隧道模擬環(huán)境下城市軌道交通車(chē)地綜合通信系統(tǒng)雙漏泄電纜傳輸性能研究

宋高云

(中鐵建電氣化局集團(tuán)第一工程有限公司， 471013， 洛陽(yáng)∥高級(jí)工程師)

0 引言

隨著LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))技術(shù)的發(fā)展和成熟，國(guó)內(nèi)外軌道交通已有基于LTE技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用。2010年12月，在UIC(國(guó)際鐵路聯(lián)盟)組織的第七屆世界高速鐵路大會(huì)上首次提出將LTE-R(下一代軌道無(wú)線(xiàn)通信)系統(tǒng)作為高速鐵路移動(dòng)通信的解決方案。2015年3月，工業(yè)和信息化部正式確定1.785～1.805 GHz頻段作為交通、電力、石油等行業(yè)的專(zhuān)用通信網(wǎng)頻段。2016年12月，武漢地鐵6號(hào)線(xiàn)一期工程通車(chē)并投入運(yùn)營(yíng)，該線(xiàn)采用LTE-M(城市軌道交通車(chē)地綜合通信系統(tǒng))承載CBTC(基于通信的列車(chē)控制)業(yè)務(wù)，成為國(guó)內(nèi)首條使用LTE技術(shù)進(jìn)行列車(chē)控制信息承載的城市軌道交通線(xiàn)路。

迄今已有許多學(xué)者對(duì)漏泄電纜的輻射特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]研究了雪厚度和含水量對(duì)漏泄圓波導(dǎo)輻射特性的影響，并提出相應(yīng)的解決措施。文獻(xiàn)[2]為解決室內(nèi)5G (第5代移動(dòng)通信技術(shù))信號(hào)覆蓋盲區(qū)的問(wèn)題，對(duì)單側(cè)漏泄同軸電纜進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型的雙側(cè)漏泄同軸電纜。文獻(xiàn)[3]利用傳輸線(xiàn)理論對(duì)隧道中漏泄電纜的傳輸損耗及其他因素對(duì)其性能的影響進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]利用模式匹配和傅里葉變換，從理論上研究了漏泄電纜近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的耦合特性。北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司與北京交通大學(xué)交通運(yùn)行控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室依據(jù)LTE-M標(biāo)準(zhǔn)，組建了可應(yīng)用于城市軌道交通綜合承載的車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)[5]，驗(yàn)證了使用漏泄電纜作為傳輸媒介組建的LTE-M在綜合承載、傳輸速率等方面能夠滿(mǎn)足城市軌道交通業(yè)務(wù)的基本需求。文獻(xiàn)[6]利用調(diào)整時(shí)隙配比、漏泄電纜定向覆蓋、優(yōu)化車(chē)載天線(xiàn)布置位置等方式，驗(yàn)證了車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)的抗干擾性。北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司在北京地鐵5號(hào)線(xiàn)上應(yīng)用了以定向天線(xiàn)作為傳輸媒介的LTE-M，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：使用無(wú)線(xiàn)自由波作為傳輸媒介的組網(wǎng)方式存在被干擾的風(fēng)險(xiǎn)，在有較強(qiáng)干擾的情況下車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)的傳輸速率會(huì)受到影響，實(shí)現(xiàn)最低標(biāo)準(zhǔn)的CBTC、PIS(乘客信息系統(tǒng))和CCTV(閉路電視)業(yè)務(wù)的綜合承載較為勉強(qiáng)。這表明在實(shí)際運(yùn)行線(xiàn)路中，基于LTE-M組建車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的綜合承載方面還有待改進(jìn)。

上述文獻(xiàn)對(duì)漏泄電纜的輻射特性、耦合特性進(jìn)行了研究，同時(shí)使用漏泄電纜的車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)也得到了相關(guān)的應(yīng)用。但是在單漏泄電纜、相同極化方向的雙漏泄電纜及不同極化方向的雙漏泄電纜3種不同形式下，電纜對(duì)于LTE傳輸速率的影響、不同漏泄電纜間距對(duì)于傳輸速率的影響等方面的研究還比較少。使用漏泄電纜作為L(zhǎng)TE-M，基本可以實(shí)現(xiàn)CBTC、標(biāo)準(zhǔn)清晰度PIS及標(biāo)準(zhǔn)清晰度CCTV的綜合承載需求，但也暴露出在有限頻譜帶寬情況下該系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)傳輸速率小、MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)效果不好等不足。為此，本文提出了適用于城市軌道交通隧道環(huán)境的雙漏泄電纜覆蓋方案，即采用由HV方式(一根為水平極化、另一根為垂直極化)組成雙漏泄電纜，并將漏纜間距設(shè)為0.3 m。該方案可以在最小的漏纜間距下獲得最佳的信號(hào)傳輸速率。

