基于前后端分離的鐵路室內無線通信覆蓋的可視化研究

王昕

【摘要】? ? 本文從我國通信無線室內覆蓋系統主流方案、組成結構、覆蓋原則等基本原理出發，簡單闡述了我國鐵路移動通信系統室內覆蓋的設計流程，針對實際的工程設計中個別環節存在的問題，基于動態配置設計參數及設計方案可視化等需求，提出基于前后端分離的鐵路室內無線覆蓋系統設計的可視化方案，以供鐵路數字化、智能化建設行業相關工作人員參考。

【關鍵字】? ? 鐵路無線通信? ? 室內無線覆蓋設計? ? 前后端分離? ? 數據可視化

引言：

近年來，一大批新型現代化鐵路客站陸續開通運營，此類客站的特點是占地面積大、功能劃分精細、結構復雜，對無線通信信號在鐵路客運站的室內覆蓋工作提出了新的需求;同時在全球數字化、信息化飛速發展的大背景下，各行業對業務自動化、數據可視化的需求不斷加強，提高生產效率成為企業發展自身市場競爭力的重要一環，因此，對于鐵路工程設計單位來說，生產設計、經營管理等各類業務流程數字化升級勢在必行。

本文提出基于web的鐵路室內無線覆蓋可視化設計平臺的開發思路，應用前后端分離技術，設計人員可通過移動、PC端查看工程系統數據、并根據實際拓撲網絡結構實時修改室內無線覆蓋系統設備參數及信號頻率分布方案，后端獲取到前端數據進行處理計算存儲后渲染到前端，可視化展現覆蓋方案數據流動的同時，也可降低后期方案修改而產生的設計時間成本。

一、鐵路移動通信室內覆蓋

（一）室內無線覆蓋系統

室內無線覆蓋一種是保證室內區域實現理想信號覆蓋的移動通信子系統[1]，無線通信信號通過室外信源進入室內，會產生穿透損耗，一些大型的樓宇建筑通常采用室內分布系統將信源的反射功率信號按不同鏈路均勻地進行分配，實現室內區域的有效覆蓋，室內無線覆蓋系統通常包括信號源和室內分布系統兩部分。

常見的信號源按移動通信系統劃分主要有GSM系統[2]、CDMA系統、WCDMA系統、LTE系統等，按信源接入設備劃分，可以分為宏蜂窩接入、微蜂窩接入及直放站接入等信源接入技術。室內分布系統按接入信源可以劃分為傳統分布系統（DAS）、新型分系統以及多源融合分布系統等類型，按目前我國室內無線覆蓋仍以傳統分布系統為主。

根據分布天線類型劃分，傳統室內分布系統可分為無源系統和有源系統。無源系統指系統由耦合器、功分器、合路器、POI等無源器件和饋線構成，系統各環節不加入有源設備和器件。其結構和性能相對平穩、系統建維簡單、成本較低，但后期不易運維。有源結構指系統建設過程中，為了增加系統的覆蓋能力，加入了有源器件和設備，但需要電源進行供電，建設難度高、系統穩定性較差。因此，傳統的室分系統大部分為無源結構。

（二）鐵路室內無線覆蓋需求

目前大型鐵路客運站由于區域功能劃分精細、站房結構復雜，對各種系統的室內覆蓋要求也不盡相同，一般要求提供GSM-R系統、450MHZ無線列調系統、移動GSM900M、移動TD-LTE、電信CDMA888M、聯通WCDMA等的覆蓋。

其中，GSM-R系統用于提供鐵路通信、數據傳輸及特定專網業務的通信傳輸，需要實現車站附近區間及站房內的無線覆蓋;450MHZ無線列調系統覆蓋主要設于站臺層;各類公網室內無線覆蓋主要用于各類多媒體客運服務的數據傳輸和通信業務。本研究主要以鐵路GSM-R系統的室內覆蓋設計為例，進行室內覆蓋系統設計過程中數據動態配置及前端展示研究。

