無線調(diào)車機(jī)車信號和監(jiān)控系統(tǒng)車地通信弱場解決方案的應(yīng)用分析

尚麟宇，馮 軍，楊華昌

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號研究所，北京 100081）

近年來，隨著鐵路各級部門對調(diào)車作業(yè)安全的不斷重視，無線調(diào)車機(jī)車信號和監(jiān)控系統(tǒng)（簡稱：STP）在全路各編組站、區(qū)段站和中間站均得到大量推廣應(yīng)用，有效地降低了調(diào)車作業(yè)安全事故發(fā)生的頻數(shù)。STP由車載和地面設(shè)備組成，車、地設(shè)備間通過無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)功能。無線通信是車、地設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的唯一途徑，是系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。

隨著STP推廣應(yīng)用，其運(yùn)用車站的地形條件、周邊電磁環(huán)境、站場內(nèi)建筑物遮擋等實(shí)際情況也日趨復(fù)雜多樣。目前，復(fù)雜站場環(huán)境下STP的場強(qiáng)覆蓋弱，進(jìn)而影響系統(tǒng)車、地通信質(zhì)量的問題，正成為STP設(shè)計(jì)、實(shí)施過程中的突出問題[2]。本文從增強(qiáng)發(fā)射端信號和改善接收端信號質(zhì)量方面，比較幾種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合幾種方案的適用條件，提出STP車地通信覆蓋問題解決思路[3]。

1 地面架設(shè)高增益天線

根據(jù)TJ/DW035-2014的要求，STP數(shù)傳電臺發(fā)射功率限值不大于5 W。目前，系統(tǒng)地面基站普遍采用增益為7 dBi的全向天線，天線長度為1.8 m。在不改變電臺發(fā)射功率和天線安裝位置的情況下，更換增益為10 dBi的高增益天線可以適當(dāng)增加無線信號的覆蓋范圍。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是施工量小，不必移設(shè)天線，不涉及饋線的重新鋪設(shè)。缺點(diǎn)是高增益天線的長度為3.8 m，需要考慮在通信鐵塔或樓頂重新固定，并且需要考慮當(dāng)?shù)仫L(fēng)力和天線防風(fēng)等級的限制[4]。此外，由于信號只進(jìn)行了3 dB的放大，通過無線信號接收強(qiáng)度計(jì)算公式RSS=Pt+Gr-Lc-Lbf （RSS：接收信號強(qiáng)度；Pt：發(fā)射功率；Gr：發(fā)射天線增益；Lc：電纜和纜頭的衰耗；Lbf ：自由空間損耗 )和無線信號在自由空間損耗的計(jì)算公式 Lbf=32.5+20lgF+20lgD（D：距離；F：頻率）計(jì)算可知，這種方案對增大無線信號覆蓋范圍的效果并不明顯，故該方案只適用于改善站場邊界處無線通信不穩(wěn)定的情況[5-6]。

2 機(jī)車天線增加地網(wǎng)

2.1 STP機(jī)車天線現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)場機(jī)車實(shí)際情況，STP機(jī)車天線普遍安裝在機(jī)車頂部。隨著無線通信在鐵路通信和調(diào)度系統(tǒng)中的廣泛使用，機(jī)車綜合無線通信系統(tǒng)、站場平面調(diào)車系統(tǒng)等均會在機(jī)車頂部安裝多部450 MHz、800 MHz甚至1.5 GHz天線。上述天線系統(tǒng)中，天線的收發(fā)性能都很優(yōu)良，但多部天線在有限的開放空間并存便會引發(fā)電磁兼容的問題。當(dāng)兩部天線位置相對較近時(shí)，它們間將產(chǎn)生電磁耦合，即兩根天線上產(chǎn)生互感電動(dòng)勢，從而使天線的方向性圖發(fā)生畸變[7]。嚴(yán)重時(shí)會影響天線端口的輸入阻抗，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)和天線的阻抗失配，大量電磁能量被反射，影響無線通信質(zhì)量，甚至損壞發(fā)射機(jī)[8]。

2.2 STP機(jī)車天線改進(jìn)方案

受到上述因素的制約，工程中STP機(jī)車天線與車頂金屬平面的高度較天線出廠調(diào)試時(shí)的參考反射面往往會發(fā)生變化。此外，車頂障礙物遮擋、接觸網(wǎng)、地面反射以及車頂多部天線共存產(chǎn)生的電磁耦合干擾等因素均會對天線收發(fā)性能產(chǎn)生影響[9]。

