合肥地鐵1號線一、二期信號CBTC系統(tǒng)無線覆蓋優(yōu)化

汪成林

合肥城市軌道交通有限公司，安徽合肥 230001

合肥地鐵1號線一、二期，正線全長24.58km，23座全地下站，其中換乘站6座。在濱湖設置車輛段及綜合維修基地1座和1、2、3、4、5號線共用控制中心，已于2016年12月載客運營。信號系統(tǒng)CBTC采用WLAN 2.4GHz跳頻通信技術。

1 CBTC無線覆蓋優(yōu)化的意義

CBTC系統(tǒng)在信息傳輸方面實現了完善與優(yōu)化，不僅實現了對列車的精確化控制，減少了行車誤差出現的可能性，還減少了設備的使用，在維護、建設、保養(yǎng)方面實現了成本的降低。

CBTC系統(tǒng)的無線設備不僅要覆蓋地下地鐵線路，還要覆蓋地面地鐵區(qū)段線路，周圍存在開放的、多種無線通信源共存的通信環(huán)境要求，CBTC系統(tǒng)的無線通信設備應能在隔離的地上地下區(qū)間以及在車站、曲線路段和多條線路股道區(qū)域實現無縫傳輸，保證系統(tǒng)傳輸信息正確、安全、可靠，尤其是在停車線及折返線處，應能保證在此區(qū)域所有可能存在的列車同時進行無線通信的實時性、安全性、容量等需求。自2010年以來，CBTC系統(tǒng)也為城市軌道交通控制系統(tǒng)的有效運行提供了技術支持。

而當前CBTC系統(tǒng)多數采用2.4GHz公共頻段，為此CBTC系統(tǒng)AP安裝前，需對AP設計位置進行實測實驗驗證優(yōu)化設計，從而使得CBTC系統(tǒng)可靠冗余覆蓋，且盡可能避免被其他類似無線系統(tǒng)干擾。合肥地鐵1號線PIS系統(tǒng)車地無線也采用WLAN系統(tǒng)，CBTC無線覆蓋優(yōu)化現場模擬實驗AP勘測定位，也為PIS系統(tǒng)無線AP勘測定位提供參考，提前避免安裝位置沖突。

2 CBTC無線干擾源分析

CBTC系統(tǒng)使用無線系統(tǒng)完成車-地之間的通信，無線系統(tǒng)會不可避免的受到干擾?？赡艿母蓴_源有：

供電系統(tǒng)：軌旁環(huán)網，接觸網軌供電，鋼軌回流，牽引供電電源頻率諧波；

車輛系統(tǒng)：逆變器控制牽引和輔助設備開關行為產生的瞬態(tài)值；

其他無線通信系統(tǒng)：2G/3G/4G民用無線通信，專用800M調度無線系統(tǒng)，公安消防無線系統(tǒng)，PIS車地無線，站務無線對講，政務無線等；

乘客攜帶的2.4GWiFi設備：隨著智能終端的普及，越來越多的乘客攜帶具備WiFi功能的設備乘坐地鐵，在站臺候車。同時，開放線路空間也越來越多的被無線信號覆蓋。由于這些設備均工作在2.4G ISM頻段，因此其對使用同樣頻率的通信系統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)有可能造成干擾；

其他機電系統(tǒng)：風機、空調、屏蔽門等；其他地鐵或鐵路線路的機電設備；

外來干擾源：軌旁的建筑物內的無線通信系統(tǒng)，霓虹燈、高壓線路、機場、工礦企業(yè)、高壓線路等；雷電。

3 CBTC無線覆蓋分析

3.1 軌旁AP布點因素

基于軌旁AP的設計方案，可以從不同的角度對可能出現的影響因素進行針對性分析。

（1）無線信號傳播模式；

（2）自然環(huán)境因素與人文環(huán)境因素，例如，隧道種類、溫度、人口密度等；

（3）功能性需求，例如系統(tǒng)的穩(wěn)定性、業(yè)務流量的平穩(wěn)運行能力等；

（4）工程有效程度；

（5）其它影響因素，包括信號干擾、地理位置等條件。

3.2 工程環(huán)境AP布點的要求

在不同的條件下，軌旁AP布點方案也會存在著一定的差異，此時需要結合不同的狀態(tài)進行分析。

地下隧道方面，要考慮到隧道的寬度對信號可能存在的阻擋作用。從設計原則來看，應該結合視距要求來進行覆蓋，并利用隧道壁反射原理，讓視距符合設計的要求；

地面線路方面，同頻干擾成為了主要的影響因素。特別是在一些人口密集的區(qū)域或是公共區(qū)域，同頻干擾問題會更加嚴重。合肥地鐵1號線系統(tǒng)采用2.4GHZ調頻技術，而民用WiFi主要采用2.4GHz直接序列通信技術，相對直接序列通信技術調頻技術抗干擾能力強。

