城市軌道交通線路高架區間無線通信方案淺論

魏祥斌

城市軌道交通線路高架區間無線通信方案淺論

魏祥斌

摘 要：城市軌道交通高架區間場強覆蓋弱區，通常可以采用架設天線作為輻射源的空間波覆蓋方式及敷設漏泄同軸電纜作為傳輸線和分布天線的覆蓋方式加以解決，結合區間中繼設備又可衍生出多種解決方案。重點討論基站天線覆蓋方案、基站天線+直放站天線方案和敷設漏泄同軸電纜方案。

關鍵詞：無線通信;覆蓋;技術方案

目前，我國大部分的城市軌道交通線路專用無線通信系統均采用了TETRA數字集群、多基站小區制方案。在地下區間隧道，場強覆蓋采用的是敷設漏泄同軸電纜 (LCX)的方案，這一點已得到各方的一致認可。而對于高架區間，場強覆蓋存在不同的方案，各有傾向性。本文對高架區間場強覆蓋弱區的解決方案進行比選。

通常場強覆蓋弱區問題可以通過架設天線作為輻射源的空間波覆蓋方式，及敷設漏泄同軸電纜作為傳輸線和分布天線的覆蓋方式加以解決，結合區間中繼設備又可衍生出多種解決方案。考慮地鐵高架區間的特點，重點討論基站天線覆蓋方案、基站天線+直放站天線方案和敷設漏泄同軸電纜方案。

1 基站天線覆蓋方案

沿線高架區間場強覆蓋采用基站天線，且該天線為定向、高增益的板式天線 (站廳站臺覆蓋仍采用吸頂式天線)。在每一個車站根據兩側的線路情況確定天線的架設高度，實現全線場強覆蓋。天線覆蓋方案的無線通信系統構成如圖1所示。

1.1 場強覆蓋計算

場強覆蓋計算重點在曲線半徑較小和沿線建筑物眾多的區間。

根據Okumura/HATA(市區準平坦地形)傳播路徑損耗預測模型，對800 MHz頻段系統室外覆蓋進行典型計算，并考慮今后城市建筑物的阻擋衰減進行修正，可得出15 m高的基站天線覆蓋半徑不小于3 km。由于市區密集的樓房 (今后可能)以及彎曲的線路，使預測模型并不完全適用于高架線路沿線，因此場強計算結果只能作為設計參考，天線高度和覆蓋范圍的確定應基于經驗值和充分考慮其他不可預知的因素，如城市發展帶來的高樓阻擋、高架線路高于地面相當于降低了天線的實際高度等。

綜上所述，采用此方案場強覆蓋應側重于對長大區間的處理，正常情況 (特指站間距離小于3 km且無高樓阻擋)下，各基站天線的安裝高度可確定為20 m(距地面);若站間距離大于3 km或者有彎道和高樓，需根據具體情況計算分析。

1.2 天線架設

圖1 天線覆蓋方案無線通信系統圖

基站天線的架設應考慮與車站建筑結合，盡量采用一體化設計。由于城市景觀的需要，車站建筑更多地考慮造型美觀，構造采用輕鋼結構，且車站高度大約為15 m，因此與天線安裝結合會比較困難。另外，對天線安裝還應充分考慮城市的特殊氣候條件，如強風暴雨、強雷暴等危害，應確定較高的安全系數，做好防雷，保障系統安全運行。如采用鐵塔架設天線，鐵塔的架設位置及架

設高度須報請城市規劃有關部門批準。

1.3 方案分析

基站天線覆蓋方案的優點是節省投資，工程施工相對簡單，但缺點也非常突出。由于天線架設位置高，信號輻射強度大，抗系統內部干擾和外界干擾的能力差，對周邊環境也有較強的干擾，受強風和雷暴的影響非常大，鐵塔的日常維護(除銹防銹)和防盜也是一個問題。另外，天線安裝涉及到與建筑的結合和報市規劃部門批準，工程能否按設計方案實施在很大程度上是一個未知數。如果方案得不到批準，臨時變更方案將影響無線通信系統按時保質地順利開通。

2 基站天線+直放站天線方案

沿線高架區間場強覆蓋采用基站天線，該天線為定向、高增益的板式天線

(站廳站臺覆蓋仍采用吸頂式天線)。同上一方案，天線的安裝也需考慮與建筑結合，利用建筑的高度，在車站站房頂部或側墻高處安裝天線，盡量不影響車站的景觀。直放站天線利用線路兩側的護墻進行安裝。利用天線覆蓋實現全線場強覆蓋，基站天線+直放站天線方案的無線通信系統構成如圖2所示。

2.1 區間中繼

沿線場強覆蓋的特點與基站天線覆蓋方案相同，重點是對長大區間的處理。充分利用基站天線的覆蓋范圍，天線架設高度可統一按12 m(距地面)考慮。對于長大區間基站天線場強無法覆蓋的弱區，增加直放站+天線實現中繼。根據場強計算結果及經驗模型，區間長度大于3 km，可根據情況設置直放站，以補充場強覆蓋。