增加天線地網(wǎng)的方案，可以從改善天線反射面的方面提高天線的收發(fā)性能，進(jìn)而提升STP車地通信質(zhì)量。本文選取加裝了STP的DF7調(diào)車機(jī)，并對其車頂機(jī)車天線加裝地網(wǎng)前后的天饋系統(tǒng)電壓駐波比進(jìn)行了測試，測試中電臺頻點(diǎn)選取在407 MHz～422 MHz區(qū)間，電臺發(fā)射功率為5 W，測試結(jié)果如圖1。

圖1 DF7調(diào)車機(jī)頂部STP天線加裝地網(wǎng)前后電壓駐波比

由圖1可以看出，試驗(yàn)機(jī)車在測試頻段內(nèi)，加裝天線地網(wǎng)后，天饋系統(tǒng)的電壓駐波比明顯優(yōu)于加裝天線地網(wǎng)后。

3 增設(shè)干線放大器

3.1 STP增設(shè)干線放大器方案

干線放大器是一種對無線信號進(jìn)行透明傳輸?shù)男盘柗糯笱b置，由下行功放和上行低噪放組成。工程中，為節(jié)約設(shè)備成本，可將STP地面主、備機(jī)的信號經(jīng)合路器合并后再通過干線放大器進(jìn)行線性大功率放大，室外采用全向天線進(jìn)行覆蓋，如圖2所示。該方案通過提高發(fā)射信號的強(qiáng)度，增加信號對遮擋物的穿透性，進(jìn)而加大STP無線信號的覆蓋范圍。此外，干線放大器對上行信號也進(jìn)行低噪放大以克服傳輸路徑損耗產(chǎn)生的STP地面主機(jī)上行接收機(jī)噪聲系數(shù)的惡化，從而提高接收靈敏度，使STP無線通信上、下行覆蓋能力相匹配[10]。

干線放大器可安裝在鐵路信號或通信機(jī)房，對STP上、下行無線信號進(jìn)行放大，其上、下行增益可以根據(jù)現(xiàn)場情況獨(dú)立設(shè)置。干線放大器屬于有源信號放大裝置，信號增益最高可達(dá)45 dB，可以有效改善由于建筑物遮擋、底噪干擾或站場跨度大等因素導(dǎo)致的通信質(zhì)量下降問題。干線放大器在實(shí)施時(shí)，不需要另外架設(shè)天線或鋪設(shè)通道，具有實(shí)施方便、布置靈活且信號增益高等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 增設(shè)干線放大器

3.2 STP增設(shè)干線放大器方案存在問題

但是，受其內(nèi)部元器件特性的限制，干線放大器通常對入射信號的強(qiáng)度有嚴(yán)格的要求，既要大于其接收下限以保證誤碼率在可接受的范圍，又不能超過上限以免燒損元器件。此外，信號經(jīng)過放大后，在地面天線附近會形成場強(qiáng)很高的區(qū)域。目前，STP普遍采用的MDS SD系列電臺接收機(jī)靈敏度 BER為-60～101 dBm，也就是說當(dāng)電臺接收到的信號強(qiáng)度過高時(shí)，接收機(jī)的靈敏度也會降低，并導(dǎo)致誤碼率升高，這種情況同樣會降低無線通信的質(zhì)量。

因此，在工程設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中，使用干線放大器的關(guān)鍵是應(yīng)綜合考慮在保證信號放大以增大覆蓋范圍的同時(shí)，又不使天線附近信號強(qiáng)度過高，以致影響接收機(jī)的靈敏度。

4 光纖直放站及其在STP中的應(yīng)用

在STP的建設(shè)中，遇到長距離站場的邊界、隧道內(nèi)、專用線庫區(qū)內(nèi)等無法通過簡單增大信號強(qiáng)度解決無線信號覆蓋弱場甚至是盲點(diǎn)問題的情況時(shí)，通常只能通過增加地面主機(jī)設(shè)備的方案實(shí)現(xiàn)無線信號的覆蓋。當(dāng)受客觀條件限制無法增加地面主機(jī)設(shè)備時(shí)，就需要考慮部署光纖直放站設(shè)備。

