淺談地鐵專用無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李歲永

摘要:在我國城市地鐵通信系統(tǒng)中,專用無線通信系統(tǒng)是高速運(yùn)行的地鐵列車與車站運(yùn)營管理人員之間唯一的通信手段,擔(dān)負(fù)著提高運(yùn)營效率、確保行車安全及地鐵乘客生命安全的重要使命,為列車調(diào)度、維修調(diào)度、防災(zāi)環(huán)控調(diào)度、車輛段調(diào)度等提供無線通信保障。本文結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),扼要介紹地鐵專用無線通信系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞:地鐵;專用無線通信系統(tǒng);場強(qiáng);漏泄電纜;天線

引言

目前國內(nèi)地鐵專用無線通信系統(tǒng)主要采用數(shù)字集群技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng),主要由設(shè)置在中心的集群中心交換設(shè)備和操作控制臺(tái);設(shè)置在車站的集群基站、功分器和耦合器、天線和車站電臺(tái),敷設(shè)在區(qū)間的漏泄同軸電纜及配件;設(shè)置在車輛段等處的光纖直放站、操作控制臺(tái);設(shè)置在機(jī)車上的機(jī)車臺(tái)以及為移動(dòng)工作人員配備的手持臺(tái)等設(shè)備組成。中心與沿線車站的設(shè)備間通過有線通信傳輸通道連接,實(shí)現(xiàn)全線場強(qiáng)的覆蓋。

1專用無線通信系統(tǒng)功能要求

地鐵專用無線通信系統(tǒng)具有選呼、組呼、全呼、緊急呼叫、呼叫優(yōu)先級(jí)權(quán)限等調(diào)度通信功能,并應(yīng)具有存儲(chǔ)功能、監(jiān)測功能等。

2頻段及頻點(diǎn)的選擇

地鐵無線通信系統(tǒng)采用的制式應(yīng)符合國家有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),所采用的工作頻段及頻點(diǎn)應(yīng)由當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理部門批準(zhǔn)。

3專用無線通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)

3.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)地鐵線路的特點(diǎn),數(shù)字集群通信系統(tǒng)按基站設(shè)置方式的不同可以有以下幾種系統(tǒng)結(jié)構(gòu):

小區(qū)制:在控制中心設(shè)置交換控制設(shè)備,在地鐵沿線各車站設(shè)置基站,交換控制設(shè)備與基站之間通過有線傳輸通道連接,地鐵沿線架設(shè)漏泄同軸電纜實(shí)現(xiàn)全線場強(qiáng)覆蓋。小區(qū)制的缺點(diǎn)是投資較高,列車司機(jī)與行車調(diào)度員之間的通話存在較多越區(qū)切換;優(yōu)點(diǎn)是信道利用率高,系統(tǒng)的故障弱化能力較強(qiáng),最大特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)車站值班員與列車司機(jī)之間無須撥號(hào)即可建立通信聯(lián)系。

中區(qū)制:在控制中心設(shè)置交換控制設(shè)備,在地鐵沿線的重要車站設(shè)置基站,其它車站設(shè)置射頻放大設(shè)備,交換控制設(shè)備與基站之間通過有線傳輸通道連接,地鐵沿線架設(shè)漏泄同軸電纜實(shí)現(xiàn)全線場強(qiáng)覆蓋。中區(qū)制在設(shè)備投資、信道利用、越區(qū)切換頻次、故障弱化能力等方面均介于大區(qū)制與小區(qū)制之間,不具備小區(qū)制的小三角通信功能,也不存在大區(qū)制的車載設(shè)備在列車進(jìn)出車輛段時(shí)正線通話組與車輛段通話組不能自動(dòng)轉(zhuǎn)換的問題。

大區(qū)制:在控制中心設(shè)置交換控制設(shè)備和基站,在地鐵沿線車站均設(shè)置射頻放大設(shè)備,地鐵沿線架設(shè)漏泄同軸電纜實(shí)現(xiàn)全線場強(qiáng)覆蓋。大區(qū)制的優(yōu)點(diǎn)是投資較小,列車司機(jī)與行車調(diào)度員之間的通話不存在越區(qū)切換;缺點(diǎn)是信道利用率不高,故障弱化能力較差,不能實(shí)現(xiàn)小三角通信,尤其是列車進(jìn)出車輛段時(shí)正線通話組與車輛段通話組不能自動(dòng)轉(zhuǎn)換。此外,大區(qū)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不易擴(kuò)容也是其致命弱點(diǎn)。

