CN103476128A - 在采用cbtc系统的轨道交通车厢内架设移动通信路由的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种在采用CBTC系统的轨道交通车厢内架设移动通信路由的方法,在轨道交通的车厢内规则部署移动通信路由WCR。对各AP或MR,计算给定范围内WCR对AP或MR的集总干扰,确定当WCR与AP或MR工作在同一个信道时,不干扰AP或MR正常工作时WCR的最大发射功率P1;确定一节车厢内WCR正常服务移动通信用户所要求的最小发射功率P2;当P1≥P2,WCR持续广播AP或MR的工作信道被长期占用,否则,调整WCR与AP或MR在异频工作。本方法既能保证WCR在车厢内部正常使用,为用户提供数据服务,同时还避免了WCR对CBTC的AP与MR干扰等安全隐患,具有较强的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通及移动通信技术领域,尤其涉及一种在采用CBTC(CommunicationBased Train Control,基于无线通信的列车自动控制)系统的轨道交通车厢内架设移动通信路由的方法。
背景技术
在城市轨道交通的地面、站台和隧道等部分,不少运营线路已经局部或全程实现了2G/3G网络覆盖。但是,车站和车厢作为人口稠密的热点区域,其带宽需求较强,数据流量较大。引入WLAN覆盖可以有效分担网络负荷和网络的容量压力,为用户提供更高速率的宽带接入服务。
城市轨道交通大都采用基于通信的列车控制(CBTC)系统,其中的数据通信子系统(DCS)实现车-地双向通信功能,为列车运行控制提供基本的数据和指令,是CBTC的关键技术之一。基于802.11标准的WLAN作为一个开放的标准,由于其在安装、维护、扩展、兼容性等方面的优势,已经被卡斯柯、西门子和阿尔卡特等国内外CBTC系统研发商作为车-地通信技术。因此,在城市轨道交通的运营线路上实现WLAN网络覆盖,既需要保证WLAN不对CBTC的DCS子系统造成干扰,还需要兼顾WLAN本身的可实现性和可用性。
针对我国国情,需要在对现有CBTC系统与WCR(移动通信路由)产品不做实质性调整的前提下,既能够保证WCR在车厢内部的正常使用,为用户提供数据服务,同时还要避免WCR对CBTC的轨旁无线接入点(AP)和车载移动接收点(MR)干扰等安全隐患,相关技术解决方案亟待出台。
发明内容
为达到上述目的,本发明提供了一种在采用CBTC系统的轨道交通车厢内架设移动通信路由的方法。
本发明在采用CBTC系统的轨道交通车厢内架设移动通信路由的方法,包括以下步骤:
步骤S1,在轨道交通的车厢内规则部署移动通信路由,获取WCR、CBTC轨旁无线接入点(AP)与列车接收点(MR)的系统参数;所部署的WCR的位置均在列车车厢内侧顶部中线上,沿列车运行方向线性排列,每节车厢至少部属一个WCR设备;
步骤S2,对各AP或MR,计算设定范围内的WCR到该AP或MR的距离,计算WCR对该AP或MR的集总干扰;
步骤S3,确定当WCR与AP或MR工作在同一个信道时,为不干扰AP或MR正常工作,WCR的最大发射功率P1;
步骤S4,在一节车厢内,计算WCR正常服务移动通信用户所要求的最小发射功率P2;
步骤S5,判断P1≥P2是否成立,若是,执行步骤S6;反之,执行步骤S7;
步骤S6,在AP或MR的工作信道,对WCR做以下设置:持续广播该信道被长期占用,且广播信号的功率为介于P1与P2之间的一个固定值,将其它信道作为WCR的工作信道;
步骤S7,调整WCR的工作信道,使WCR不使用AP与MR的正常工作信道。
其中,所述的CBTC系统与WCR系统工作在WLAN频段范围,其中,CBTC系统用IEEE802.11系列通信标准,所架设的WCR系统使用IEEE802.11g/n或更高制式的IEEE802.11系列通信标准。