單洞雙軌的設計也會受到同頻干擾，同時還會受到鄰頻干擾。因此，在軌旁AP的安裝要考慮到距離，進行有效管控。

3.3 AP場強參數選取

1號線CBTC無線AP主要參數：發(fā)射功率：≤20dBm；雜散發(fā)射限值：≤-30dBm；直線隧道空間傳輸距離：600～700m（2Mbps）；彎道隧道空間傳輸距離：380～450m（2Mbps）；無線AP邊緣場強不小于-65dBm。

4 CBTC無線覆蓋原則

合肥地鐵1號線隧道區(qū)間每隔約250m安裝一個無線AP。實際安裝間距取決于詳細線路類型（如：岔區(qū)、場段、端頭、室內、室外、試車線等）、隧道結構、線路坡度及天線類型等因素。每個軌旁AP無線裝置一般都有兩個定向天線，并分別面向線路的相反方向。AP的設置基本原則是，首先確保無線信號質量和冗余，再盡可能減少AP數量，進而減少無線越區(qū)切換次數。AP天線的布置要考慮軌道彎道的特殊傳播情況，以及長站間距離。AP天線的位置設置：相鄰WRU（軌旁無線單元）的信號須重疊覆蓋。無線信號重疊提供了軌旁無線信號的冗余，當一個WRU（軌旁無線單元）或者隔一個WRU（軌旁無線單元）交替發(fā)生故障時，都能確保連續(xù)的無線覆蓋，滿足信號系統(tǒng)對數據傳輸實時性、安全性、可靠性的要求。AP無線信號完全冗余的無線覆蓋原則如圖1所示。

圖1 AP無線信號完全冗余的無線覆蓋原則

5 CBTC無線勘測方法

CBTC無線勘測采用現場模擬實驗方法，勘測工具、方法與要點如下。

5.1 勘測工具

帶串口的筆記本電腦1臺；TTERMPRO串口通訊軟件；串口電纜；SDR軟件無線電設備(含軟件)；便攜式移動電源（為SDR、AP、儀表供電）；軌旁、車載AP及天線各1個；頻譜儀。

5.2 勘測方法與要點

CBTC無線AP勘測基于圖1冗余覆蓋原則，在實際勘測時，發(fā)射端與接收端之間應跳過一個AP，即：發(fā)射端在APn時，接收端應放在APn+2，跳過了APn+1。發(fā)射端用串口線將電腦和SDR（軟件無線電設備）連接，通過便攜式移動電源給SDR軟件無線電設備供電，并用射頻纜將SDR軟件無線電設備射頻口與發(fā)射天線連接，電腦通過ttermpro軟件完成天線發(fā)射的配置，配置完成后將天線方向正對接收端，天線高度和位置為實際安裝高度和位置，期間不可斷電。接收端需將頻譜儀與接收天線連接，方向正對發(fā)射端，天線高度為車載高度，位置為軌道中間。通過頻譜儀搜索功率峰值，要求平均峰值＞-65dBm。勘測前應檢查所用發(fā)射天線的面功率是否合格，用車載天線測試面功率需滿足0dBm左右。當遇到彎道時，通過將發(fā)射天線分別放在隧道壁兩側的方法來分別勘測上下行的信號強度。在實際情況下，當天線放在隧道彎道的內側時信號強度較弱，當內側平均峰值＜-65dBm時則需要將天線過軌到外側安裝。彎道的內外側分別是指彎道的內半徑側和外半徑側。當CBTC AP的安裝位置與PIS AP安裝位置重疊時，則應優(yōu)先考慮CBTC AP的信號，將CBTC AP安裝在彎道外側，PIS AP安裝在內側。當彎道半徑過小導致天線放在內外兩側功率峰值都不能達到要求時，應根據實際情況移動發(fā)射天線的位置并記錄。發(fā)射端天線在彎道的區(qū)域時，需要勘測兩邊的功率，即天線方向朝大里程和小里程方向都需要進行勘測。

6 結語

通過采用現場模擬實驗方法，對合肥地鐵1號線CBTC系統(tǒng)無線覆蓋進行優(yōu)化， 縮短了CBTC系統(tǒng)調試工期，提高了安裝調試一次合格率，CBTC運行性能指標達到了設計要求，同時也為1號線PIS車地無線覆蓋優(yōu)化提供參考。