（三） 鐵路室內無線覆蓋原則及設計參數

1.鐵路無線室內覆蓋的設計原則

鐵路客站無線覆蓋應遵循以下基本設計原則：

（1）保證信號覆蓋質量的基礎上，考慮經濟成本，結合業務發展趨勢，合理選擇信號源;

（2）若非必要不新設基站，一般接入信號覆蓋區域附近基站，以滿足室內覆蓋容量需求;

（3）根據覆蓋區域特點，在保證無線覆蓋質量的前提下，優化天線數量;

（4）保證室內覆蓋信號嚴格控制在限定范圍內，不能對沿線GSM-R網絡產生干擾。

2.鐵路無線室內覆蓋相關設計參數

鐵路客運站房GSM-R室內覆蓋系統設計內容主要包括信號源設置、分布器件的安裝以及天饋系統的布設。以直放站信源接入結合無源分布系統為例，需要根據各不同鏈路信號衰耗、無源器件性能參數、饋線參數、天線輸出功率等，進行室內分布系統方案的確定。

（1）鏈路損耗計算

對鐵路站房內各層站廳、候車廳、走道等室內區域進行GSM-R網絡覆蓋，其電波傳播環境近似自由空間傳播環境，按以下公式計算空間損耗。

LS（dB）=20lg（f）+20lg（d）-27.6

其中，d為傳輸距離，單位m;f為電波頻率，單位MHz（取900MHz），由此得出不同距離的空間損耗如表1所示。

GSM-R移動手持臺最終接收電平為天線口輸出功率經過空間損耗、阻擋損耗、多經損耗后的剩余輸出功率，一般不可小于-75dBm，帶入上述參數計算，GSM-R室內覆蓋工程設計室內全向天線覆蓋半徑按15m考慮，則天線口輸出功率取之約10dBm，定向天線覆蓋距離半徑按100m考慮，則天線口輸出功率按21dBm左右控制。

（2）無源器件

站房GSM-R室內覆蓋系統無源器件選取常用的二功分器、三功分器、耦合器（5dB、6dB、7dB、10dB、15dB和20dB），將光纖直放站遠端機的功率分配至各個天線，以滿足各天線輸出功率要求。無源器件頻率適用范圍包括885～889MHz和930～934MHz;阻抗為50Ω;功率容量不小千200W;無源互調及隔離度等性能指標滿足分布系統要求。

（3）饋線

本室內覆蓋系統采用的線纜主要包括1/2"跳線、1/2"射頻同軸電纜和7/8"射頻同軸電纜，頻率適用范圍包括885～889MHz和930～934MHz;阻抗為50Ω;外護套使用低煙無鹵阻燃材料。

（4）天線

本室內覆幢系統采用室內全向天線和室內定向天線2種天線。其頻率適用范圍包括885～889MHz和930～934MHz;輸入阻抗為50Ω;極化方式為垂直極化;功率容量不小于50W。

二、鐵路室內無線覆蓋可視化系統平臺整體設計

（一）鐵路室內無線覆蓋設計流程

鐵路室內無線覆蓋系統勘察設計流程如圖1所示。

（二）需求分析

通過對于鐵路室內無線覆蓋設計工作的流程進行分析，此項工作的關鍵在于分布系統的結構設計及輸出功率的分配，當客運站占地面積大、功能分區復雜時，各類無源設備的合理布設顯得尤為重要。然而，從某大型鐵路客運站的室內覆蓋方案的拓撲結構可以看出，分布系統的設備的布設難度隨著客運站房的分區數量呈指數型增長，各設備之間數據相互影響，任意局部數據的調整都將使得全局數據發生改變，人工測算難度大、耗時長，生產效率低下。