其中,所述步骤S1中,设定两车厢间物理距离为零,所部署的WCR,或是以每节车厢为单位均匀分布,此时每节车厢内WCR等间距(如WCR数量大于2个),相邻两车厢距离最近的两个WCR的间距与车厢内WCR间距无关,整辆列车的WCR部署方式统一;或是以整辆列车为单位均匀分布,此时全车所有WCR等间距分布。
其中,所述步骤S1中,获取的系统参数包括CBTC轨旁AP与列车MR的工作频点、发射功率、天线增益与方向图、检测门限和保护要求,以及WCR设备的工作频点、发射功率、天线增益与方向图、检测门限和WCR用户接收要求λuser。
其中,所述步骤S2中,对于列车各MR,计算主瓣朝向内的WCR设备的集总干扰,具体是:设有N个WCR,先确定各WCR到MR的距离,并依据自由空间传播路径损耗模型计算信号的传播路径损耗,然后确定各WCR到MR的干扰强度并求和,得到主瓣朝向内的WCR设备对MR的集总干扰。对于轨旁各AP,要估算AP受到WCR设备集总干扰的最坏情况,具体是:设有2N个WCR,求解传播路径损耗的最小值,然后确定各WCR到AP的干扰强度,对干扰强度求和得到各WCR设备对AP的集中干扰的最大值。
其中,所述步骤S4中,首先对车厢内移动通信用户特征进行建模,如高度等,并获取WCR用户接收要求λuser等参数,然后计算WCR到车厢内最远用户的距离,根据计算的距离确定最远用户到WCR的传播路径损耗,并依据λuser,通过链路预算得到WCR的最小发射功率P2。
其中,所述步骤S6中,在CBTC系统与WCR系统使用IEEE802.11g及更高制式的802.11系列通信标准的前提下,对WCR系统启用该标准中的“CTS-to-self”保护机制,具体是:在CBTC系统AP与MR的工作信道上,WCR持续发出CTS控制讯框,在CTS讯框中夹带对该信道占用时长的信息,通过周期性设置足够长的占用时间,使得车厢内全体WCR用户长期回避该信道。CTS讯框既以802.11g/n或更高制式的OFDM等调制方式进行广播,也通过CCK调制后进行广播,以告知可能存在的802.11b类用户设备。
本发明方法立足我国国情,在现有CBTC系统大量投入使用、WCR设备密集使用的情况下,在对现有CBTC系统与WCR产品不做实质性调整的前提下,既能够保证WCR在车厢内部的正常使用,为用户提供数据服务,同时还避免了WCR对CBTC的AP与MR干扰等安全隐患,具有较强的实用性。
附图说明
图1为本发明的架设移动通信路由的方法的整体流程示意图;
图2为CBTC系统模型示意图;
图3为CBTC系统轨旁AP的示意图;
图4为WCR设备集总干扰CBTC列车MR的计算示意图;
图5为WCR设备集总干扰CBTC轨旁AP的计算示意图;(a)为AP距离各WCR的平面示意图,(b)为AP距离各WCR的立体示意图;
图6为两部WCR设备集总干扰CBTC轨旁AP示意图;
图7为WCR邻频抑制能力示意图;(a)为WCR设备的IEEE标准发射模板示意图,(b)为WCR设备的实测频谱图;
图8为WCR用户接收示意图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下具体实施用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
如图1所示,为本发明提供的采用CBTC系统的轨道交通车厢内架设移动通信路由的方法的整体流程,下面对本发明方法的实现进行具体说明。
如图2所示,为CBTC系统建模得到的示意图。
图2是一段典型轨道交通的隧道线路,其中AB表示隧道直径,CD表示列车长度,DE表示列车高度,EF表示列车宽度。
轨旁无线接入点AP安装在隧道壁上,距隧道底部高度由GH表示,位于同侧隧道壁上相邻的两个AP的间距通常为250-350m,使用定向天线(八木天线)。
