城市轨道交通带上盖物业开发的停车场无线通信覆盖方案及关键技术

李庆刚

(1. 陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院), 710043, 西安;2. 中铁第一勘察设计院集团有限公司, 710043, 西安)

城市轨道交通(以下简称“城轨”)专用无线通信系统对行车安全与高效运营起着非常重要的作用。带上盖物业开发的停车场设计非常复杂[1],需增加较多的柱网,直接影响了无线通信覆盖。因此,带上盖物业开发停车场的无线通信覆盖设计需详细分析,以满足无线信号覆盖的需求。

为了保证无线通信覆盖的范围和质量,以往停车场均采用在综合楼楼顶架设全向天线进行停车场地面区域的无线覆盖[2]。由于上盖物业开发后,综合楼楼顶架设全向天线将无法覆盖停车场地面区域。为了有效解决带上盖物业开发的停车场无线通信覆盖,以西安地铁6号线(以下简称“6号线”)带上盖物业开发的纺织城停车场为例,对该停车场无线通信覆盖方案及关键技术进行研究。

1 无线通信覆盖工程建设的难点

6号线终点站纺织城站为6号线与西安地铁1号线(以下简称“1号线”)、西安地铁9号线(以下简称“9号线”)三线的换乘车站,站内采用三线平行同台换乘。同时6号线纺织城停车场设置在纺织城站东端头外侧,与1号线纺织城站向东延伸已设置的灞河停车场并排建设。纺织城停车场站段关系示意图如图1所示。上述3条线专用无线通信均采用800 MHz频段TETRA(泛欧集群无线电)通信系统和小区制结构。6号线以西安市无线电管理委员会已正式批复的806～821 MHz(移动台发,基站收)以及851～866 MHz(基站发,移动台收)的8对频点资源为基础,双工间隔取45 MHz,频道间隔取25 kHz。纺织城停车场TETRA通信系统建设将面临如下几个方面的难点[3]。

图1 纺织城停车场站段关系示意图

1) 纺织城停车场与其邻近的1号线、6号线、9号线三线换乘车站纺织城站的干扰保护与网络优化。1号线和9号线TETRA通信系统均占用806～866 MHz频段中已批复的8对频点,组成FA、FB、FC、FD等4个频组,每个频组采用2对载频(收发分离),沿线车站分别采用3个频组轮流交叉复用的频率复用方式(FA-FB-FC-FA-FB-FC)。纺织城站1号线区域采用FB频组,9号线区域采用FD频组。

2) 纺织城停车场与9号线香王车辆段的干扰保护与网络优化。香王车辆段内TETRA通信系统采用综合楼顶架设全向天线对车辆段地面区域进行无线通信覆盖,且采用FA频组。

3) 纺织城停车场与灞河停车场的干扰保护与网络优化。纺织城停车场与灞河停车场并排布设,灞河停车场内TETRA通信系统采用楼顶架设全向天线对停车场地面区域进行无线通信覆盖,且采用FC频组。

4) 纺织城停车场上盖物业开发后的无线通信覆盖方式与网络优化。纺织城停车场由于上盖物业开发,不能采用在综合楼楼顶架设全向天线进行停车场地面区域无线通信覆盖的传统方案,需根据上盖物业开发后的具体情况采用有效的无线通信覆盖方案。

2 无线通信覆盖方案分析

2.1 频率规划分配方案分析

1号线和6号线专用无线通信系统采用的是Motorola的TETRA通信系统,9号线采用的海能达通信股份有限公司的TETRA通信系统。目前1号线和9号线均已开通运营,在纺织城站的1号线和9号线区域,半坡站和香王站(两站为纺织城站相邻车站),以及灞河停车场和香王车辆段分别使用了FA、FB、FC和FD等4个频组。为了避免纺织城站内部的频率干扰,该站内还需设置1个新频组FE用于纺织城站6号线区域,临站纺二路站采用FC频组,这样就有效解决了纺织城站的同频干扰问题[4]。为了避免与1号线同频干扰,纺织城停车场不能采用FC频组。为了避免与6号线、9号线同频干扰,不能采用FD和FE频组,因此可选择的只能有FA或FB频组,且各频组之间的最小间隔均不小于50 kHz,这可以满足系统频率最小保护间隔要求。

