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关于LTE技术在广州有轨电车信号系统的设计方案分析

作者:2017-01-14 15:37文章来源:未知
  0引言
  信号系统对提高现代有轨电车的运行效率和安全有重要作用,基于无线通信技术的车地通信系统是实现有轨电车控制与运行的重要技术之一,车地通信系统设计的合理性是整个有轨电车安全运营的关键,在提高无线信号抗干扰能力的同时,还可降低有轨电车建设成本。
  无线通信系统(DCS)具有宽带、网络化优势,为有轨电车信号系统提供双向、可靠、安全的车地数据信息传输和交换通道,该技术在轨道交通的应用已较成熟。
  1仑头线概况
  广州海珠环岛新型有轨电车位于海珠区环岛路和新港东路上,线路全长41.08km,7.7km的海珠试验段已于2014年12月开通试运营。仑头段线路规划长10.2km,高架段长0.9km,共设置12座地面车站,平均站间距0.93km。最小站间距605m,最大站间距约1780m。
  仑头线信号系统继续采用无线通信系统,实现信号车地信息的安全、实时、可靠传输。仑头线可研方案拟采用目前在轨道交通应用较成熟的2.4GHz无线通信技术。
  2WLAN技术特点
  无线通信系统作为车载设备和地面设备之间信息传输的通道,应具有较高的可靠性、可用性及安全性,系统实时传输信息过程中能有效地避免黑客和非法信息的侵入。但是无线通信系统在城市轨道交通的应用经验证明,基于WLAN技术的车地无线传输网络存在一些局限性。
  2.1信号易受干扰
  基于WLAN技术的车地无线通信系统工作在2.4GHz不受保护的开放频段,随着宽带互联网技术的普及,WLAN用户数量激增,所有使用2.4GWLAN技术的设备均可能成为车地无线通信系统的干扰源,影响城市轨道交通的安全运营。
  广州有轨电车海珠试验段无线通信系统使用传统的2.4GHz无线WLAN系统,由于易受外界干扰,在运营过程中频繁发生无线通信中断的故障,给有轨电车运营带来较大的影响,同时也增加了运营维护成本。
  2.2信号覆盖距离短
  WLAN无线通信网络100mW的最大发射功率限制常用传输方式的信号覆盖距离,无线接入点(AP)的信号覆盖距离为200m左右。为满足信号覆盖要求,海珠试验段在沿线安装了大量AP及附属设备,增加了建设成本。
  由于AP的信号覆盖距离较短,车载无线单元在轨旁AP间快速移动所需的频繁发射漫游切换过程会引起丢包率增加,降低了系统的稳定性。
  2.3不适合综合承载
  随着无线通信技术的发展,车地无线通信网络不仅可承载信号系统的数据信息,还可承载视频、多媒体等多种业务。但现有WLAN技术无法对信号系统车地、列车视频监控及乘客信息系统的信息进行优先级调度,无法保证高优先级业务的实际使用带宽,既有WLAN技术不适用于综合承载。
  海珠试验段的通信、信号、PIDS等系统分别独立建立了传统WLAN无线网络,一定程度上增加了有轨电车的建设成本。
  2.4影响城市景观
  海珠试验段车站以地面建设为主,由于无线接入点(AP)的覆盖范围小,沿线需要布设数量庞大的AP天线及立杆,这样的安装方案对城市景观造成较大影响,尤其对以旅游观光为主的海珠线路景观影响明显,因此,以地面车站为主的有轨电车线路不适合大量安装无线接入AP天线。
  3LTE技术特点分析
  长期演进(LTE)是基于正交频分多址(OFDMA)技术的先进无线通信技术,作为一种先进的无线通信技术,LTE技术在设计时就考虑了高吞吐率的需求,在20MHz带宽组网的情况下,峰值速率下行可达100Mbit/s,上行可达50Mbit/s。LTE采用了正交频分复用(OFDM)、多输入多输出(MIMO)及混合自动重传请求(HARQ)等先进技术,有效提高了数据速率、频谱效率和抗干扰性。随着LTE技术的发展,LTE技术更适合城市轨道交通多业务宽带无线通信承载,LTE技术相比WLAN网络具有众多的优势。
  3.1抗干扰能力强
