基于前后端分離的鐵路室內(nèi)無線通信覆蓋的可視化研究

王昕

【摘要】? ? 本文從我國通信無線室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)主流方案、組成結(jié)構(gòu)、覆蓋原則等基本原理出發(fā)，簡單闡述了我國鐵路移動通信系統(tǒng)室內(nèi)覆蓋的設計流程，針對實際的工程設計中個別環(huán)節(jié)存在的問題，基于動態(tài)配置設計參數(shù)及設計方案可視化等需求，提出基于前后端分離的鐵路室內(nèi)無線覆蓋系統(tǒng)設計的可視化方案，以供鐵路數(shù)字化、智能化建設行業(yè)相關(guān)工作人員參考。

【關(guān)鍵字】? ? 鐵路無線通信? ? 室內(nèi)無線覆蓋設計? ? 前后端分離? ? 數(shù)據(jù)可視化

引言：

近年來，一大批新型現(xiàn)代化鐵路客站陸續(xù)開通運營，此類客站的特點是占地面積大、功能劃分精細、結(jié)構(gòu)復雜，對無線通信信號在鐵路客運站的室內(nèi)覆蓋工作提出了新的需求;同時在全球數(shù)字化、信息化飛速發(fā)展的大背景下，各行業(yè)對業(yè)務自動化、數(shù)據(jù)可視化的需求不斷加強，提高生產(chǎn)效率成為企業(yè)發(fā)展自身市場競爭力的重要一環(huán)，因此，對于鐵路工程設計單位來說，生產(chǎn)設計、經(jīng)營管理等各類業(yè)務流程數(shù)字化升級勢在必行。

本文提出基于web的鐵路室內(nèi)無線覆蓋可視化設計平臺的開發(fā)思路，應用前后端分離技術(shù)，設計人員可通過移動、PC端查看工程系統(tǒng)數(shù)據(jù)、并根據(jù)實際拓撲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)實時修改室內(nèi)無線覆蓋系統(tǒng)設備參數(shù)及信號頻率分布方案，后端獲取到前端數(shù)據(jù)進行處理計算存儲后渲染到前端，可視化展現(xiàn)覆蓋方案數(shù)據(jù)流動的同時，也可降低后期方案修改而產(chǎn)生的設計時間成本。

一、鐵路移動通信室內(nèi)覆蓋

（一）室內(nèi)無線覆蓋系統(tǒng)

室內(nèi)無線覆蓋一種是保證室內(nèi)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)理想信號覆蓋的移動通信子系統(tǒng)[1]，無線通信信號通過室外信源進入室內(nèi)，會產(chǎn)生穿透損耗，一些大型的樓宇建筑通常采用室內(nèi)分布系統(tǒng)將信源的反射功率信號按不同鏈路均勻地進行分配，實現(xiàn)室內(nèi)區(qū)域的有效覆蓋，室內(nèi)無線覆蓋系統(tǒng)通常包括信號源和室內(nèi)分布系統(tǒng)兩部分。

常見的信號源按移動通信系統(tǒng)劃分主要有GSM系統(tǒng)[2]、CDMA系統(tǒng)、WCDMA系統(tǒng)、LTE系統(tǒng)等，按信源接入設備劃分，可以分為宏蜂窩接入、微蜂窩接入及直放站接入等信源接入技術(shù)。室內(nèi)分布系統(tǒng)按接入信源可以劃分為傳統(tǒng)分布系統(tǒng)（DAS）、新型分系統(tǒng)以及多源融合分布系統(tǒng)等類型，按目前我國室內(nèi)無線覆蓋仍以傳統(tǒng)分布系統(tǒng)為主。

根據(jù)分布天線類型劃分，傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)可分為無源系統(tǒng)和有源系統(tǒng)。無源系統(tǒng)指系統(tǒng)由耦合器、功分器、合路器、POI等無源器件和饋線構(gòu)成，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)不加入有源設備和器件。其結(jié)構(gòu)和性能相對平穩(wěn)、系統(tǒng)建維簡單、成本較低，但后期不易運維。有源結(jié)構(gòu)指系統(tǒng)建設過程中，為了增加系統(tǒng)的覆蓋能力，加入了有源器件和設備，但需要電源進行供電，建設難度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。因此，傳統(tǒng)的室分系統(tǒng)大部分為無源結(jié)構(gòu)。

