光直放站在地鐵行業的應用研究

徐剛

摘 要：文章主要對光直放站在地鐵行業的應用進行研究，闡述了相關原理、設計思路和場景應用。光直放站是當前地鐵無線通信系統中的重要組成部分，對于信號的傳輸、放大和實施全網覆蓋，都起到極為重要的作用。所以，建設及維護部門只有具備對無線光直放站的設計、建構、原理、性能等方面的深刻認識，才能確保光直放站在無線通信中對信號優化起到實質作用，有效保障地鐵運營安全。

關鍵詞：光直放站;地鐵行業;應用研究

中圖分類號：U231.7 文獻標識碼：A

城市軌道交通發展至今，專網無線信號，主要利用中心集群交換機連接至基站，然后通過同軸泄露電纜和天線對隧道、車站及段場進行輻射傳播實現。但鑒于地鐵環境的特殊性和復雜性，都會造成一定的弱場甚至盲區，尤其較長的區間和廣闊的場區，都難滿足信號強度的需求。如直接增設基站，成本必然太高，基礎設施也較為復雜。因此，架設簡單的經濟型直放站，是解決地鐵無線通信網絡延伸和覆蓋能力的一種優選方案。其能滿足地鐵各種環境對信號的覆蓋要求，有效提高通信質量，解決掉話等問題[1]。

1 光直放站結構特點及原理

光直放站利用光纖作為介質進行信號傳輸，其將接收到的電信號轉換成光信號，并利用光纖傳輸后，再光電轉換復原成電信號發出。光直放站由兩個重要部分組成，即直接連接基站的近端機和覆蓋區的遠端機。其纜線敷設便利、傳輸損耗小，特別適合解決遠距離的信號覆蓋問題。

1.1 結構特點

光直放站的結構特點主要有：

可通過集群基站直接耦合輸入信號，信源較為純凈;

光纖介質傳輸，布線方便，頻帶寬，遠距離傳輸可達20km以上;

抗干擾能力強，且不對其他小區產生干擾;

一套近端機可掛接多套遠端機，場景適應性強，資源利用率高;

信號傳輸不受環境、天氣和施主基站覆蓋范圍的影響，工作穩定，覆蓋效果好。

集中管理功能，方便維護，光直放站應用構成圖如圖1所示。

圖1 光直放站應用構成圖

1.2 設備原理

光直放站主要含有射頻模塊、光模塊、合路器、雙工器等。近端機通過光模塊將基站射頻模塊發出的耦合信號轉換成光信號（下行鏈路），并通過光纖傳送給遠端機，同時通過光電轉換將遠端機射頻模塊發回的光信號（上行鏈路）恢復為射頻信號，再經過濾波、放大、控制處理發射給基站。同理，遠端機則是通過光模塊把接收到的下行鏈路光信號轉變為射頻信號，再對信號濾波、放大、控制、合路，最終信號通過重發天線發射對區域進行覆蓋，同時將天線接收到的信號（上行鏈路）進行電光轉換等處理，利用光纖傳送至近端機處理，光直放站原理圖如圖2所示。

圖2 光直放站原理圖

2 直放站工程設計原理

目前，在地鐵專網無線系統的設計中，常規方式是在沿線各車站、段場設置集群基站，并在長區間、段場車庫等信號薄弱區域增設光直放站，以完成場強的覆蓋加強。設計要求信號在滿足邊緣場強覆蓋所需余量的同時，盡可能減小干擾。環境中需要考慮列車高速移動過程中的多普勒頻移、多徑效應引起的快衰落、慢衰落、隧道效應、特殊環境的附加損耗和各類參數配置的影響等。

2.1 地鐵環境覆蓋指標

邊緣場強的最小接收電平門限主要是由“接收機的靈敏度”“95%時間、地點概率的場強瞬間衰落深度”以及“設計儲備余量”等三項標準考量。接收機動態參考靈敏度一般基站上行值為-106dBm、移動終端下行值為-103dBm;信號場強瞬時衰落深度取值10dB，設計儲備余量取值6dB。在滿足信噪比和可靠性（時間、地點覆蓋概率為95%）的前提要求下，無線覆蓋的最小接收電平取以下標準作為設計參數：

下行（從基站至便攜臺）每載波不低于-87dBm（在便攜臺天線輸入端）;

下行（從基站至車載電臺）每載波不低于-85dBm（在車載電臺天線輸入端）;

上行（從便攜臺或車載臺至基站）每載波不低于-90dBm（在基站輸入端）;

話音傳輸質量：3至4級話音質量（信噪比≥20dB）。

2.2 隧道區間設計原理

相鄰車站距離較長的區間，主要采用光直放站加漏泄同軸電纜（以下簡稱：漏纜）的覆蓋方式。在車站的機房設置光直放站近端機，同時在車站臨近上下行區間的適當位置設置光直放站遠端機，隧道與高架區間的軌旁兩側各敷設一條漏纜實現信號覆蓋。漏纜的覆蓋區域指標取決于“載波最大輻射功率”“移動臺最低接收電平”“移動臺最大發射功率”和“基站接收端的最小載噪比”等四項參數。下行（基站到移動臺）覆蓋范圍由前兩個參數決定;上行（移動臺到基站）覆蓋范圍則由后兩個參數決定[2]。