1 模擬環(huán)境下的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)的目的是：在隧道模擬環(huán)境搭建雙漏纜覆蓋的LTE-M，通過(guò)不同極化方式及不同纜間距對(duì)雙漏泄電纜覆蓋的LTE-M進(jìn)行測(cè)試。模擬隧道采用長(zhǎng)100 m、寬5 m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在隧道壁上依據(jù)不同的漏纜間距安裝相應(yīng)的卡具，以用于放置漏泄同軸電纜。

本文基于最小信息準(zhǔn)則建立隧道環(huán)境下雙漏泄同軸電纜無(wú)線(xiàn)信道傳播模型。由于模擬隧道的長(zhǎng)度只有100 m，且需要在兩個(gè)小區(qū)間切換測(cè)試，所以每個(gè)小區(qū)漏泄同軸電纜的覆蓋范圍只有50 m。為了盡量真實(shí)地模擬實(shí)際運(yùn)營(yíng)環(huán)境，需要將兩個(gè)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度調(diào)整到真實(shí)小區(qū)覆蓋的最末端50 m的信號(hào)強(qiáng)度水平。因此，本文通過(guò)RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元)與漏泄同軸電纜間增加衰減，模擬小區(qū)覆蓋末端的環(huán)境。一般情況下，RSRP(參考信號(hào)接收功率)小于-85 dBm時(shí)即可認(rèn)為是遠(yuǎn)點(diǎn)，因此測(cè)試時(shí)將漏泄同軸電纜起點(diǎn)處測(cè)得的RSRP控制在-85 dBm，在單小區(qū)50 m長(zhǎng)度的漏泄同軸電纜覆蓋范圍內(nèi)每個(gè)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度在-85～-88 dBm之間。模擬的車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)由2臺(tái)BBU(基帶處理單元)、2臺(tái)RRU、1臺(tái)EPC(演進(jìn)型分組核心)、1臺(tái)交換機(jī)組成。該系統(tǒng)承擔(dān)了包含兩個(gè)小區(qū)的通信，其測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

注：PC——個(gè)人計(jì)算機(jī)；TAU——車(chē)載接入單元。圖1 模擬測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of simulation test system structure

該測(cè)試系統(tǒng)外部連接筆記本電腦的運(yùn)行測(cè)試軟件，用以測(cè)試場(chǎng)強(qiáng)、信噪比、傳輸速率等3項(xiàng)性能。在移動(dòng)臺(tái)側(cè)將雙極化定向天線(xiàn)與移動(dòng)臺(tái)連接，并與筆記本電腦相連，收集模擬環(huán)境下的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)及傳輸速率數(shù)據(jù)。其中：場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)臺(tái)自帶的軟件讀取，以最真實(shí)地反映LTE設(shè)備接收到的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)值，同時(shí)記錄其位置信息；傳輸速率數(shù)據(jù)通過(guò)Ixchariot軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)流獲取。在網(wǎng)絡(luò)端和移動(dòng)臺(tái)側(cè)分別安裝軟件客戶(hù)端，通過(guò)使用傳輸速率腳本獲取傳輸速率數(shù)據(jù)。

受模擬隧道的環(huán)境限制，測(cè)試模擬小車(chē)只能以低速運(yùn)行，模擬隧道測(cè)試在不同極化方式及不同漏纜間距下的雙漏泄電纜的覆蓋性能及傳輸速率，進(jìn)而為提出最佳漏纜覆蓋方案提供依據(jù)。高速移動(dòng)狀態(tài)下的系統(tǒng)性能將在后續(xù)的運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路測(cè)試中進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次測(cè)試共設(shè)定了3種雙漏泄電纜覆蓋方式，分別為HH方式(兩根漏纜均為水平極化)、VV方式(兩根漏纜均為垂直極化)及HV方式(一根漏纜為水平極化、另一根為垂直極化)?？紤]漏纜的干擾因素，兩根漏纜的間距至少為0.3 m，而采用MIMO技術(shù)傳輸時(shí)所要求的漏纜間隔至少為0.5 m。考慮到實(shí)驗(yàn)中模擬隧道的長(zhǎng)度和實(shí)際工程中的長(zhǎng)度不同，本文選用了3種有代表性的漏纜間距(0.3 m、0.6 m、1.0 m)進(jìn)行測(cè)試。

