地鐵通信系統(tǒng)中的新型多系統(tǒng)合路平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李安慶，江晉劍

(1.安徽郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院通信工程系，安徽合肥230031；2.安慶師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽安慶246133)

目前城市建設(shè)迅速，地鐵、火車站、機(jī)場(chǎng)、政府辦公等場(chǎng)所都需要多網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)接入，特別是未來10年地鐵建設(shè)工程將迎來一股新高潮。地鐵軌道交通要求接入系統(tǒng)多、覆蓋面廣、安裝環(huán)境要求高等特點(diǎn)[1-5]。傳統(tǒng)各運(yùn)營商自建覆蓋系統(tǒng)的組網(wǎng)方式會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)間的相互干擾，因此多系統(tǒng)合路平臺(tái)（POI）解決方案應(yīng)運(yùn)而生，其設(shè)計(jì)理論成為研究熱點(diǎn)。2013年國外Oldoni提出倒頻譜分析法在理論上實(shí)現(xiàn)了精確設(shè)計(jì)[6]，2014年Macchiarella和GTamiazzo在公共腔的基礎(chǔ)上提出了不規(guī)則排列的點(diǎn)陣代表耦合結(jié)構(gòu)，其中諧振器排列位置可根據(jù)設(shè)計(jì)空間要求進(jìn)行局部性調(diào)整，使POI內(nèi)部設(shè)計(jì)更加靈活多變[7]。國內(nèi)高校的科研人員在POI理論研究和設(shè)計(jì)上進(jìn)行了積極探索[8]，相關(guān)通信生產(chǎn)企業(yè)也積極投入到POI設(shè)備研發(fā)中。結(jié)合上述理論知識(shí)及相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)廣州地鐵二號(hào)線4G通信改造工程POI定制要求，本文設(shè)計(jì)了一款10進(jìn)2出POI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)LTE與2/3G多系統(tǒng)的信號(hào)合路，支持多運(yùn)營商兼容與擴(kuò)容，以及支持下一代通信技術(shù)，達(dá)到防強(qiáng)震、防滴水、易量產(chǎn)、模塊防氧化、使用壽命長等要求。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)可行性分析及設(shè)計(jì)指標(biāo)

POI將所有的信號(hào)用一套分布系統(tǒng)傳輸，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，在保證設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)的前提下要求維護(hù)和擴(kuò)容方便，其結(jié)構(gòu)包括合路器、電橋、隔離器等無源器件[9-12]。該系統(tǒng)利用多個(gè)合路器、濾波器和電橋通過特殊級(jí)聯(lián)方式達(dá)到多制式信號(hào)的引入，滿足收發(fā)高隔離度和高帶外抑制等指標(biāo)，抑制多系統(tǒng)信號(hào)間的干擾和外來信號(hào)的串?dāng)_[13-15]。本文設(shè)計(jì)的新型結(jié)構(gòu)POI，其技術(shù)指標(biāo)來源于廣州地鐵二號(hào)線4G通信改造工程POI定制要求，具體見表1。

POI的組成器件中大部分都是定制器件，實(shí)現(xiàn)時(shí)需要專門的設(shè)計(jì)研發(fā)并進(jìn)行集成[16-18]，于是本文基于上述設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求設(shè)計(jì)了一款多系統(tǒng)合路平臺(tái)，其工作原理如圖1所示。

表1 多系統(tǒng)合路平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)

圖1 POI系統(tǒng)平臺(tái)單元鏈路圖

如圖1所示，該系統(tǒng)由10個(gè)信源輸入端口。設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景為地鐵隧道，主要功能是將10個(gè)不同制式的信源合路成相同的R1、R2信號(hào)輸入發(fā)射設(shè)備，各信源有一定的隔離度，互不干涉，即實(shí)現(xiàn)共用天饋系統(tǒng)的功能。由于每路信源都要實(shí)現(xiàn)兩路相同信號(hào)到R1、R2輸出，因此系統(tǒng)里每路都采用了電橋。電橋的功能可以實(shí)現(xiàn)同頻信號(hào)分合路且兩端口之間實(shí)現(xiàn)高隔離度。具體實(shí)現(xiàn)過程：首先對(duì)于電信CDMA、移動(dòng)GSM900、聯(lián)通 GSM900、移動(dòng)TD-SCDMA(F/A)、聯(lián)通WCDMA、移動(dòng)TD-LTE經(jīng)過各自對(duì)應(yīng)頻段3 dB電橋?qū)⑿盘?hào)分為兩個(gè)互為等幅且具有90°相位差的信號(hào)，然后分別接入兩個(gè)同樣的八頻合路器。對(duì)于移動(dòng) DCS1 800（1 710～1 735 MHz）、聯(lián)通 DCS/LTE（1 735～1 765 MHz）、LTE1 800（1 765～1 780 MHz）這3個(gè)相連的信源頻段采用的方法是使用合路器將移動(dòng) DCS1 800（1 710～1 735 MHz）、LTE1 800（1 765～1 780 MHz）先進(jìn)行合路并實(shí)現(xiàn)隔離，再將合路器的信號(hào)電信DCS1 800（1 710～1 735 MHz）& 電信LTE1 800（1 765～1 780 MHz）通過電橋與聯(lián)通DCS/LTE（1 735～1 765 MHz）進(jìn)行合路并通過電橋的兩個(gè)輸出口分別接入八頻合路器。由于3路信號(hào)合路時(shí)相互影響較大，為減小相互之前的干擾，在電橋輸出口增加了隔離器，使隔離度增加，這樣就實(shí)現(xiàn)了這3路信號(hào)的合路并有隔離功能。電信LTE2 100頻段往往與相鄰頻段移動(dòng)TD-SCDMA(F/A)、聯(lián)通WCDMA相互影響，因此在信源入口采用帶通濾波器對(duì)影響頻段進(jìn)行抑制，然后通過電橋分別接入八頻合路器。兩個(gè)八頻合路器將8個(gè)信號(hào)進(jìn)行合成。