车载接收点MR天线安装在列车首尾车厢的顶部,其高度接近列车高度,同样使用定向天线(板状天线),采用红绿两个频点进行备份,两幅天线水平间隔略小于列车宽度。
以上定向天线的主瓣指向均沿轨道方向,从而保证车-地间通信链路有最大增益。
CBTC系统中的AP和MR的干扰保护要求统一为λCBTC,以二者中保护要求较为严格的为准。
步骤S1,在轨道交通的车厢内规则部署若干WCR,获取WCR、CBTC的AP与MR的系统参数。
如图3所示,所部署WCR的位置均在列车车厢内侧顶部中线上,沿列车运行方向线性排列。所有WCR均使用全向天线。
每节车厢至少部属一个WCR设备,但部署总数由需求决定。在研究WCR具体分布时,为便于计算,认为两车厢间物理距离为零。在实际情况中,通常轨道交通列车的两节乘客车厢是直接相通的。WCR分布大体包括两种方式:
●以每节车厢为单位,将WCR均匀布置在车厢内。
当每节车厢内WCR数量大于2个时,每节车厢内WCR等间距布置,相邻两车厢距离最近的两个WCR的间距与车厢内WCR间距无关,整辆列车的WCR部署方式统一。
●以整辆列车为单位,将WCR均匀布置在列车车厢内。
此时全车所有WCR等间距分布,每相邻两个WCR之间的距离相等,如图3所示。
获取的系统参数,包括:CBTC轨旁AP与列车MR的工作频点、发射功率、天线增益与方向图、检测门限和保护要求等,以及WCR设备的工作频点、发射功率、天线增益与方向图、检测门限和WCR用户接收要求等。
本发明实施例中,设WCR用户正常工作的最小允许功率为λuser。
步骤S2,在一定范围内(若干节车厢),计算距离一个AP或MR较近的一批WCR到该AP或MR的距离,估算WCR到AP或MR的集总干扰。
分别针对CBTC列车MR与轨旁AP,计算相邻一批WCR对其的集总干扰,此处需要选择恰当的路径损耗模型,以及考虑列车车身的损耗。对于列车MR,考虑其天线方向性以及与WCR的相对静止性,有针对性地主要计算其主瓣朝向内的一批WCR设备的集总干扰;对于轨旁AP,考虑到移动性,要估算其受到集总干扰的最坏情况,需要根据集总干扰随列车移动过程中的波动情况,估算出其集总干扰的上界。
一般采用自由空间传播路径损耗模型计算信号的传播路径损耗PL,如下式所示:
PL(dB)=20log10(D)+20log10(f)+92.45 (1)
其中,D表示传播距离,单位为km,f表示频率,单位是GHz,PL的单位为dB。
一个WCR设备到CBTC的某个AP或MR的干扰强度I为:
I=PTX+GTX–PL–PE+GRX–FDR (2)
其中:
I:CBTC系统中的AP或MR受到的干扰,单位为dBm;
PTX:WCR的传输功率,单位为dBm;
GTX:WCR的天线增益,单位为dBi;
PL:WCR与CBTC的AP或MR间的路径损耗,单位为dB,根据式(1)的自由空间传播路径损耗模型计算得出;
PE:车身损耗(单位为dB),取10dB;
GRX:WCR方向上的CBTC的AP或MR的天线增益,单位为dBi;
FDR:频率相关抑制度,视频率隔离等其它因素决定,单位为dB。
由于集总干扰主要由WCR数量决定,以上WCR的两种分布方式的差异对集总干扰量级不会产生较大影响,因此下面主要基于第二种WCR分布方式进行干扰分析。
根据上述场景,以下将进行两部分计算分析:(1)WCR集总干扰CBTC列车MR;(2)WCR集总干扰CBTC轨旁AP。
(1)WCR集总干扰CBTC列车MR。
列车MR位于车头与车尾,受到来自车厢内WCR集总干扰的分析计算较为直观,如图4所示。由于列车MR方向天线的朝向均沿着列车运行线路朝外,WCR干扰均来自天线背瓣。不失一般性,选择列车车头单侧的MR设备作为被干扰对象。为便于分析,假设共计算距离列车MR距离最近的N个WCR的干扰,WCR的间距为d。
由于列车MR与WCR的发射高度非常接近,所以设二者相等。将距离计算转化为二维平面内。易知各WCR到该列车MR的距离为:
如图4所示,WCR位于列车车厢内侧顶部中线(简称列车中线)上,MR到列车中线的距离为d0。
将各di(i=1,2…,N)分别代入式(1)的传播路径损耗PL计算公式中的D,可得各WCR到AP的传播路径损耗,此处由于WCR均位于MR背向,MR天线增益均按照天线增益图中的最小值计算。得到传播路径损耗后,进一步根据式(2)能得到各WCR设备到该MR的干扰强度,最后将干扰强度求和得到该MR的WCR集中干扰。
(2)WCR集总干扰CBTC轨旁AP。
在列车移动时,轨旁AP受到WCR的集总干扰处于波动状态。从共存角度来讲,需要考虑集总干扰的最大值,以分析最恶劣情况下轨旁AP工作的可能性。
如图5所示,不失一般性,任选一台轨旁AP设备作为被干扰对象。由于列车长度的随机性,拟用WCR数量与间距作为集总干扰分析的参数。为便于数学分析,假设共计算2N个WCR的干扰(轨旁AP两边各N个),WCR间距为d。
下面通过距离计算路径损耗。
由于轨旁AP与WCR的发射高度非常接近,假设二者相等。将距离计算转化为二维平面内。易知各WCR到轨旁AP的距离为:
其中,x表示AP距离最近WCR的水平向距离,0≤x≤d。如图5的(a)和(b)所示,设WCR位于列车中线上,以AP所在位置作为坐标原点,AP距离列车中线的距离为d0,则位于AP左侧的各WCR,由近到远距离该AP的距离分别表示为d-1、d-2、……、d-N,位于AP右侧的各WCR,由近到远距离该AP的距离分别表示为d1、d2、……、dN。
将各di(i=-N,…,-2,-1,1,2…,N)代入式(1)的传播路径损耗PL计算公式中的D,求2N个WCR集总干扰轨旁AP的最大值,也即求传播路径损耗的最小值。依据自由空间传播模型中距离参数的计算,可以得出如下等价关系:
下面以N=1为例,共考虑两个WCR干扰,对最小值的存在性与计算方法进行说明。
如图6所示,两部WCR到达轨旁AP1的距离分别为:
为了方便计算,设函数f(x)=d-1d1,因此有:
一方面,令:
f′(x)=0,
得到极值点为:
另一方面,由图6可知,由两个WCR和AP1形成的三角形的面积S为:
由于面积S为定值,可以得出:
θ为两个WCR与AP1的连线形成的夹角。
在实际情况中,轨旁AP到列车中线的距离d0,远小于列车WCR部署间距d,即d0<<d。因此θ角为钝角,有:
也即夹角越小越好。结合以上分析,可以得出最小传播路径损耗值在
时取得。
在计算得到最小传播路径损耗之后,可以通过对每一个WCR的干扰功率进行计算再求和求得干扰功率之和。需要注意的是,仅有一半WCR处于轨旁AP天线主瓣的一侧(但相比列车MR仍然偏离主瓣较远),另一半WCR均处于AP的背瓣。
对于2N个WCR,可利用计算机程序来获取传播路径损耗的最小值所对应的x值,再根据x值确定各WCR到AP的距离,然后根据式(1)确定传播路径损耗,进一步根据式(2)确定各WCR到AP的干扰强度,对干扰强度求和得到各WCR设备对AP的集中干扰的最大值。
步骤S3,确定当WCR与AP或MR工作在同一个信道时,为不干扰AP或MR正常工作,WCR允许的最大发射功率P1。
对于MR,通过WCR集总干扰与CBTC系统的MR的干扰保护要求λCBTC,通过链路预算可以求得WCR最大发送功率p1。
对于AP,通过WCR集总干扰与轨旁AP的保护要求λCBTC,通过链路预算可以求得WCR最大发送功率p2。
因此获得WCR的最大发生功率P1=max{p1,p2}。
当WCR工作在CBTC的邻频,对其干扰性能将受到WCR邻频抑制能力的影响。图7的(a)和(b)分别给出了WCR设备的IEEE标准发射模板以及实测频谱图。由图可见,WCR在工作带宽之外存在至少20dB的抑制能力。图7的(b)中,半圆弧的线是频谱仪自带的占用带宽测量指示,下方三个数字的左右两个数分别是占用带宽测量的两端,中间是中心频率。