2.1.1 采用FA频组

若纺织城停车场采用FA频组,其唯一可能产生同频干扰的是9号线香王车辆段使用的FA频组。由于香王车辆段采用的是综合楼楼顶架设全向天线的方式进行车辆段内无线通信覆盖,因此,需通过计算来确定该车辆段的FA频组对纺织城停车场的无线通信覆盖是否会有同频干扰。

香王车辆段位于西安白鹿原与洪庆山之间的谷地,距离纺织城停车场约2.5 km。根据香王车辆段的地形情况及各种条件,适合采用Hata-Okumura无线传播模型来进行计算。以市区内传播损耗作为基本数据,其他地区以市区为基准进行相应的修正。香王车辆段无线通信覆盖空间路径损耗公式为:

Lm=69.55+26.16lgfc-13.82lghb+
(44.9-6.55lghb)lgd-a(hr)

(1)

式中:

Lm——城市市区收发天线之间的基本传输损耗中值,单位dB;

fc——无线频率,单位MHz;

hb——基站发射天线的有效高度,单位m,hb=ht-hr;

ht——基站发射天线高度,单位m,有效高度取30～300 m;

hr——移动台接收天线高度,单位m,有效高度取1～10 m;

d——收发天线距离,即基站覆盖半径,单位km,一般小于2 km;

a(hr)——移动台天线高度修正因子,单位dB。

针对大型城市,频率在300 MHz以上时,a(hr)为:

a(hr)=3.2[lg (11.75hr)]2-4.97

(2)

根据香王车辆段的具体情况,空间路径损耗参数取值如表1所示。

表1 香王车辆段空间路径损耗参数取值

根据式(1)—式(2)以及各种参数的取值计算得到:对于大型城市,a(hr)=0.651 dB;对于距离香王车辆段2.5 km处,Lm=134.74 dB。

按照相关要求,下行链路的每载频信号电平值,以及便携台在覆盖区内的最低接收电平值均应≥-85 dBm。便携台边缘电平值为:

Pe=Pf+Gi-Lm-Lj+M

(3)

式中:

Pe——便携台边缘电平;

Pf——基站输出电平;

Gi——基站天线增益;

Lj——馈线以及接头损耗;

M——终端天线增益。

根据香王车辆段无线通信系统设备的情况,便携台边缘电平参数取值如表2所示。

表2 香王车辆段便携台边缘电平参数取值

根据式(3)以及各种参数的取值,可以得到Pb=-88.74 dB<-85.00 dB。

根据上述计算可以得出:在距香王车辆段架设全向天线2.5 km外的纺织城停车场的信号电平值,已低于便携台在覆盖区内的最低接收电平值-85 dB,同时由于6号线、9号线无线通信系统设备不是同一厂家,因此,香王车辆段的FA频组不会对纺织城停车场造成同频干扰,满足纺织城停车场的无线通信要求。

2.1.2 采用FB频组

若纺织城停车场采用FB频组,其唯一可能产生同频干扰的是纺织城站1号线区域和9号线香王站使用的FB频组。由于香王站为地下车站,距离纺织城停车场约1.5 km,因此不会对纺织城停车场使用的FB频组造成干扰。

纺织城站为地下车站,车站范围内1号线和6号线轨行区无开放区域,1号线使用的FB频组不会对纺织城停车场造成影响。但停车场处于出入段线区域,列车由区间隧道驶入停车场或列车由停车场驶入区间隧道,列车就会在区间隧道无线覆盖区和停车场无线覆盖区之间进行越区切换。为了保证切换成功率,一般的做法是在隧道侧壁吊挂漏缆的末端,通过连接跳线增加定向天线,将区间隧道内的无线信号扩展至隧道外,与停车场无线覆盖区形成长度为200 m左右的无线覆盖重叠区,从而达到成功切换的目的[5]。因此,灞河停车场U型槽处的室外板状天线是否会对纺织城停车场造成干扰,需要进一步计算。

1号线U型槽处设置的室外板状天线距6号线纺织城停车场的最近距离为100 m。考虑到停车场内部的空间特性,可以选用无线信号室内路径损耗附加因子的传播模型。该模型公式为:

Lk=32.4+20lgfo+20lgd+αd+FAF

(4)

式中:

fo——频率,单位MHz;

α——信道衰减常数,单位dB/m,取值范围为0.48～0.62,因天线覆盖范围很小,因此此项可忽略不计;

FAF——不同层路径损耗附加值,一般为0,单位dB。

TETRA通信系统采用850 MHz频率,计算得到1号线U型槽处设置的室外板状天线在6号线纺织城停车场边缘区域的Lk=71 dB。

便携台边缘电平值的计算公式如下:

Pe=PV-L+M

(5)

式中:

PV——天线输入电平;

L——总损耗。

PV的计算公式如下:

Pv=Pf-Lo-Lg-Lu-Ls-Ll

(6)

式中:

Lo——耦合器损耗;

Lg——功分器损耗;

Lu——跳线损耗;

Ls——射频缆损耗;

Ll——漏缆损耗。

总损耗的计算公式为:

L=Lk+Lz

(7)

式中:

Lz——综合损耗。

根据1号线纺织城站的站型,7/8 in(2.222 5 cm)射频电缆长度按100 m计算,区间漏缆长度按700 m计算,多根跳线合计损耗按2.5 dB计算。考虑到停车场建筑物、上盖立柱等阻挡损耗,综合损耗取10 dB,板状天线增益取9 dBi。板状天线便携台边缘电平参数取值如表3所示。

表3 纺织城站板状天线便携台边缘电平参数取值

根据式(5)—式(7)以及各种参数的取值,1号线U型槽处设置的室外板状天线输入功率Pv=7 dB,6号线纺织城停车场边缘区域自由空间L=81 dB,6号线纺织城停车场Pe=-65 dB>-85 dB。

根据上述计算可以得出,1号线U型槽处的板状天线无线信号会被6号线手持台接收,会产生同频干扰。

经过上述两个方案的分析计算比较,6号线纺织城停车场应采用FA频组,可有效避免同频干扰。

2.2 停车场无线通信覆盖方案分析

纺织城停车场无线信号频率确定为FA频组后,根据上盖物业开发的情况对停车场内无线通信覆盖进行分析。

整个停车场其中盖板下主要有运用库、洗车库、咽喉区、出入段线等,未上盖开发的单体有综合楼、料库料棚、门卫及周边道路等。上盖物业开发平台高度为10 m,综合楼为地上5层建筑物,主楼高度为21.45 m,因此,不能采用在综合楼楼顶架设全向天线进行停车场地面区域的无线通信覆盖[6]。运用库和上盖物业根据功能布局和柱网设置情况,均呈现为线状空间,因此采用定向天线优于采用全线天线。

在停车场盖下有限空间区域,无线信号覆盖受影响的因素较多,环境复杂,上盖、墙体、立柱、地面、车体、检修平台和工作人员地等都会引起无线信号的散射、反射、折射和吸收,无线电波传播模型类型较多,根据停车场盖下情况,可以采用室内小尺度路径损耗传播模型计算,计算公式如下:

(8)

式中:

PL,d——路径的总损耗值,单位dB;

PL,d0——距天线1 m处的自由空间衰减值,单位dB;

d0——近地天线距离,单位m;

n——环境和建筑物传播损耗指数,其取值范围为1.6～3.3,本文取2.8。

TETRA通信系统采用850 MHz频率,距离地面1 m天线处的自由空间损耗PL,d0=31 dB。

停车场盖下区域Pe的计算公式如下:

Pe=PV-PL,d-Lw+M

(9)

式中:

Lw——电平值衰减储备。

停车场盖下区域天线均通过直放站传输后,末端天线电平值基本都在10 dB以上,天线增益为9 dB,衰减储备为10 dB。根据式(8)和式(9),采用850 MHz频率时,分别计算距离天线50～300 m的电平值,见表4。

表4 距离天线50～300 m的电平值

从表4可以看出,盖下区域专用无线通信系统采用定向天线进行无线信号覆盖150 m是能够满足便携台在覆盖区内最低接收电平值应≥-85 dBm的要求,天线极限覆盖距离可以到达180 m。

2.2.1 专用无线与公安无线通信覆盖方案分析

城市轨道交通公安无线通信是为了提高公安部门对轨道交通范围内更好的治安管理,保证城市轨道交通内部与公安局各部门之间的通信联络,传统的停车场只需要进行专用无线通信的覆盖,公安无线通信是通过市政公安350 MHz频率无线通信进行覆盖[7],但由于纺织城停车场带上盖物业开发,且盖下区域较大,根据相关规范要求需要考虑公安无线的引入,根据上述公式,分别计算距离天线50～400 m的电平值,通过计算,盖下区域公安无线通信系统采用定向天线进行无线信号覆盖300 m是能够满足便携台在覆盖区内最低接收电平应≥-85 dBm的要求,天线极限覆盖距离可以到达330 m。由此可见,公安无线通信系统完全可以利用专用无线通信系统的天馈进行无线覆盖。