綜合上述對(duì)大、中、小區(qū)制三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析比較,建議地鐵專用無線通信系統(tǒng)采用中、小區(qū)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)。

3.2場強(qiáng)覆蓋

地鐵專用無線通信系統(tǒng)信號(hào)場強(qiáng)覆蓋區(qū)域通常分為:隧道區(qū)間的覆蓋 、車站站臺(tái)的覆蓋、車站站廳的覆蓋。

地鐵隧道區(qū)間內(nèi)場強(qiáng)的覆蓋方式無外乎兩種:采用隧道天線作為輻射源的空間波覆蓋方式及采用漏泄電纜作為傳輸線和分布天線的覆蓋方式。前者投資小,安裝工程量小,但場強(qiáng)覆蓋難以控制,會(huì)對(duì)隧道內(nèi)的電磁環(huán)境產(chǎn)生不良影響,無法為控制越區(qū)切換、降低同頻干擾等具體問題進(jìn)行針對(duì)性的場強(qiáng)分布精確設(shè)計(jì),實(shí)際使用先例很少;而后者投資較大,安裝工程量較大,但由于采用漏泄電纜能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁波傳播和輻射的嚴(yán)密控制(既保證了自身系統(tǒng)的抗干擾又能降低對(duì)其他無線系統(tǒng)干擾的可能性),因此在國內(nèi)外地鐵的建設(shè)中均得到了廣泛的應(yīng)用。所以推薦采用漏泄電纜解決隧道內(nèi)的場強(qiáng)覆蓋。

采用漏泄電纜實(shí)現(xiàn)區(qū)間場強(qiáng)覆蓋時(shí),當(dāng)區(qū)間太長時(shí)需在漏纜中間加設(shè)放大器對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行放大。常用的放大器有兩種類型:射頻直放中繼器和光纖作為傳輸媒介的光纖直放站。兩種放大方式對(duì)比如下:

下行載噪比

采用射頻直放中繼器放大的是由基站獲得的信號(hào),可以獲得較好的載噪比;光纖直放站由于光端機(jī)噪聲系數(shù)的增加,其信號(hào)的載噪比不及射頻直放中繼器。

上行噪聲

采用射頻直放中繼器的上行噪聲較小,對(duì)基站的影響較小;采用光纖直放站的上行噪聲較大,對(duì)基站的影響較大。

可靠性

由于射頻直放中繼器是一級(jí)有源設(shè)備,可靠性較好;光纖直放站包含近端射頻調(diào)制、光路傳輸、遠(yuǎn)端射頻解調(diào)、射頻放大四個(gè)部分,這四個(gè)部分是串聯(lián)工作的,其中每一個(gè)部分出了故障,都會(huì)導(dǎo)致整條鏈路故障,可靠性較差。

★ 信號(hào)傳輸時(shí)延

在放大器不級(jí)聯(lián)的情況下,射頻直放中繼器對(duì)原射頻信號(hào)的附加時(shí)延小;光纖直放站附加時(shí)延大。

★延伸距離

射頻直放中繼器只能單向延伸覆蓋范圍;光纖直放站可以從中間向兩端延伸,因此后者的延伸距離長。

★級(jí)聯(lián)放大互調(diào)影響

射頻直放中繼器級(jí)聯(lián)放大時(shí)互調(diào)影響較大;光纖直放站級(jí)聯(lián)放大時(shí)互調(diào)影響較小。

以上兩種方式各有利弊。但總的說來,當(dāng)放大器不級(jí)聯(lián)時(shí),采用射頻直放中繼器比較合適;反之,當(dāng)放大器需要多級(jí)級(jí)聯(lián)時(shí),則采用光纖直放站更為有利。

車站站臺(tái)場強(qiáng)覆蓋通過區(qū)間漏泄電纜或在弱場強(qiáng)區(qū)增加小天線方式來實(shí)現(xiàn),站廳層采用吸頂全向天線來進(jìn)行站廳的場強(qiáng)覆蓋。設(shè)計(jì)計(jì)算鏈路損耗時(shí)空間損耗采用自由空間模型公式。