由干扰强度的计算可知,在计算基础上需要增加20dB的频率相关抑制度FDR。若WCR在满足P1发送功率约束的前提下能够实现与CBTC的共存,那么增加该FDR后更能够实现共存。
步骤S4,在一节车厢内,计算WCR正常服务移动通信用户所要求的最小发射功率P2。
本步骤需要进行WCR用户接收分析。以车厢底面为基准水平面,设用户天线高度为h(h>0),WCR的高度为H,即WCR所在列车中线距离车厢底面的垂直距离为H。为确保距离WCR设备最远用户的信号接收功率在可接收范围内(λuser),需要对WCR发射功率进行约束。如图8所示,最远距离发生在用户处于车厢边缘的情况,此时距离车厢边缘最近的WCR到车厢边缘的距离为d',设位于车厢边缘的用户距离列车中线的水平距离为d0。此时位于车厢边缘的用户到最近WCR的距离du为:
依据该距离du可计算用户到WCR的最大传播路径损耗,并依据λuser,通过链路预算得出WCR的最小发射功率P2。
步骤S5,判断P1≥P2是否成立,若是,执行步骤S6;若否,执行步骤S7。
由于CBTC系统与WCR设备均采用802.11系列协议,二者在干扰检测与有用信号接收上的要求基本一致。
为确保CBTC系统正常工作,对WCR设备的功率上界进行了限制,此时:
1.WCR并不在AP与MR主瓣内发射;
2.WCR距离AP与MR相对较远;
3.WCR与AP及MR间经过了车体损耗,车体损耗约为10dB。
另一方面,为确保车厢内用户正常工作,对WCR功率下界进行了限制,此时:
1.WCR距离用户相对较近;
2.WCR与用户之间无车体损耗。
在此基础上,若P1≥P2,则执行步骤S6,否则,执行步骤S7。
步骤S6,WCR在AP与MR的工作信道持续广播该信道被长期占用。该广播信号无法被CBTC的AP与MR接收,但可以被车厢内用户正常接收。车厢内相关WLAN终端设备将不再选择AP与MR的工作信道进行发射。因此,从软件角度实现了二者的共存。
在CBTC系统与WCR设备使用IEEE802.11g/n及更先进的802.11系列通信标准的前提下,对WCR系统启用该标准中的“CTS-to-self”保护机制,也即,在CBTC系统AP的工作信道上,WCR持续发出CTS(Clear to send)控制讯框,在CTS讯框中夹带对该信道占用时长的信息,通过周期性设置足够长的占用时间,使得车厢内全体WCR用户长期回避该信道。该CTS讯框既以802.11g/n或更高制式的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用技术)等调制方式进行广播,也通过CCK(Complementary Code Keying,补码键控)调制后进行广播,以告知可能存在的802.11b类用户设备。
步骤S7,若P1<P2,则WCR难以实现与AP和MR的同频共存,此时可对二者进行适当的频率规划,使得其在异频工作。WCR以带外和杂散的方式对AP和MR进行干扰,干扰程度大幅降低。
由以上实施方式可以看出,本发明立足我国国情,在现有CBTC系统大量投入使用、WCR设备密集使用的情况下,在对现有CBTC系统与WCR产品不做实质性调整的前提下,既能够保证WCR在车厢内部的正常使用,为用户提供数据服务,同时还避免了WCR对CBTC的AP(MR)干扰等安全隐患,具有较强的实用性。
以上所述仅是本发明的实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种在采用基于无线通信的列车自动控制(CBTC)系统的轨道交通车厢内架设移动通信路由(WCR)的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤S1:在轨道交通的车厢内部署WCR,获取WCR、CBTC轨旁无线接入点(AP)与车载移动接收点(MR)的系统参数;所部署的WCR的位置均在列车车厢内侧顶部中线上,沿列车运行方向线性排列,每节车厢至少部属一个WCR设备;
