無線調車機車信號和監控系統車地通信弱場解決方案的應用分析

尚麟宇，馮 軍，楊華昌

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081）

近年來，隨著鐵路各級部門對調車作業安全的不斷重視，無線調車機車信號和監控系統（簡稱：STP）在全路各編組站、區段站和中間站均得到大量推廣應用，有效地降低了調車作業安全事故發生的頻數。STP由車載和地面設備組成，車、地設備間通過無線通信方式進行數據傳輸，實現調車作業安全防護功能。無線通信是車、地設備間進行數據交換的唯一途徑，是系統可靠性、穩定性的關鍵環節[1]。

隨著STP推廣應用，其運用車站的地形條件、周邊電磁環境、站場內建筑物遮擋等實際情況也日趨復雜多樣。目前，復雜站場環境下STP的場強覆蓋弱，進而影響系統車、地通信質量的問題，正成為STP設計、實施過程中的突出問題[2]。本文從增強發射端信號和改善接收端信號質量方面，比較幾種方案的優缺點，并結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 地面架設高增益天線

根據TJ/DW035-2014的要求，STP數傳電臺發射功率限值不大于5 W。目前，系統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增加無線信號的覆蓋范圍。這種方案的優點是施工量小，不必移設天線，不涉及饋線的重新鋪設。缺點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，并且需要考慮當地風力和天線防風等級的限制[4]。此外，由于信號只進行了3 dB的放大，通過無線信號接收強度計算公式RSS=Pt+Gr-Lc-Lbf （RSS：接收信號強度；Pt：發射功率；Gr：發射天線增益；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算公式 Lbf=32.5+20lgF+20lgD（D：距離；F：頻率）計算可知，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定的情況[5-6]。

2 機車天線增加地網

2.1 STP機車天線現狀

根據現場機車實際情況，STP機車天線普遍安裝在機車頂部。隨著無線通信在鐵路通信和調度系統中的廣泛使用，機車綜合無線通信系統、站場平面調車系統等均會在機車頂部安裝多部450 MHz、800 MHz甚至1.5 GHz天線。上述天線系統中，天線的收發性能都很優良，但多部天線在有限的開放空間并存便會引發電磁兼容的問題。當兩部天線位置相對較近時，它們間將產生電磁耦合，即兩根天線上產生互感電動勢，從而使天線的方向性圖發生畸變[7]。嚴重時會影響天線端口的輸入阻抗，導致發射機和天線的阻抗失配，大量電磁能量被反射，影響無線通信質量，甚至損壞發射機[8]。

2.2 STP機車天線改進方案

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

增加天線地網的方案，可以從改善天線反射面的方面提高天線的收發性能，進而提升STP車地通信質量。本文選取加裝了STP的DF7調車機，并對其車頂機車天線加裝地網前后的天饋系統電壓駐波比進行了測試，測試中電臺頻點選取在407 MHz～422 MHz區間，電臺發射功率為5 W，測試結果如圖1。

圖1 DF7調車機頂部STP天線加裝地網前后電壓駐波比

由圖1可以看出，試驗機車在測試頻段內，加裝天線地網后，天饋系統的電壓駐波比明顯優于加裝天線地網后。

3 增設干線放大器

3.1 STP增設干線放大器方案

干線放大器是一種對無線信號進行透明傳輸的信號放大裝置，由下行功放和上行低噪放組成。工程中，為節約設備成本，可將STP地面主、備機的信號經合路器合并后再通過干線放大器進行線性大功率放大，室外采用全向天線進行覆蓋，如圖2所示。該方案通過提高發射信號的強度，增加信號對遮擋物的穿透性，進而加大STP無線信號的覆蓋范圍。此外，干線放大器對上行信號也進行低噪放大以克服傳輸路徑損耗產生的STP地面主機上行接收機噪聲系數的惡化，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房，對STP上、下行無線信號進行放大，其上、下行增益可以根據現場情況獨立設置。干線放大器屬于有源信號放大裝置，信號增益最高可達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致的通信質量下降問題。干線放大器在實施時，不需要另外架設天線或鋪設通道，具有實施方便、布置靈活且信號增益高等優點。

