微波在鐵路建設期通信工程中的應用研究

張文杰，馮曉衛，李旭，王礪鏑，楊鵬，李巍

（1.中咨泰克交通工程集團有限公司，河北 保定 072750；2.中國路橋工程有限責任公司，遼寧 沈陽 110105）

鐵路通信傳輸網絡是鐵路行業賴以運轉的核心平臺之一，是鐵路內部的“信息高速公路”，鐵路通信傳輸網絡的容量很大程度上決定了列車的開行對數和密度，通信網絡在鐵路系統中具有重要地位。

由于微波通信具有頻帶寬、攜帶信息量大、受外界干擾小、建站快、投資較少等優點，人們早就想以微波作為通信的傳輸手段。微波具有近似光波的特性,像光線一樣，傳輸路線是徑直向前的，而且它的反跳能力極強，一遇到阻擋物，就被反射回來。因此，微波只能在空中傳播，并且微波通信需要采用接力的辦法，通過建立中繼站實現遠距離通信。盡管如此，微波通信在鐵路通信網絡中仍得到了廣泛采用，本文對微波通信在鐵路建設期中的應用進行了詳細分析。

1 微波通信技術

如今，雖然以光纖通信為主的有線傳輸網絡占據主導，但在某些特殊應用場景下，我們仍然離不開微波通信方式。例如偏遠地區，布設有線傳輸難度太大或成本過高，又或者發生自然災害，光纖傳輸遭到損壞。相對于光纖通信來說，微波仍然具有很多無法替代的優勢。例如成本低、抗災害能力強等。表1為微波通信和光纖通信之間特點的對比。

我們通常說有三大傳輸系統：光纖通信、微波通信、衛星通信。實際上，衛星通信也是微波通信的一種。而電磁波通信，一般可以分為廣播方式和點對點方式，我們所說的微波通信，屬于后者。采用點對點的方式，主要是由于微波具有頻率高、波長短的特性。這種類型的電磁波，繞射能力很差，穿透力很差，在地表傳輸時，衰減很大，傳輸距離短。電磁波除了在地面沿空氣傳播外，還可以利用天空中電離層反射的方式進行遠距離傳播。但微波仍然無法利用這種方式。因為微波的頻率太高，以至于電離層無法有效反射（只能穿透）。所以，微波傳輸幾乎只能進行視距傳輸。但視距傳輸，除了容易受山體或建筑物等影響外，還會受到地球表面弧度的限制。因此，微波通信存在距離限制。通常來說，如果微波天線掛在正常高度的鐵塔上，它的傳輸距離就是50km。如果進行遠距離傳輸，就必須進行“接力”，也就是說，需要設置微波中繼轉接站。微波中繼轉接站接收到前一站的微波信號，加以放大等處理，再轉發到下一站去，就像接力賽跑一樣，直到抵達最終收信端。也正是因為這個傳輸特點，微波通信經常被稱為微波中繼通信，或微波接力通信。根據上述可知，微波天線距離地面越高越好。

表1 微波通信和光纖通信對比

對于微波設備的組成，一般來說，微波設備主要由IDU、ODU、中頻電纜、天線等部分組成。其中中頻是指發射機將信號載波變換成發射頻率，或者將接收頻率變換成基帶的一個中間頻率，一般由系統架構決定。而射頻，就是天線發射出去的、在空中傳播的電磁波信號頻率。

2 鐵路通信技術

鐵路是我國重要的運輸方式，在促進我國社會經濟發展中發揮了重要的作用。其中通信工程是鐵路系統中的重要組成部分，一個網絡穩定、安全可靠的通信系統，可以保證各項鐵路調度指令、通信數據能夠被準確傳達，保證鐵路系統的正常生產運行。

隨著我國鐵路列車的速度不斷提高，對通信要求也越來越高，以往的鐵路通信網大多采用的都是有線接入，這已經無法滿足列車不斷提速對通信網絡的要求。為此，無線接入網必定會成為鐵路通信工程的首選。在鐵路的建設期，應針對鐵路項目的實際情況和通信需求，選擇合適的通信方案，同時具有高速、安全的優點，而且價格合理、傳輸質量也能得到可靠保證。在通信組網的過程中，應當充分考慮經濟性和實用性，而且還要考慮鐵路將來的發展需求。目前，接入網在鐵路通信工程中占有較大的比重，既有無線接入網，也有有線接入網，它們的使用為鐵路通信帶來了極大的便利。采用先進的、現代化的有線和無線通信的傳輸和接入方式，實現鐵路通信網的升級，適應信息社會的發展，發揮鐵路通信網在國民經濟中的社會效益和經濟效益。