針對(duì)3種雙漏泄電纜覆蓋方式，對(duì)每種方式分別在纜間距為0.3 m、0.6 m、1.0 m時(shí)信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)、信噪比及傳輸速率進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，LTE系統(tǒng)使用頻點(diǎn)為1 790～1 800 MHz共10 MHz帶寬，該系統(tǒng)使用的子幀配比為1(即上下行配比為2∶2)，特殊子幀配比為10∶2∶2。模擬隧道試驗(yàn)得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1—3所示。

表1 3種雙漏泄電纜覆蓋方式下的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試結(jié)果Tab.1 Field strength test results under 3 double leaky cable coverage modes

表2 3種雙漏泄電纜覆蓋方式下的信噪比測(cè)試結(jié)果Tab.2 Signal to noise ratio test results under 3 double leaky cable coverage modes

由表1～2可知：將漏泄電纜間距由1.0 m減少至0.3 m，3種雙漏泄電纜覆蓋方式下作為接收端的用戶(hù)設(shè)備UE(用戶(hù)設(shè)備)所接收到的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)及信噪比均無(wú)明顯變化。這證明了1.8 GHz頻段下漏泄電纜纜間距從1.0 m減少至0.3 m時(shí)，雙漏泄電纜間的耦合損耗無(wú)明顯增加，漏纜間距的縮小不會(huì)對(duì)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)及信噪比產(chǎn)生明顯影響。

由表3可知：與HH方式、VV方式相比，采用HV方式覆蓋時(shí)信號(hào)平均傳輸速率有約50%的提升，這表明采用HV方式時(shí)在相同的漏纜間距下兩路信號(hào)信道的相關(guān)性更低。此外，縱向?qū)Ρ炔煌├|間距下的信號(hào)傳輸速率可知：當(dāng)漏泄電纜間距由1.0 m減少至0.3 m時(shí)，系統(tǒng)的傳輸速率沒(méi)有明顯下降，這說(shuō)明將漏纜間距縮小至0.3 m，對(duì)信道相關(guān)度沒(méi)有明顯的影響。

表3 3種雙漏泄電纜覆蓋方式下的傳輸速率測(cè)試結(jié)果Tab.3 Transmission rate test results under 3 double leaky cable coverage modes

綜上所述，采用HV方式組成雙漏泄電纜且漏纜間距為0.3 m時(shí)，可以在最小漏纜間距下獲得最佳的信息傳輸速率，且相比于漏纜間距1.0 m的信號(hào)傳輸速率并無(wú)明顯下降。因此，可以考慮將該方案作為后續(xù)在運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的漏泄電纜部署方案。

3 結(jié)語(yǔ)

基于定量模擬測(cè)試可知，LTE-M利用自由波和漏泄波導(dǎo)的綜合組網(wǎng)方案基本能夠支撐城市軌道交通綜合業(yè)務(wù)承載的需求。但是，在漏泄波導(dǎo)區(qū)段為了提升切換時(shí)延指標(biāo)，需要針對(duì)漏泄波導(dǎo)的衰落性能對(duì)其切換機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)對(duì)漏泄同軸電纜傳輸特性、耦合特性的研究，以及不同雙漏泄電纜覆蓋方式的測(cè)試和分析，本文提出了一種適用于城市軌道交通隧道環(huán)境的采用HV方式組成的雙漏泄電纜覆蓋方案。

相比于單漏泄同軸電纜方案，由HV方式組成的雙漏泄電纜覆蓋方案因應(yīng)用了LTE車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信技術(shù)，其傳輸速度可提高20%～30%。而與現(xiàn)有的雙漏泄同軸電纜方案相比，采用HV方式的雙漏泄同軸電纜方案在傳輸速率下降幅度不大于10%的條件下,漏纜間距可減少50%～60%。同時(shí)，該方案能夠滿(mǎn)足城市軌道交通相關(guān)業(yè)務(wù)對(duì)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的如下指標(biāo)：

1) 列車(chē)運(yùn)行控制業(yè)務(wù)單項(xiàng)傳輸時(shí)延不超過(guò)150 ms的概率不小于98%，不超過(guò)2 s的概率不小于99.92%，丟包率不大于1%。

2) 列車(chē)緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延不超過(guò)300 ms的概率不小于98%，丟包率不大于1%。

3) 視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延不超過(guò)500 ms的概率不小于98%，丟包率不大于1%。

4) PIS業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延不超過(guò)300 ms的概率不小于98%，丟包率不大于1%。