圖2 增設干線放大器

3.2 STP增設干線放大器方案存在問題

但是，受其內部元器件特性的限制，干線放大器通常對入射信號的強度有嚴格的要求，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，信號經過放大后，在地面天線附近會形成場強很高的區域。目前，STP普遍采用的MDS SD系列電臺接收機靈敏度 BER為-60～101 dBm，也就是說當電臺接收到的信號強度過高時，接收機的靈敏度也會降低，并導致誤碼率升高，這種情況同樣會降低無線通信的質量。

因此，在工程設計和實施過程中，使用干線放大器的關鍵是應綜合考慮在保證信號放大以增大覆蓋范圍的同時，又不使天線附近信號強度過高，以致影響接收機的靈敏度。

4 光纖直放站及其在STP中的應用

在STP的建設中，遇到長距離站場的邊界、隧道內、專用線庫區內等無法通過簡單增大信號強度解決無線信號覆蓋弱場甚至是盲點問題的情況時，通常只能通過增加地面主機設備的方案實現無線信號的覆蓋。當受客觀條件限制無法增加地面主機設備時，就需要考慮部署光纖直放站設備。

4.1 光纖直放站設備的基本原理

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中轉設備，由近端機、光纜、遠端機、天線及相關的配件構成。其基本功能就是把基站信號延伸到設備原本覆蓋不到的弱場區，如隧道、山體遮擋區域等，同時也把遠端機中繼過來的信號傳送給基站，實現無線信號覆蓋的連續性。光纖直放站上行傳輸信號的過程是：利用遠端天線把車載臺的信號輸入遠端機，放大車載臺信號至≤0 dBm，集成在遠端機中的光端設備將射頻信號轉換為光信號后利用光纖送至近端機中，再由集成在近端機中的光端設備把光信號還原成射頻信號，最后經過耦合器送至基站。下行傳輸信號的過程是：近端機從基站耦合≤10 dBm的射頻信號，集成在近端機中的光端設備將射頻信號轉換為光信號后利用光纖送至遠端機，再由集成在遠端機中的光端設備將光信號還原成射頻信號后，經過功率放大，通過遠端天線將信號覆蓋至弱場[11]。下行接收場強為：Prm=P0+Ga-LS-Lp，式中，Prm為車載臺接收信號場強（單位：dBm），P0為遠端機發射功率（單位：dBm）（可結合實際進行設置，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，遠端機接收場強與下行計算方式一致（從近端機輸入基站的信號強度可結合實際進行設置，應注意不超過基站接收機的上限）[12-13]。

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

4.2 光纖直放站應用于STP的方案

光纖直放站近端機安裝于STP地面設備所在的鐵路信號機房，也可視情況部署在通信機房，通過定向耦合器和同軸電纜與STP地面設備連接；遠端機安裝位置選址，需對弱場區域進行調研，保證遠端機的信號能夠對弱場區域進行覆蓋。根據現場條件，遠端機可采取室內機房安裝或室外鐵塔安裝兩種方式[15]。

4.3 移頻光纖直放站應用于STP的方案

光纖直放站在應用于STP時，應注意基站信號與遠端機信號應盡量隔離，以避免兩者疊加產生干擾而形成站場內高誤碼率的區域。在現場應用中，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則可以解決這一問題。

移頻光纖直放站是利用變頻技術，把基站信號f1頻率延伸到基站設備覆蓋不到的弱場區的遠端機，在遠端機將f1頻率信號變頻到f2頻率信號后再對弱場區進行蓋。在基站信號和遠端機信號重疊區域，車載設備以頻率f1或f2與地面設備通信，有效規避了同頻干擾的問題，如圖3所示。

圖3 移頻光纖直放站應用

5 結束語

無線通信質量是STP可靠性、穩定性的關鍵。解決弱場覆蓋問題對提升STP無線通信質量意義重大。通過地面架設高增益天線、增加機車天線地網、地面增加干線放大器和增設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用中出現的同頻干擾問題，提出移頻光纖直放站的方案，在擴大STP車地通信覆蓋范圍的同時，有效避免同頻信號干擾，從而保證系統車地通信質量。隨著機車加裝設備的增加，鐵路無線電頻點資源日趨緊張，臨道干擾現象時有發生。增加發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。