淺談地鐵專用無線通信系統的設計

李歲永

摘要:在我國城市地鐵通信系統中,專用無線通信系統是高速運行的地鐵列車與車站運營管理人員之間唯一的通信手段,擔負著提高運營效率、確保行車安全及地鐵乘客生命安全的重要使命,為列車調度、維修調度、防災環控調度、車輛段調度等提供無線通信保障。本文結合工程經驗,扼要介紹地鐵專用無線通信系統的工程設計。

關鍵詞:地鐵;專用無線通信系統;場強;漏泄電纜;天線

引言

目前國內地鐵專用無線通信系統主要采用數字集群技術進行組網,主要由設置在中心的集群中心交換設備和操作控制臺;設置在車站的集群基站、功分器和耦合器、天線和車站電臺,敷設在區間的漏泄同軸電纜及配件;設置在車輛段等處的光纖直放站、操作控制臺;設置在機車上的機車臺以及為移動工作人員配備的手持臺等設備組成。中心與沿線車站的設備間通過有線通信傳輸通道連接,實現全線場強的覆蓋。

1專用無線通信系統功能要求

地鐵專用無線通信系統具有選呼、組呼、全呼、緊急呼叫、呼叫優先級權限等調度通信功能,并應具有存儲功能、監測功能等。

2頻段及頻點的選擇

地鐵無線通信系統采用的制式應符合國家有關技術標準,所采用的工作頻段及頻點應由當地無線電管理部門批準。

3專用無線通信系統工程設計

3.1網絡結構

根據地鐵線路的特點,數字集群通信系統按基站設置方式的不同可以有以下幾種系統結構:

小區制:在控制中心設置交換控制設備,在地鐵沿線各車站設置基站,交換控制設備與基站之間通過有線傳輸通道連接,地鐵沿線架設漏泄同軸電纜實現全線場強覆蓋。小區制的缺點是投資較高,列車司機與行車調度員之間的通話存在較多越區切換;優點是信道利用率高,系統的故障弱化能力較強,最大特點是能夠實現車站值班員與列車司機之間無須撥號即可建立通信聯系。

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

大區制:在控制中心設置交換控制設備和基站,在地鐵沿線車站均設置射頻放大設備,地鐵沿線架設漏泄同軸電纜實現全線場強覆蓋。大區制的優點是投資較小,列車司機與行車調度員之間的通話不存在越區切換;缺點是信道利用率不高,故障弱化能力較差,不能實現小三角通信,尤其是列車進出車輛段時正線通話組與車輛段通話組不能自動轉換。此外,大區制系統結構不易擴容也是其致命弱點。

綜合上述對大、中、小區制三種系統結構的分析比較,建議地鐵專用無線通信系統采用中、小區制系統結構進行組網。

3.2場強覆蓋

地鐵專用無線通信系統信號場強覆蓋區域通常分為:隧道區間的覆蓋 、車站站臺的覆蓋、車站站廳的覆蓋。

地鐵隧道區間內場強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,但場強覆蓋難以控制,會對隧道內的電磁環境產生不良影響,無法為控制越區切換、降低同頻干擾等具體問題進行針對性的場強分布精確設計,實際使用先例很少;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實現對電磁波傳播和輻射的嚴密控制(既保證了自身系統的抗干擾又能降低對其他無線系統干擾的可能性),因此在國內外地鐵的建設中均得到了廣泛的應用。所以推薦采用漏泄電纜解決隧道內的場強覆蓋。

采用漏泄電纜實現區間場強覆蓋時,當區間太長時需在漏纜中間加設放大器對射頻信號進行放大。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,可以獲得較好的載噪比;光纖直放站由于光端機噪聲系數的增加,其信號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,對基站的影響較小;采用光纖直放站的上行噪聲較大,對基站的影響較大。

可靠性

由于射頻直放中繼器是一級有源設備,可靠性較好;光纖直放站包含近端射頻調制、光路傳輸、遠端射頻解調、射頻放大四個部分,這四個部分是串聯工作的,其中每一個部分出了故障,都會導致整條鏈路故障,可靠性較差。

★ 信號傳輸時延

在放大器不級聯的情況下,射頻直放中繼器對原射頻信號的附加時延小;光纖直放站附加時延大。

★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。

★級聯放大互調影響

射頻直放中繼器級聯放大時互調影響較大;光纖直放站級聯放大時互調影響較小。

以上兩種方式各有利弊。但總的說來,當放大器不級聯時,采用射頻直放中繼器比較合適;反之,當放大器需要多級級聯時,則采用光纖直放站更為有利。

車站站臺場強覆蓋通過區間漏泄電纜或在弱場強區增加小天線方式來實現,站廳層采用吸頂全向天線來進行站廳的場強覆蓋。設計計算鏈路損耗時空間損耗采用自由空間模型公式。

根據無線信號傳輸模型,自由空間損耗計算公式為:

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,

天線覆蓋場強電平計算公式:

P(天線覆蓋場強電平)=天線口功率+天線增益-自由空間傳播損耗。

假設車站場強覆蓋設計指標為:專用無線通信網95%的地點及時間(概率),移動終端接收信號的場強電平應不小于-85dBm ;按瑞利衰落法進行計算,基站、移動終端接收端的比特誤碼率不超過4%(信噪比≥19dB)。

按照設計要求滿足場強覆蓋最小接收電平設計參數:

覆蓋范圍邊緣場強的最小接收電平門限取決于:

①接收機的動態靈敏度: 基站= -106dBm (上行),移動手機= -103dBm (下行),車載臺= -103dBm (下行)

②場強覆蓋瞬時瑞利衰落深度: 衰落儲備取值=13dB

③設計儲備余量: 取值= 5dB

邊緣場強取值=接收機靈敏度+衰落儲備+干擾余量

因此,在滿足信噪比≥19dB和可通率(時間、地點覆蓋概率為95%)的要求下,最小接收電平設計取值:

下行(基站至車臺): 每載波≥-85dBm(車臺天線輸入端)

下行(基站至手機): 每載波≥-85dBm(手機天線輸入端)

上行(車臺至基站):每載波≥-88dBm(基站接收端)

上行(手機至基站):每載波≥-88dBm(基站接收端)

專用無線通信覆蓋的區域內同時并存商業移動通信網,因此工程的設計須考慮網間的相互干擾。經理論分析和實踐證明:專用無線通信網和商業移動通信網在隧道內漏泄電纜安裝間隔≥0.45米,其隔離度可達78dB,如公網POI和直放站設備相關指標符合國標的條件下如此可減輕或消除網間互調和帶外雜散發射干擾的影響。站廳內專用無線通信網天線和商業移動通信網天線安裝間隔≥4.5米,可以減輕或消除網間帶外雜散干擾的影響。

結束語

上述內容是本人參加地鐵工程建設以來積累的一些理論和經驗,在此總結起來與同行交流學習,尚有不足之處,誠請各方同仁指教。

我國城市軌道交通工程已經進入飛速發展的階段,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有數條地鐵線路投入運營使用,仍在加大地鐵工程建設,武漢、成都、重慶、沈陽、西安等地也掀起了地鐵建設工程的高潮,地鐵已經成為大型城市綜合經濟文化實力的重要體現。隨著城市軌道交通工程的繁榮發展,地鐵無線通信系統也將在地鐵工程中被廣泛應用,地鐵專用無線通信技術也將不斷成熟完善。

參考文獻

[1]鄭祖輝等《 數字集群移動通信系統 》第三版,電子工業出版社,2008年.