（二）鐵路室內(nèi)無線覆蓋需求

目前大型鐵路客運站由于區(qū)域功能劃分精細、站房結(jié)構(gòu)復雜，對各種系統(tǒng)的室內(nèi)覆蓋要求也不盡相同，一般要求提供GSM-R系統(tǒng)、450MHZ無線列調(diào)系統(tǒng)、移動GSM900M、移動TD-LTE、電信CDMA888M、聯(lián)通WCDMA等的覆蓋。

其中，GSM-R系統(tǒng)用于提供鐵路通信、數(shù)據(jù)傳輸及特定專網(wǎng)業(yè)務的通信傳輸，需要實現(xiàn)車站附近區(qū)間及站房內(nèi)的無線覆蓋;450MHZ無線列調(diào)系統(tǒng)覆蓋主要設于站臺層;各類公網(wǎng)室內(nèi)無線覆蓋主要用于各類多媒體客運服務的數(shù)據(jù)傳輸和通信業(yè)務。本研究主要以鐵路GSM-R系統(tǒng)的室內(nèi)覆蓋設計為例，進行室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)設計過程中數(shù)據(jù)動態(tài)配置及前端展示研究。

（三） 鐵路室內(nèi)無線覆蓋原則及設計參數(shù)

1.鐵路無線室內(nèi)覆蓋的設計原則

鐵路客站無線覆蓋應遵循以下基本設計原則：

（1）保證信號覆蓋質(zhì)量的基礎上，考慮經(jīng)濟成本，結(jié)合業(yè)務發(fā)展趨勢，合理選擇信號源;

（2）若非必要不新設基站，一般接入信號覆蓋區(qū)域附近基站，以滿足室內(nèi)覆蓋容量需求;

（3）根據(jù)覆蓋區(qū)域特點，在保證無線覆蓋質(zhì)量的前提下，優(yōu)化天線數(shù)量;

（4）保證室內(nèi)覆蓋信號嚴格控制在限定范圍內(nèi)，不能對沿線GSM-R網(wǎng)絡產(chǎn)生干擾。

2.鐵路無線室內(nèi)覆蓋相關(guān)設計參數(shù)

鐵路客運站房GSM-R室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)設計內(nèi)容主要包括信號源設置、分布器件的安裝以及天饋系統(tǒng)的布設。以直放站信源接入結(jié)合無源分布系統(tǒng)為例，需要根據(jù)各不同鏈路信號衰耗、無源器件性能參數(shù)、饋線參數(shù)、天線輸出功率等，進行室內(nèi)分布系統(tǒng)方案的確定。

（1）鏈路損耗計算

對鐵路站房內(nèi)各層站廳、候車廳、走道等室內(nèi)區(qū)域進行GSM-R網(wǎng)絡覆蓋，其電波傳播環(huán)境近似自由空間傳播環(huán)境，按以下公式計算空間損耗。

LS（dB）=20lg（f）+20lg（d）-27.6

其中，d為傳輸距離，單位m;f為電波頻率，單位MHz（取900MHz），由此得出不同距離的空間損耗如表1所示。

GSM-R移動手持臺最終接收電平為天線口輸出功率經(jīng)過空間損耗、阻擋損耗、多經(jīng)損耗后的剩余輸出功率，一般不可小于-75dBm，帶入上述參數(shù)計算，GSM-R室內(nèi)覆蓋工程設計室內(nèi)全向天線覆蓋半徑按15m考慮，則天線口輸出功率取之約10dBm，定向天線覆蓋距離半徑按100m考慮，則天線口輸出功率按21dBm左右控制。

（2）無源器件

站房GSM-R室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)無源器件選取常用的二功分器、三功分器、耦合器（5dB、6dB、7dB、10dB、15dB和20dB），將光纖直放站遠端機的功率分配至各個天線，以滿足各天線輸出功率要求。無源器件頻率適用范圍包括885～889MHz和930～934MHz;阻抗為50Ω;功率容量不小千200W;無源互調(diào)及隔離度等性能指標滿足分布系統(tǒng)要求。