下行最大允許傳播損耗“”，移動臺最低接收電平的關系為：

其中，是每載波功率，“”是從基站輸出到漏纜輸入之間的總分布式損耗，而“”是移動臺最低接收電平，上行最大允許傳播損耗“”。

移動臺最大輸出功率的關系為：

其中，“”是移動臺的最大輸出功率，“”是從基站輸出到漏纜輸入之間的總分布式損耗，而“”是基站接收機靈敏度，用來估算覆蓋范圍最大允許的傳播損耗。“”是取下行和上行允許傳播損耗之間的小者。

其中，“”是漏纜的耦合損耗;“”是漏纜信號注入端到終端的整個傳輸損耗（插入損耗）;“”是損耗的各項冗余，包括列車穿透損耗、天線及身體損耗等;“”是快衰落冗余;“”是慢衰落冗余;“”是元件的統計冗余。

另外，隧道內漏纜的安裝環境、工藝也會對其插損和耦合損耗特性起到重要影響，特別是在隧道漏纜上的不同負荷和管道效應影響尤為明顯。參考IEC1196-4國際測試標準，地鐵隧道環境測量中值可選取50%、95%的耦合損耗數值，當漏纜長度為“”時可得出：

2.3 段場區域設計原理

光直放站在車輛段、停車場主要用于對鐵塔天線無法覆蓋到的車庫內部信號的增補，以保證整個段場范圍內的信號覆蓋質量。車庫中的股道多而密，會同時停放多列車輛，庫房的高度有限且頂棚等建筑材料對無線信號有一定的屏蔽效應，所以為保證庫內移動通話需求，都會采用室內分布系統的方案來滿足。

通常車庫采用天線陣的方式來完成信號的覆蓋，對少部分庫內的辦公區域，還需要根據建筑結構來具體分析。光直放站遠端機設置在庫內的公共開闊區，并用無源器件再次將信號進行分配，可采用耦合器、功分器等進行組合設計。天線的覆蓋距離與輸入天線功率、天線自身增益及周邊覆蓋區域環境有關，為確保信號覆蓋范圍無盲區，一般要求每個天線的覆蓋范圍半徑不大于30 m。鏈路場強可套用（5）信號空間傳播損耗公式計算。

3 光直放站典型案例

3.1 案例分析

南京地鐵3號線柳州東路站至上元門站為過江隧道區間，設計利用光直放站來解決超長區間的場強覆蓋問題，可作為地鐵行業較為典型的案例分析。

柳州東路站基站的收發信機分別通過射頻分路器、合路器與雙工器相連，其射頻信號再經過定向耦合器、功分器、饋線等分別送至站廳天線和區間漏泄電纜。同時，基站的射頻信號還通過定向耦合器分別送至光直放站近端機，經光電轉換后，通過光纖送至相應區間的光直放站遠端機。遠端機作為中繼將相應基站的射頻信號通過功分器、饋線分別送至區間漏纜，并于區間約3/4長度附近處與相鄰車站漏纜通過射頻跳線連接，構成相鄰基站的越區切換場強重疊區;另一端則與中繼源基站所屬的漏纜在區間約1/4長度附近處需斷開，并連接終端負載，以避免形成同頻干擾[3]，如圖3所示。

3.2 柳上區間工程設計原理

光直放站區間場強覆蓋計算需考慮末端場強切換余量、源基站漏纜末端與遠端機漏纜末端電平的平衡、漏纜傳輸損耗、耦合損耗、附加損耗以及多普勒頻移、多徑效應引起的快衰落、慢衰落余量等等，較為復雜。

光直放站區間段各站以沿線車載電臺下行最低接收電平≥-85dBm;便攜臺下行最低接收電平需≥-87dBm;上行最低接收電平≥-90dBm計算（各區段中點位置為漏纜鋪設的最末端點）。

柳州東路站至上元門站距離約3915 m，在上元門站設置光直放站近端機一套，經計算遠端機設置在區間中間位置（遠端機上下行各一套）。遠端機距離兩站約1957.5 m，并向兩端各鋪設1漏纜978.7 m，車站各向直放站遠端機方向鋪設1漏纜978.7 m，完成區間的場強覆蓋。經計算，遠端機至中點2區段對應的車載臺下行最低接收電平約-77.96dBm;車載臺上行最低接收電平約-73.96dBm;便攜臺上下行最低接收電平約-85.96dBm，均滿足要求。同理，其他區段計算結果也滿足標準要求，計算公式如表1所示。

4 結語

通過對無線光直放站的功能及原理的研究，能有效解決地鐵環境中無線通信覆蓋的弱場、盲區問題。分析南京地鐵3號線無線系統的設計搭建方案，印證了使用的可行性。光直放站對地鐵環境的無線網絡信號的優化效果良好，尤其對較長隧道區間的信號延伸補盲起到關鍵作用。隨著我國城市軌道交通的快速發展，地鐵網絡不斷向周邊延伸，城郊、跨地域線路的惡劣環境和超長區間等問題會不斷增多，無線通信的網絡優化工程是長期、艱巨和復雜的，需要在規劃設計和建設維護等各個環節中積極的研究、探討、改進，進一步完善地鐵無線通信系統，確保運營服務質量，提高經濟和社會效益。

參考文獻

[1] 何方.地鐵TETRA集群無線通信系統與政務網互聯方案研討[J].科技創新與應用，2014（21）：32-33.

[2] 李三江，蔣國華.城市軌道交通線網中心TETRA系統設計[J].計算機與網絡，2017，43（13）：69-72.

[3] 周承吳.廣州地鐵無線集群系統互聯互通解決方案[J].鐵道通信信號，2014，50（04）：67-69.