  相比WLAN网络,LTE技术有着完善的抗干扰能力。LTE采用OFDM技术,具有完善的编码、重传和干扰抑制合并(IRC)机制,拥有毫秒级的调度机制,采用小区间干扰协调(ICIC)技术进行小区间的干扰协调,可根据干扰情况动态调度资源,减少无线干扰的影响。
  3.2覆盖范围广
  LTE小区的覆盖范围远大于WLAN无线接入点的覆盖范围。一方面,LTE采用先进的信号处理技术,其设备的接收机灵敏度优于WLAN设备的接收机灵敏度;另一方面,LTE使用专用频段,设备可以采用更高的发射频率,覆盖范围理论上能达到1.2km以上。
  大距离的覆盖,可以在系统建设中有效减少基站数量,减少沿线轨旁基站对城市景观的影响,更适用于以地面车站为主的有轨电车线路。
  3.3业务优先级调度
  LTE技术具备先进的业务优先级调度算法,可以根据业务的优先级对不同业务进行调度。LTE技术实现了9个调度优先级,按照预定义的可能承载业务类型,根据对应的优先级进行资源分配和调度。在城市轨道交通车地通信环境下,可以保证信号系统无线通信业务的高可靠性传输,有轨电车信号系统不会因通信、乘客信息系统(PIDS)等系统的接入而受到干扰。
  4仑头线LTE技术方案
  从WLAN及LTE技术特点分析可知,随着无线通信技术的发展,LTE技术具有更高的安全性、可靠性及可用性,LTE应用于城市轨道交通的实践案例逐渐趋于成熟。现从LTE技术出发,以低成本、高可靠性、可用性为基础,研究广州有轨电车仑头线无线通信的设计方案。
  4.1组网方案设计
  从仑头线规划设计的车站里程可知,最大站间距为小洲村站至仑头的1780m,最大隔站的站间距为小洲路至仑头的2460m,其他站平均站间距为827m。在LTE无线覆盖正常的情况下,各站配置1套LTE基站可满足全线信号覆盖要求。
  由LTE的技术特点可知,LTE正常覆盖范围在1.2km以上。在以车站为单位设置LTE基站时,仑头与小洲村、仑头与小洲路站间距分别为1780m和2460m,存在以下2个风险。
  (1)若仑头基站故障,小洲村基站的信号将不能满足仑头区域的覆盖要求,易造成车地通信中断,影响电车的正常运行。
  (2)若小洲村基站故障,虽然小洲路与仑头站的信号覆盖范围在理论上可以满足覆盖要求,但在交汇处的信号强度已处于临界点,考虑线路的外界因素影响,在该区域的无线信号强度也易造成车地通信中断。
  基于以上2项风险,从仑头、小洲村的基站发射天线冗余设置方面解决,在仑头、小洲村发射塔加装信号发送天线,分别接入小洲村、仑头基站,满足这2个基站单点故障时无线信号的覆盖要求。
  4.2方案成本分析
  (1)仑头线路长约10.2km,若以2.4G无线WLAN技术方案布设AP接入点,在红蓝冗余双网分别安装的情况下,正线共需AP电缆约20.4km。根据广州有轨电车海珠试验段的项目经验,无线AP电缆的价格在2050元/100m,若按照LTE技术设计方案,基站发射塔电源直接由车站接入,将节约无线WLAN的AP沿线环网电缆建设成本约41.82万元。
  (2)LTE系统具有扩容性强的特点,在仑头线LTE系统建成投入运营后,系统服务器的大容量可为后续有轨电车新线的建设预留接口,有效降低信号系统建设的成本。
  (3)LTE技术适合于多系统综合承载,且具有业务优先级调度功能,除信号系统的功能需求外,仑头线通信、PIDS等系统均可接入LTE网络而不会对优先级高的信号系统造成干扰,还可避免各专业独立建网的现象,有效降低有轨电车建设成本。
  5结语
  本文简要对无线WLAN技术及LTE技术的优缺点进行分析,LTE技术可用于组建有轨电车信号系统车地无线网络。从技术要求及项目成本控制方面考虑,结合广州有轨电车海珠试验段的建设经验分析,建议广州有轨电车仑头线使用LTE技术实现信号车地通信功能,采用红、蓝网双网冗余设置,提高无线通信系统的抗干扰能力,提高系统的稳定性、可靠性。
 

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