（3）饋線

本室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)采用的線纜主要包括1/2"跳線、1/2"射頻同軸電纜和7/8"射頻同軸電纜，頻率適用范圍包括885～889MHz和930～934MHz;阻抗為50Ω;外護套使用低煙無鹵阻燃材料。

（4）天線

本室內(nèi)覆幢系統(tǒng)采用室內(nèi)全向天線和室內(nèi)定向天線2種天線。其頻率適用范圍包括885～889MHz和930～934MHz;輸入阻抗為50Ω;極化方式為垂直極化;功率容量不小于50W。

二、鐵路室內(nèi)無線覆蓋可視化系統(tǒng)平臺整體設計

（一）鐵路室內(nèi)無線覆蓋設計流程

鐵路室內(nèi)無線覆蓋系統(tǒng)勘察設計流程如圖1所示。

（二）需求分析

通過對于鐵路室內(nèi)無線覆蓋設計工作的流程進行分析，此項工作的關(guān)鍵在于分布系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計及輸出功率的分配，當客運站占地面積大、功能分區(qū)復雜時，各類無源設備的合理布設顯得尤為重要。然而，從某大型鐵路客運站的室內(nèi)覆蓋方案的拓撲結(jié)構(gòu)可以看出，分布系統(tǒng)的設備的布設難度隨著客運站房的分區(qū)數(shù)量呈指數(shù)型增長，各設備之間數(shù)據(jù)相互影響，任意局部數(shù)據(jù)的調(diào)整都將使得全局數(shù)據(jù)發(fā)生改變，人工測算難度大、耗時長，生產(chǎn)效率低下。

綜合上述需求，本文提出了基于前后端分離的鐵路室內(nèi)無線通信覆蓋的可視化的研究思路[6]，將設計過程數(shù)據(jù)通過前后端分離的方式進行整體動態(tài)計算、關(guān)聯(lián)存儲和前端渲染，直觀展現(xiàn)設計過程數(shù)據(jù)變動情況的同時，大大降低了錯誤率、減少設計人員復盤返工時間。

1.用戶群分析

根據(jù)上文中對于鐵路室內(nèi)覆蓋可視化系統(tǒng)的背景及目標介紹，該系統(tǒng)的用戶群可分為系統(tǒng)管理員、普通設計用戶、訪客人員三類。系統(tǒng)管理員用戶主要負責系統(tǒng)全端的整體管理，同時需要進行系統(tǒng)模塊功能、數(shù)據(jù)及用戶狀態(tài)的運維;普通設計用戶是平臺系統(tǒng)的主要使用者，具備一定程度的專業(yè)基礎，對室內(nèi)覆蓋的工作流程十分熟悉，是平臺系統(tǒng)的操作、使用反饋等數(shù)據(jù)的主要產(chǎn)生用戶;訪客人員是可視化設計平臺的參觀者，具備的操作權(quán)限簡單流暢，僅具有少部分系統(tǒng)的訪問瀏覽權(quán)限。

2.總體功能需求

平臺系統(tǒng)主要的功能需求包括：頁面可視化動態(tài)配置、數(shù)據(jù)源配置、頁面管理、用戶管理。

頁面可視化動態(tài)配置功能為用戶提供可視化系統(tǒng)全流程配置功能，僅對普通設計用戶及管理員用戶開發(fā);數(shù)據(jù)源配置功能同樣面向可登錄的設計人員用戶及管理員用戶，可以進行前端手動輸入數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、mock數(shù)據(jù)以及本地上傳數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)源的配置;頁面管理功能屬于公共功能，但訪客只有讀取的權(quán)限，查看和試用，此功能主要為正式用戶提供較快的視圖加載和數(shù)據(jù)渲染速度，優(yōu)化用戶體驗;用戶管理功能為管理員用戶專項權(quán)限，用戶管理和維護系統(tǒng)平臺用戶的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

3. 非功能需求

本系統(tǒng)的非功能需求表現(xiàn)為較高的系統(tǒng)穩(wěn)定需求以及較快的響應渲染速度需求[7]。

（三）框架設計

如圖2所示，本文采用MVC（Model、View、Controller）前后端分離技術(shù)框架實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化配置，View層負責前端的頁面數(shù)據(jù)展示和用戶交互，Model層后端負責數(shù)據(jù)的處理和計算，Controller層進行后端數(shù)據(jù)與前端頁面的數(shù)據(jù)傳輸和關(guān)鍵邏輯功能的實現(xiàn)。此類前后端分離框架模式可以增強整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性、擴展性及維護性。