2 產(chǎn)品實(shí)物安裝及測(cè)試過程

POI系統(tǒng)平臺(tái)裝配圖如圖2所示。連接器端口類型為N-K與腔體采用緊配合的方式連接。

POI系統(tǒng)平臺(tái)各模塊安裝步驟及注意事項(xiàng)：依次安裝合路器、電橋、電纜、機(jī)箱蓋，其中機(jī)箱蓋需要等聯(lián)調(diào)結(jié)束和測(cè)試指標(biāo)滿足要求，再進(jìn)行安裝；為保證POI結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，電橋、合路器有多個(gè)安裝孔，因器件安裝孔與機(jī)箱空位略有偏差，使用螺釘固定時(shí)依次將螺釘放入安裝孔并旋入兩到三圈，待所有安裝孔螺釘布滿后再鎖緊螺釘；用于固定器件的螺釘必須加平墊片和彈墊片；安裝電纜時(shí)，將電纜兩端的螺套旋入對(duì)應(yīng)器件的連接器中，待調(diào)整好位置再使用扳手進(jìn)行螺套鎖緊；安裝機(jī)箱蓋時(shí)需使用氣槍將機(jī)箱內(nèi)部清理干凈。產(chǎn)品實(shí)物如圖3所示。

使用Agilent5071c矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)POI系統(tǒng)平臺(tái)的各頻段駐波比、損耗、系統(tǒng)間端口隔離度、帶外抑制度進(jìn)行測(cè)試，其中聯(lián)通DCS/LTE、電信LTE2100以及移動(dòng)TD-LTE測(cè)試結(jié)果分別如圖4、5、6所示，系統(tǒng)內(nèi)移動(dòng)DCS與聯(lián)通DCS/LTE端口隔離度測(cè)試如圖7所示。

由于POI包含頻段多，端口測(cè)試圖片過多，本文不再給出其他端口測(cè)試圖片，將測(cè)量結(jié)果記錄如表2所示。

圖2 POI系統(tǒng)平臺(tái)整體裝配圖

圖3 POI系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)物圖

圖4 POI系統(tǒng)平臺(tái)聯(lián)通DCS<E頻段實(shí)物測(cè)試圖

圖5 POI系統(tǒng)平臺(tái)電信LTE2100頻段實(shí)物測(cè)試圖

圖6 POI系統(tǒng)平臺(tái)移動(dòng)TD-LTE頻段實(shí)物測(cè)試圖

圖7 移動(dòng)DCS與聯(lián)通DCS/LTE端口隔離度測(cè)試

表2 多系統(tǒng)合路平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)測(cè)試記錄

由表2可知，在本文所設(shè)計(jì)用于地鐵通信室內(nèi)分布的POI的10個(gè)通道中，插入損耗最大值5.6 dB、端口隔離度最小值92 dB、駐波比最大值1.19 dB、帶外抑制度實(shí)測(cè)結(jié)果比設(shè)計(jì)指標(biāo)更加優(yōu)良，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。另外產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果可與相關(guān)論文出現(xiàn)的類似產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較[19]，該論文中提出的產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果如表3所示。

由表2和3表對(duì)比可知，表3中各系統(tǒng)之間隔離度最小值73 dB，駐波比最大值1.28 dB，而本文設(shè)計(jì)的POI上行頻段資源更加豐富，相同頻段內(nèi)在不增加插入損耗的情況下，各系統(tǒng)之間隔離度及駐波比技術(shù)指標(biāo)明顯提升，技術(shù)參數(shù)更加優(yōu)良。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并制作了一款用于地鐵通信信號(hào)室內(nèi)分布的POI，實(shí)現(xiàn)LTE與2/3G多系統(tǒng)的信號(hào)合路傳輸，實(shí)物測(cè)試性能指標(biāo)優(yōu)于同類產(chǎn)品。產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路對(duì)其他類似產(chǎn)品具有一定的指導(dǎo)意義，該款產(chǎn)品已應(yīng)用到廣州地鐵2號(hào)線地鐵4G通信室內(nèi)分布實(shí)際建設(shè)中，具有良好的市場(chǎng)價(jià)值。

表3 移動(dòng)多系統(tǒng)合路平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)測(cè)試記錄