2.2.2 运用库内无线通信覆盖方案分析

纺织城停车场运用库采用尽端式布置,顺接于出入段线,运用库面积3.37万m2,长274.2 m,宽83.5 m,运用库库顶平台高度为10 m。由于运用库上盖物业开发为多层住宅,柱网较密,每排柱网间根据距离设置1～3列位,因此无线覆盖采用运用库每排柱网两端设置定向天线对射方式进行,中间会有40 m左右的覆盖重叠区域,可以满足库内无线通信覆盖及切换需求。

2.2.3 出入段线U型槽处无线通信覆盖方案分析

停车场出入段线U型槽侧壁敷设有纺织城方向的漏缆,直至出地面部分,为了使列车能够在U型槽部分成功完成区间和停车场的无线覆盖小区切换,在U型槽终点上方区域,利用上盖设置定向天线进行U型槽无线信号覆盖,与U型槽内漏缆形成无线覆盖重叠区,同时在此处其他柱网间设置定向天线,完成牵出线和其他就近区域的无线通信覆盖。

2.2.4 道岔区无线通信覆盖方案分析

洗车库布设在咽喉区附近,洗车库长65.6 m,宽9.0 m,全部处于盖下。出入段线U型槽终点距离运用库左端头330 m,同时考虑咽喉区的布局和柱网的不规则布置,无线覆盖会受到遮挡,因此不仅在U型槽上方和运用库左端架设定向天线,而且在咽喉区线缆转折处增设背对背定向天线进行补强。

2.2.5 停车场内非盖下区域道路无线通信覆盖方案分析

停车场内非盖下区域主要为周边的道路,根据各单体建筑的分布,利用建筑物的侧墙或者立柱设置板状定向天线进行道路的无线覆盖,不仅可以满足道路线性的覆盖区域,同时可以减少对周边环境的电磁干扰。

3 无线通信覆盖工程建设方案的实施

在充分了解纺织城停车场、附近车站及停车场周边既有无线通信覆盖情况,再通过以上的计算分析,可以得到纺织城停车场无线覆盖方案,采用FA频组进行无线通信覆盖,由于停车场上盖物业开发,因此,不能采用在综合楼楼顶架设全向天线进行停车场地面区域的无线覆盖,而是在运用库内部以及上盖物业下方采用了定向天线进行无线信号覆盖,在停车场周边道路,尤其是与既有灞河停车场相邻的道路,利用建筑物侧墙或者立柱方式安装定向天线,调整天线安装的方向和角度,实现对停车场地面区域无线全覆盖,满足停车场无线通信覆盖的需求,同时减少对周边环境的无线电磁干扰[8]。纺织城停车场无线通信覆盖示意图如图2所示。

图2 纺织城停车场无线通信覆盖示意图

4 结语

随着西安及各大城市轨道交通建设规模的不断扩大,城市轨道交通线网已逐渐形成,为了更好地利用场段土地,停车场带上盖物业开发必将是趋势,鉴于盖下区域的复杂性,无线覆盖将面临复杂的频率规划、分配、覆盖、干扰防护等一系列问题。

纺织城停车场处于西安城市轨道交通首个三线换乘车站纺织城站的端头,与1号线既有灞河停车场并排设置,与9号线香王车辆段相距2.5 km,并且带上盖物业开发,工程特殊性几乎涵盖了所有停车场的无线覆盖及网络优化的场景,经充分调查分析研究,通过各种模型的理论计算、仿真、分析、实测及网优选择更优的无线覆盖方案,通过专用无线与公安无线信号合路共用天馈系统进行停车场无线通信覆盖,运用库采用柱间设置定向天线对射方式,咽喉区顺轨道方向在柱间设置定向天线并在咽喉部位进行天线覆盖补强,U型槽过渡段利用上盖设置定向天线进行覆盖,与U型槽侧壁漏缆形成覆盖重叠区,有效的解决越区切换,盖外道路利用建筑物侧墙或立柱架设定向天线进行覆盖。经过上述一系列的覆盖方案优化及措施,有效解决了带上盖物业开发停车场的无线通信覆盖,不仅能够降低频率干扰,减少对既有运营影响,节约投资,而且能够保证无线通信系统的高质量覆盖,为停车场及列车的正常运营提供有力的保障,本文谈到的工程设计思路,希望可为后续带上盖开发的停车场无线通信覆盖设计工作提供一些帮助。