三、關(guān)鍵技術(shù)

隨著通信傳輸和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，web端應用系統(tǒng)越來越受到企業(yè)和技術(shù)人員的青睞，各種技術(shù)框架廣泛用于各類大中型系統(tǒng)的開發(fā)中。本系統(tǒng)在開發(fā)過程中，基于Nodejs的技術(shù)環(huán)境，采用Vue、ECharts、Antv_g6等框架庫進行前端頁面展示，通過前端用戶交互及數(shù)據(jù)源初始化配置進行前后端數(shù)據(jù)傳輸，通過控制層將相關(guān)設計用戶、天饋系統(tǒng)設備及操作行為等數(shù)據(jù)與傳輸數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，進而將其存入mysql庫中適當?shù)臄?shù)據(jù)關(guān)系表內(nèi)，并在需要時進行數(shù)據(jù)運算和輸出，已實現(xiàn)后端數(shù)據(jù)的前端動態(tài)化展示。

（一）Nodejs

Nodejs是一種開源、跨平臺的JavaScript運行環(huán)境，其性能方面優(yōu)勢突出。Nodejs原生模塊及操作大多為異步的，這極大地提高了任務的流暢性，編程模型效率很高;其次Nodejs的事件驅(qū)動模式使得項目開發(fā)流程變得簡潔，事件之間的協(xié)作能力很強;僅支持單線程的編程方式使得許多例如同步狀態(tài)問題、資源死鎖問題等被輕松規(guī)避。

（二）Vue

Vue是一種側(cè)重于視圖層開發(fā)的、可提供MVVM（Model-View-View-Model）風格的雙向數(shù)據(jù)綁定JavaScript框架庫，其可實現(xiàn)View層與Model層之間搞笑的數(shù)據(jù)映射和綁定，為開發(fā)人員節(jié)省了很多DOM的過程，提高了項目的開發(fā)效率。

（三）ECharts

ECharts（Enterprise Charts）意為商業(yè)級數(shù)據(jù)圖表，其基于輕量級圖形類庫zrender繼續(xù)開發(fā)，在先前創(chuàng)建的9個基礎組件的基礎上，提供了豐富的圖表類型，是一個純正的JavaScript圖表庫。它支持直角坐標、極坐標、地理坐標等多種坐標系;具有布局、操作優(yōu)化的移動端界面;通過提供豐富的用戶交互組件以進行深度交互式數(shù)據(jù)探索;可以在某些圖表中輕松展現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)量;框架為數(shù)據(jù)驅(qū)動，通過數(shù)據(jù)的改變驅(qū)動圖表視圖改變，輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)化展示。

四、結(jié)束語

本文基于web前端分離技術(shù)對鐵路客運站室內(nèi)無線覆蓋數(shù)據(jù)可視化動態(tài)配置進行了研究，首先，基于鐵路無線室內(nèi)覆蓋需求，介紹了鐵路移動室內(nèi)通信覆蓋的設計原則及技術(shù)參數(shù)，進而通過對我國現(xiàn)階段鐵路無線室內(nèi)覆蓋勘察設計流程的梳理，闡明了鐵路無線室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的可視化設計的必要性。此外，針對可視化系統(tǒng)的需求，設計了基于前后端分離模式的技術(shù)框架，并對無線室內(nèi)覆蓋可視化組件開發(fā)技術(shù)以及前端實現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)進行了探究。

實際應用表明，本文的無線室內(nèi)覆蓋可視化方案在一定程度上滿足了勘察設計業(yè)務對可視化組件靈活性、可移植性要求，為其他業(yè)務提供了便捷，為鐵路通信勘察設計可視化建設提供了前瞻性的試驗和探索。隨著鐵路勘察設計行業(yè)數(shù)字化、信息化的發(fā)展，對數(shù)據(jù)可視化要求會逐步提高，該平臺系統(tǒng)功能也將不斷迭代更新與完善。

參? 考? 文? 獻

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