu)先等方式滿足承載業(yè)務(wù)的帶寬需求。因此，為滿足有軌電車(chē)業(yè)務(wù)承載的帶寬需求，至少需要10MHz的頻率帶寬?？紤]到在1785MHz-1805MHz上下頻率邊緣留出5MHz的保護(hù)帶，因此采用1790MHz-1800MHz頻率。

4 覆蓋方案

4.1 正線及車(chē)站覆蓋

寧波有軌電車(chē)全部為地面線路，車(chē)站為全開(kāi)放式站臺(tái)，軌道在城市道路中央綠化帶內(nèi)鋪設(shè)，線路沿線有許多十字路口，因此，正線及車(chē)站只能采用架設(shè)戶外天線進(jìn)行信號(hào)覆蓋。為了盡量降低對(duì)別的用戶造成干擾，采用小角度（30°）定向天線背靠背方式安裝，無(wú)線信號(hào)指向軌道行車(chē)方向輻射，天線平均高度控制在15米以下，RRU射頻部分采用智能功控技術(shù)，天線最大端口電平控制在33dBm。線路北部及中部在城市密集區(qū)，天線高度控制在12米，天線端口電平采用智能功控，最大端口電平控制在37dBm以下，站間距控制在1Km。RRU的設(shè)置分別位于寧南立交南站與萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)站之間、萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)站與鄞縣大道站之間、鄞縣公園站附近、南部商務(wù)區(qū)站附近、交通樞紐站附近。線路南部處于城市郊區(qū)，天線高度控制在15～20米之間，天線端口電平采用智能功控，最大端口電平控制在40dBm以下，站間距控制在1.4Km。RRU的設(shè)置分別位于茶桃路站附近、石家村站附近、北大路站附近。天線覆蓋基站建設(shè)示意圖如下圖2所示：

4.2 控制中心和車(chē)輛段信號(hào)覆蓋

車(chē)輛段和控制中心在一起，上蓋有物業(yè)開(kāi)發(fā)，因此，控制中心室內(nèi)采用全向吸頂天線進(jìn)行無(wú)線信號(hào)覆蓋，天線間距按15米布設(shè)，端口電平不大于15dBm。車(chē)輛段庫(kù)內(nèi)采用室內(nèi)定向天線和全向天線組合覆蓋，根據(jù)最終的車(chē)庫(kù)平面布置設(shè)計(jì)天線的數(shù)量及發(fā)射功率。

4.3 防干擾措施

（1）與機(jī)場(chǎng)用戶間的干擾；寧波有軌電車(chē)線路走向與機(jī)場(chǎng)最近處約7.2公里，有軌電車(chē)采用小角度定向天線覆蓋，且天線安裝較低，無(wú)線信號(hào)覆蓋方向與機(jī)場(chǎng)平行，不會(huì)對(duì)機(jī)場(chǎng)造成干擾。與此同時(shí)，雖然機(jī)場(chǎng)用戶暫時(shí)未建設(shè)，但據(jù)估計(jì)，機(jī)場(chǎng)用戶的基站天線法線方向幾乎不可能與有軌電車(chē)線路垂直；不僅如此，1800MHz在7.2Km距離下自然衰減是114dB，而且有軌電車(chē)在城市中穿梭，加之道路兩側(cè)的高樓大廈遮擋，即使將來(lái)機(jī)場(chǎng)用戶也建設(shè)同頻專網(wǎng)，也不會(huì)對(duì)有軌電車(chē)信號(hào)造成干擾。

（2）與地鐵用戶的干擾；有軌電車(chē)與地鐵之間的干擾主要有如下幾種情況：

一、若遠(yuǎn)期地鐵為地下線路，不用考慮干擾問(wèn)題；二、若遠(yuǎn)期地鐵線路是地面線路，且與有軌電車(chē)線路部分平行時(shí)，平行段有軌電車(chē)線路無(wú)線信號(hào)可改用漏泄電纜覆蓋，地鐵用戶即使是高架段，一般也采用漏泄電纜覆蓋，干擾問(wèn)題可以規(guī)避。三、若遠(yuǎn)期地鐵線路是地面線路，與有軌電車(chē)線路交叉時(shí)，只要調(diào)整有軌電車(chē)無(wú)線基站天線的傾角，改變單點(diǎn)基站的發(fā)射功率可以規(guī)避干擾。

（3）與有軌電車(chē)沿線其他用戶間的干擾；當(dāng)有軌電車(chē)所經(jīng)線路有其他用戶需要采用同頻組網(wǎng)時(shí)，可采用以下方法控制干擾。

一、采用相同時(shí)隙組網(wǎng)（不建議使用異時(shí)隙配置）；二、交疊區(qū)域采用不同天線走向；三、企業(yè)采用定向小功率天線，信號(hào)輻射方向背向有軌電車(chē)線路，有軌電車(chē)用戶在交疊區(qū)采用泄露電纜覆蓋。

5 結(jié)語(yǔ)

LTE示范線的建設(shè)運(yùn)營(yíng)標(biāo)志著成功打造一個(gè)高速、穩(wěn)定、可靠的車(chē)地雙向車(chē)地通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，樹(shù)立有軌電車(chē)行業(yè)對(duì)車(chē)地通信的新認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)了運(yùn)用新技術(shù)的能力與信心，使我國(guó)有軌電車(chē)跨入4G無(wú)線通信時(shí)代。

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