3 鐵路建設期通信方案設計

目前搭建鐵路骨干的無線通信鏈路主要有四種技術方式，一是衛星技術，二是無線集群技術，三是微波技術，四是無線網橋技術。在建設鐵路通信網絡時，采用衛星技術搭建骨干通信鏈路施工簡單，但衛星通信是按空中帶寬收取費用，而鐵路建設期內所涉及的業務類型多、數量大，對通信鏈路帶寬要求極高，采用衛星組網使用費昂貴。基于TD-LTE技術的無線集群可實現大范圍的無線覆蓋，方便終端用戶無線接入，為實現大范圍無線覆蓋需建鐵塔，因此不僅施工期長，造價成本高，而且帶寬僅有6Mbps。5.8GHz微波在保證60Mbps的高帶寬傳輸的前提下，傳輸距離可達30km，基站只需20米高的立柱建設即可。綜上分析，采用“5.8GHz微波+無線網橋”搭建骨干通信鏈路為最佳方案。本鐵路項目的沿線全長約480km，沿線距離比較長，并且點位比較多，所以保證系統的可靠性傳輸是首要設計原則，因此本方案采用“衛星+微波+網橋組合方案”組成三層通信鏈路。

其中第一層通信鏈路采用衛星網絡。衛星地面站分別布設在分指揮部1、分指揮部2、內羅畢總指揮部、北京。因其衛星通信鏈路的高可靠性，可以克服天氣影響和地質災害等突發狀況，只要地面站存在，衛星通信鏈路不會出現斷路，保證了分指部與總指部的可靠通信。但鑒于衛星通信的收費標準高，是按空中帶寬來計費的，而本項目的業務量多，所需帶寬大，采用全衛星組網費用昂貴，因此本設計方案僅在4個重要的核心站點建立衛星地面站，保證分指部、總指部、北京總部之間的通信可靠，來實現視頻會議與應急通信。第二層通信鏈路為一級點之間搭建通信鏈路，并采用微波設備組網。本項目總指揮部設在鐵路沿線終點即內羅畢，為實現內羅畢總指揮部可以監控調度指揮各項目部，隨時調看各標段的監控圖像，需在7個一級點之間建立一條通信鏈路。本項目共有7個一級點且彼此相距甚遠，為保證7個一級點之間的通信，本方案采用電信級的微波設備以中繼的方式實現遠距離傳輸。理論上微波設備可達到50～60km的傳輸距離和300Mbps的理論帶寬，但經實踐應用驗證，遠距離傳輸導致帶寬損耗特別嚴重?？紤]到項目的野外特殊環境，為保證60Mbps的高帶寬，微波設備的傳輸距離應控制在30km為宜，在特殊地形地貌處，還需另加網橋中繼。第三層通信鏈路為二級點之間搭建通信鏈路，采用無線網橋組網。經項目管理需求分析，一級點需要管理多個二級點，二級點的所有業務需上傳至一級點進行存儲。一級點位于管理標段的中間位置，為方便被管理的二級點的業務上傳，有兩種組網方式即星形組網和鏈式組網，因其星形組網所需設備較多造成管理不方便，本方案采用鏈式組網實現二級點業務上傳至一級點。鏈式組網采用無線覆蓋與無線傳輸一體化的多射頻設備，2.4GHz無線覆蓋技術使得二級點附近的終端用戶方便接入網絡，二級點的業務經匯聚后，采用5.8GHz無線傳輸技術可以實現數據的遠距離傳輸?？紤]設備的取電便捷，本層通信鏈路的基站選址基本布設在鐵路沿線的場區附近。

對于采用微波設備組網部分，為保證60Mbps的傳輸帶寬，微波設備的傳輸距離選擇30km為宜，本鐵路項目共有7個一級點且相距甚遠，需采用中繼的方式實現遠距離傳輸，其中一級點之間通信鏈路如下圖1所示。

圖1 一級點之間通信鏈路

基于經濟的設計原則，本方案在一級點中繼站址的選擇時，盡量將其選擇在二級點場區內，實現取電便捷，管理檢修方便，一級點中繼設備采用5.8GHz的微波設備進行傳輸。由上述可知，微波在鐵路建設期通信工程中扮演著重要的角色。采用5.8GHz微波+無線網橋的通信方案，在組網的靈活性方面，搭建一主一備兩條鏈路，如果一條鏈路出現故障，可以通過另外一條鏈路進行傳輸，同時在每個場區建立2.4Gwifi覆蓋，實現場區的無線連接。同時立柱比較低，維護調試方便、靈活。

4 結語

微波屬于電磁波，它和長波、中波、短波都屬于電磁波，在鐵路通信系統中的很多場合中都得到了應用。本文所述的通信方案具有方案造價低、帶寬富裕、無線組網靈活、網絡拓展升級方便、無線設備可統一集中管理等優點，并且施工方便，網絡互連可靠，同時網絡具備可擴展性，對鐵路通信系統的建設具有一定的作用和價值。