根據(jù)無線信號(hào)傳輸模型,自由空間損耗計(jì)算公式為:

L=32.45+20log(F) +20log(D),其中F為頻率,單位為MHz,D為距離,單位為km,

天線覆蓋場強(qiáng)電平計(jì)算公式:

P(天線覆蓋場強(qiáng)電平)=天線口功率+天線增益-自由空間傳播損耗。

假設(shè)車站場強(qiáng)覆蓋設(shè)計(jì)指標(biāo)為:專用無線通信網(wǎng)95%的地點(diǎn)及時(shí)間(概率),移動(dòng)終端接收信號(hào)的場強(qiáng)電平應(yīng)不小于-85dBm ;按瑞利衰落法進(jìn)行計(jì)算,基站、移動(dòng)終端接收端的比特誤碼率不超過4%(信噪比≥19dB)。

按照設(shè)計(jì)要求滿足場強(qiáng)覆蓋最小接收電平設(shè)計(jì)參數(shù):

覆蓋范圍邊緣場強(qiáng)的最小接收電平門限取決于:

①接收機(jī)的動(dòng)態(tài)靈敏度: 基站= -106dBm (上行),移動(dòng)手機(jī)= -103dBm (下行),車載臺(tái)= -103dBm (下行)

②場強(qiáng)覆蓋瞬時(shí)瑞利衰落深度: 衰落儲(chǔ)備取值=13dB

③設(shè)計(jì)儲(chǔ)備余量: 取值= 5dB

邊緣場強(qiáng)取值=接收機(jī)靈敏度+衰落儲(chǔ)備+干擾余量

因此,在滿足信噪比≥19dB和可通率(時(shí)間、地點(diǎn)覆蓋概率為95%)的要求下,最小接收電平設(shè)計(jì)取值:

下行(基站至車臺(tái)): 每載波≥-85dBm(車臺(tái)天線輸入端)

下行(基站至手機(jī)): 每載波≥-85dBm(手機(jī)天線輸入端)

上行(車臺(tái)至基站):每載波≥-88dBm(基站接收端)

上行(手機(jī)至基站):每載波≥-88dBm(基站接收端)

專用無線通信覆蓋的區(qū)域內(nèi)同時(shí)并存商業(yè)移動(dòng)通信網(wǎng),因此工程的設(shè)計(jì)須考慮網(wǎng)間的相互干擾。經(jīng)理論分析和實(shí)踐證明:專用無線通信網(wǎng)和商業(yè)移動(dòng)通信網(wǎng)在隧道內(nèi)漏泄電纜安裝間隔≥0.45米,其隔離度可達(dá)78dB,如公網(wǎng)POI和直放站設(shè)備相關(guān)指標(biāo)符合國標(biāo)的條件下如此可減輕或消除網(wǎng)間互調(diào)和帶外雜散發(fā)射干擾的影響。站廳內(nèi)專用無線通信網(wǎng)天線和商業(yè)移動(dòng)通信網(wǎng)天線安裝間隔≥4.5米,可以減輕或消除網(wǎng)間帶外雜散干擾的影響。

結(jié)束語

上述內(nèi)容是本人參加地鐵工程建設(shè)以來積累的一些理論和經(jīng)驗(yàn),在此總結(jié)起來與同行交流學(xué)習(xí),尚有不足之處,誠請(qǐng)各方同仁指教。

我國城市軌道交通工程已經(jīng)進(jìn)入飛速發(fā)展的階段,北京、上海、廣州、深圳等一批人口密集,公共交通擁擠的城市已經(jīng)有數(shù)條地鐵線路投入運(yùn)營使用,仍在加大地鐵工程建設(shè),武漢、成都、重慶、沈陽、西安等地也掀起了地鐵建設(shè)工程的高潮,地鐵已經(jīng)成為大型城市綜合經(jīng)濟(jì)文化實(shí)力的重要體現(xiàn)。隨著城市軌道交通工程的繁榮發(fā)展,地鐵無線通信系統(tǒng)也將在地鐵工程中被廣泛應(yīng)用,地鐵專用無線通信技術(shù)也將不斷成熟完善。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭祖輝等《 數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng) 》第三版,電子工業(yè)出版社,2008年.