步骤S2:对各AP或MR,计算给定范围内各WCR到该AP或MR的距离,计算范围内的WCR对该AP或MR的集总干扰;
步骤S3:确定当WCR与AP或MR工作在同一个信道时,为不干扰AP或MR正常工作,WCR允许的最大发射功率P1;
步骤S4:在一节车厢内,计算WCR正常服务移动通信用户所要求的最小发射功率P2;
步骤S5:判断P1≥P2是否成立,若是,执行步骤S6;反之,执行步骤S7;
步骤S6:在AP或MR的工作信道,对WCR做以下设置:持续广播该信道被长期占用,且广播信号的功率为介于P1与P2之间的一个固定值;
步骤S7:调整WCR的工作信道,使WCR不使用AP与MR的正常工作信道。
2.如权利要求1所述的架设移动通信路由的方法,其特征在于,所述的CBTC系统与WCR工作在WLAN频段范围,其中,CBTC系统用IEEE802.11系列通信标准,所架设的WCR使用IEEE802.11b/g/n或更高制式的802.11系列通信标准。
3.如权利要求1所述的架设移动通信路由的方法,其特征在于,所述的步骤S1中,获取的系统参数包括:CBTC系统中轨旁AP与车载MR的工作频点、发射功率、天线增益与方向图、检测门限和保护要求,以及WCR设备的工作频点、发射功率、天线增益与方向图、检测门限和WCR用户接收要求。
4.如权利要求1或3所述的架设移动通信路由的方法,其特征在于,所述的步骤S1中,所部署的WCR,以每节车厢为单位均匀分布,此时每节车厢内WCR等间距,相邻两车厢距离最近的两个WCR的间距与车厢内WCR间距无关,整辆列车的WCR部署方式统一;或者,WCR以整辆列车为单位均匀分布,此时全车所有的WCR等间距分布。
5.如权利要求1或3所述的架设移动通信路由的方法,其特征在于,所述的步骤S2中,对于列车各MR,计算主瓣朝向内的WCR设备的集总干扰,具体是:设有N个WCR,先确定各WCR到MR的距离,并依据自由空间传播路径损耗模型计算信号的传播路径损耗,然后确定各WCR到MR的干扰强度并求和,得到主瓣朝向内的WCR设备对MR的集总干扰;
对于轨旁各AP,要估算AP受到WCR设备集总干扰的最坏情况,具体是:设有2N个WCR,求解传播路径损耗的最小值,然后确定各WCR到AP的干扰强度,对干扰强度求和得到各WCR设备对AP的集中干扰的最大值。
6.如权利要求1或3所述的架设移动通信路由的方法,其特征在于,所述步骤S3中,对于MR,通过WCR集总干扰与CBTC系统的MR的干扰保护要求λCBTC,通过链路预算求得WCR最大发送功率p1;对于AP,通过WCR集总干扰与轨旁AP的保护要求λCBTC,通过链路预算求得WCR最大发送功率p2;最终获得WCR的最大发生功率P1=max{p1,p2}。
7.如权利要求1或3所述的架设移动通信路由的方法,其特征在于,所述步骤S4中,首先对车厢内移动通信用户特征进行建模,并获取WCR用户接收要求λuser,然后计算WCR到车厢内最远用户的距离,根据计算的距离确定最远用户到WCR的传播路径损耗,并依据λuser,通过链路预算得出WCR的最小发射功率P2。
8.如权利要求1所述的架设移动通信路由的方法,其特征在于,所述步骤S6中,在CBTC系统用IEEE802.11系列通信标准、所架设WCR系统使用IEEE802.11g/n或更高制式的802.11系列通信标准的前提下,对WCR启用通信标准中的CTS-to-self保护机制,具体是:在CBTC系统AP与MR的工作信道上,WCR持续发出CTS控制讯框,在CTS控制讯框中夹带对该信道占用时长的信息,通过周期性设置足够长的占用时间,使得车厢内全体WCR用户长期回避该信道。
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