4.1 光纖直放站設(shè)備的基本原理

光纖直放站屬于無線通信傳輸過程中利用光纖延伸信號覆蓋的一種無線信號收發(fā)中轉(zhuǎn)設(shè)備，由近端機(jī)、光纜、遠(yuǎn)端機(jī)、天線及相關(guān)的配件構(gòu)成。其基本功能就是把基站信號延伸到設(shè)備原本覆蓋不到的弱場區(qū)，如隧道、山體遮擋區(qū)域等，同時(shí)也把遠(yuǎn)端機(jī)中繼過來的信號傳送給基站，實(shí)現(xiàn)無線信號覆蓋的連續(xù)性。光纖直放站上行傳輸信號的過程是：利用遠(yuǎn)端天線把車載臺的信號輸入遠(yuǎn)端機(jī)，放大車載臺信號至≤0 dBm，集成在遠(yuǎn)端機(jī)中的光端設(shè)備將射頻信號轉(zhuǎn)換為光信號后利用光纖送至近端機(jī)中，再由集成在近端機(jī)中的光端設(shè)備把光信號還原成射頻信號，最后經(jīng)過耦合器送至基站。下行傳輸信號的過程是：近端機(jī)從基站耦合≤10 dBm的射頻信號，集成在近端機(jī)中的光端設(shè)備將射頻信號轉(zhuǎn)換為光信號后利用光纖送至遠(yuǎn)端機(jī)，再由集成在遠(yuǎn)端機(jī)中的光端設(shè)備將光信號還原成射頻信號后，經(jīng)過功率放大，通過遠(yuǎn)端天線將信號覆蓋至弱場[11]。下行接收場強(qiáng)為：Prm=P0+Ga-LS-Lp，式中，Prm為車載臺接收信號場強(qiáng)（單位：dBm），P0為遠(yuǎn)端機(jī)發(fā)射功率（單位：dBm）（可結(jié)合實(shí)際進(jìn)行設(shè)置，一般不超過37 dBm），Ga為車地天線增益之和（單位：dBm），LS為空間損耗（單位：dBm），Lp為附加損耗（單位：dBm）。上行傳輸過程中，遠(yuǎn)端機(jī)接收場強(qiáng)與下行計(jì)算方式一致（從近端機(jī)輸入基站的信號強(qiáng)度可結(jié)合實(shí)際進(jìn)行設(shè)置，應(yīng)注意不超過基站接收機(jī)的上限）[12-13]。

光纖直放站是先把射頻信號轉(zhuǎn)換為光信號后利用光纖進(jìn)行傳送，這就有效避免了信號傳輸過程中的時(shí)延。此外，光纖傳輸也有效避免了外部電磁干擾，使信號質(zhì)量得到很好的保證[14]。

4.2 光纖直放站應(yīng)用于STP的方案

光纖直放站近端機(jī)安裝于STP地面設(shè)備所在的鐵路信號機(jī)房，也可視情況部署在通信機(jī)房，通過定向耦合器和同軸電纜與STP地面設(shè)備連接；遠(yuǎn)端機(jī)安裝位置選址，需對弱場區(qū)域進(jìn)行調(diào)研，保證遠(yuǎn)端機(jī)的信號能夠?qū)θ鯃鰠^(qū)域進(jìn)行覆蓋。根據(jù)現(xiàn)場條件，遠(yuǎn)端機(jī)可采取室內(nèi)機(jī)房安裝或室外鐵塔安裝兩種方式[15]。

4.3 移頻光纖直放站應(yīng)用于STP的方案

光纖直放站在應(yīng)用于STP時(shí)，應(yīng)注意基站信號與遠(yuǎn)端機(jī)信號應(yīng)盡量隔離，以避免兩者疊加產(chǎn)生干擾而形成站場內(nèi)高誤碼率的區(qū)域。在現(xiàn)場應(yīng)用中，保證無線信號的絕對隔離是不可能的，采用移頻直放站技術(shù)則可以解決這一問題。

移頻光纖直放站是利用變頻技術(shù)，把基站信號f1頻率延伸到基站設(shè)備覆蓋不到的弱場區(qū)的遠(yuǎn)端機(jī)，在遠(yuǎn)端機(jī)將f1頻率信號變頻到f2頻率信號后再對弱場區(qū)進(jìn)行蓋。在基站信號和遠(yuǎn)端機(jī)信號重疊區(qū)域，車載設(shè)備以頻率f1或f2與地面設(shè)備通信，有效規(guī)避了同頻干擾的問題，如圖3所示。

圖3 移頻光纖直放站應(yīng)用

5 結(jié)束語

無線通信質(zhì)量是STP可靠性、穩(wěn)定性的關(guān)鍵。解決弱場覆蓋問題對提升STP無線通信質(zhì)量意義重大。通過地面架設(shè)高增益天線、增加機(jī)車天線地網(wǎng)、地面增加干線放大器和增設(shè)光纖直放站等方案均可對STP無線通信弱場問題起到改善效果。本文針對光纖直放站在應(yīng)用中出現(xiàn)的同頻干擾問題，提出移頻光纖直放站的方案，在擴(kuò)大STP車地通信覆蓋范圍的同時(shí)，有效避免同頻信號干擾，從而保證系統(tǒng)車地通信質(zhì)量。隨著機(jī)車加裝設(shè)備的增加，鐵路無線電頻點(diǎn)資源日趨緊張，臨道干擾現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。增加發(fā)射端帶外抑制和接收端的濾波能力，是移頻光纖直放站尚可提升的方面。