直放站分為光纖直放站和射頻直放站，二者的最大區別是主基站信號的傳輸方式，光纖直放站是通過光纖進行傳輸，而射頻直放站通過接收空間傳播的無線信號進行放大，從而擴大基站的覆蓋范圍。光纖直放站通過光纖傳輸信號，設置不受地理環境、天氣變化的影響，且主基站場強覆蓋范圍的調整不會影響光纖直放站的工作，因此性能穩定、覆蓋效果好、監測及維護方便。目前國產光纖直放站在移動公網及軌道交通中有廣泛和良好運用，故推薦采用光纖直放站覆蓋場強弱區。

圖2 基站天線+直放站天線方案無線通信系統圖

2.2 方案分析

由于基站天線和直放站天線與車站建筑和高架線路結合，不采用鐵塔和天線桿的安裝方式，因此不須報市規劃有關部門批準，對城市景觀的影響也不大，但天線信號輻射強度大的缺點依然存在，內外干擾不可避免，而且由于區間直放站的天線架設位置較低，車輛的車體也給區間會車帶來阻擋。特別是采用了光纖直放站，基站和光纖直放站頻率的配置相同，因此同頻干擾處理和信號平穩過渡就成了非常重要和非常困難的問題。

從圖3可以看到，為保證機車電臺在區間行駛過程中語音和數據通信的連續性和可靠性，基站和光纖直放站的天線覆蓋范圍應該有重疊區域 (圖3中A區域)。但由于基站和光纖直放站為同頻配置，因此，該區域是嚴重的同頻干擾區。工程實施過程中，為防止同頻干擾，必須通過調整天線方向和發射功率，盡量減少天線覆蓋的重疊區域，這一工作必須通過施工時精心的調校完成，而且后期維護時調校也將非常頻繁。但是，重疊區域的減少，又會給信號平穩過渡帶來影響，這是一個矛盾體，因此，該區域場強將極不穩定，嚴重時會影響行車調度指揮。

3 敷設漏纜方案

沿線高架區間采用敷設漏泄同軸電纜保證場強覆蓋，長大區間可采用直放站中繼+漏泄同軸電纜的方案實現場強覆蓋。漏泄同軸電纜覆蓋方案無線通信系統圖詳見圖4。

區間設備設置原則：根據漏泄同軸電纜的傳輸和耦合損耗指標進行計算，采用1－5/8"漏泄同軸電纜可滿足長度小于2.5 km區間的場強覆蓋;對于長度大于2.5 km的區間需增設直放站進行中繼。同方案2所述理由，采用光纖直放站可結合工程實際，考慮光纖直放站設置的地點。直放站的安裝可考慮固定在高架橋下方橋墩的一側，或靠近橋墩的地面設置設備房安裝。不論哪種安裝方式均需與高架橋專業結合。

圖3 基站和光纖直放站的天線覆蓋

如果列車的牽引采用接觸網方式，漏泄同軸電纜可結合接觸網的支柱選取合適的高度安裝;如果列車的牽引采用三軌供電或者有接觸網支柱但無法安裝，橋梁上也無安裝專門支柱架設漏泄同軸電纜的可能，那么，漏泄同軸電纜的敷設位置不可能太高，只能考慮在高架橋的兩側護墻內側或中間疏散平臺下方敷設。高架橋兩側護墻的內側通常為強電電纜的敷設橋架，漏泄同軸電纜敷設在此需考慮電磁干擾和維護人員安全防護等因素，可以通過專業協調加以解決，有一定的難度。另外，漏泄同軸電纜敷設在此，防止直擊雷的危害也是需重點研究的課題。中間疏散平臺下雖然是弱電電纜橋架，但由于疏散平臺為鋼筋混凝土結構，且與車體間的縫隙較小，對漏泄同軸電纜輻射的電波有一定的阻擋。因此，漏泄同軸電纜架設的位置應根據協調和測試的結果進行選擇。

圖4 漏泄同軸電纜覆蓋方案無線通信系統圖

表1 方案比較表

4 方案比選

通過上述方案介紹和分析，對高架區間采用基站天線覆蓋方案弊病較多，可不予考慮，應重點研究基站天線+直放站天線和敷設漏纜2個方案具體比較表見表1。這2個方案，各有優缺點，比較而言，漏泄同軸電纜方案沿線傳輸信號穩定，通信質量高，不易受外界干擾，也不會對環境產生較大的電磁危害，設備穩定，維護工作量少。而基站天線+直放站天線方案為空間傳播方式，易受外界干擾也易干擾外界;地鐵開通后，沿線城市建筑會日趨增加，可能阻礙軌道交通的電波傳播;另外，該方案區間同頻干擾的處理及信號平穩過渡的矛盾難以調和。

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Abstract:The way of space wave coverage based on installing antenna or laying of coaxial－cable leakage can be used to solve problems which related to weak wireless field of elevated railway in urban rail transit system．Combined with the repeater，various technical proposals about these problems could be derived．This paper mainly discusses three solutions，which respectively focus on setting up station antenna，installing station antenna and directly repeater station，and laying of coaxial cable leakage．

Key words:Wireless communication;Coverage;Technical solution

魏祥斌：中鐵第四勘察設計院集團有限公司 高級工程師430063 武漢

2012-04-24

(責任編輯：諸 紅)