綜合上述需求，本文提出了基于前后端分離的鐵路室內無線通信覆蓋的可視化的研究思路[6]，將設計過程數據通過前后端分離的方式進行整體動態計算、關聯存儲和前端渲染，直觀展現設計過程數據變動情況的同時，大大降低了錯誤率、減少設計人員復盤返工時間。

1.用戶群分析

根據上文中對于鐵路室內覆蓋可視化系統的背景及目標介紹，該系統的用戶群可分為系統管理員、普通設計用戶、訪客人員三類。系統管理員用戶主要負責系統全端的整體管理，同時需要進行系統模塊功能、數據及用戶狀態的運維;普通設計用戶是平臺系統的主要使用者，具備一定程度的專業基礎，對室內覆蓋的工作流程十分熟悉，是平臺系統的操作、使用反饋等數據的主要產生用戶;訪客人員是可視化設計平臺的參觀者，具備的操作權限簡單流暢，僅具有少部分系統的訪問瀏覽權限。

2.總體功能需求

平臺系統主要的功能需求包括：頁面可視化動態配置、數據源配置、頁面管理、用戶管理。

頁面可視化動態配置功能為用戶提供可視化系統全流程配置功能，僅對普通設計用戶及管理員用戶開發;數據源配置功能同樣面向可登錄的設計人員用戶及管理員用戶，可以進行前端手動輸入數據、數據庫數據、mock數據以及本地上傳數據等數據源的配置;頁面管理功能屬于公共功能，但訪客只有讀取的權限，查看和試用，此功能主要為正式用戶提供較快的視圖加載和數據渲染速度，優化用戶體驗;用戶管理功能為管理員用戶專項權限，用戶管理和維護系統平臺用戶的數據和狀態。

3. 非功能需求

本系統的非功能需求表現為較高的系統穩定需求以及較快的響應渲染速度需求[7]。

（三）框架設計

如圖2所示，本文采用MVC（Model、View、Controller）前后端分離技術框架實現數據的可視化配置，View層負責前端的頁面數據展示和用戶交互，Model層后端負責數據的處理和計算，Controller層進行后端數據與前端頁面的數據傳輸和關鍵邏輯功能的實現。此類前后端分離框架模式可以增強整體系統的穩定性、擴展性及維護性。

三、關鍵技術

隨著通信傳輸和互聯網技術的快速發展，web端應用系統越來越受到企業和技術人員的青睞，各種技術框架廣泛用于各類大中型系統的開發中。本系統在開發過程中，基于Nodejs的技術環境，采用Vue、ECharts、Antv_g6等框架庫進行前端頁面展示，通過前端用戶交互及數據源初始化配置進行前后端數據傳輸，通過控制層將相關設計用戶、天饋系統設備及操作行為等數據與傳輸數據進行關聯，進而將其存入mysql庫中適當的數據關系表內，并在需要時進行數據運算和輸出，已實現后端數據的前端動態化展示。

（一）Nodejs

Nodejs是一種開源、跨平臺的JavaScript運行環境，其性能方面優勢突出。Nodejs原生模塊及操作大多為異步的，這極大地提高了任務的流暢性，編程模型效率很高;其次Nodejs的事件驅動模式使得項目開發流程變得簡潔，事件之間的協作能力很強;僅支持單線程的編程方式使得許多例如同步狀態問題、資源死鎖問題等被輕松規避。

（二）Vue

Vue是一種側重于視圖層開發的、可提供MVVM（Model-View-View-Model）風格的雙向數據綁定JavaScript框架庫，其可實現View層與Model層之間搞笑的數據映射和綁定，為開發人員節省了很多DOM的過程，提高了項目的開發效率。

（三）ECharts

ECharts（Enterprise Charts）意為商業級數據圖表，其基于輕量級圖形類庫zrender繼續開發，在先前創建的9個基礎組件的基礎上，提供了豐富的圖表類型，是一個純正的JavaScript圖表庫。它支持直角坐標、極坐標、地理坐標等多種坐標系;具有布局、操作優化的移動端界面;通過提供豐富的用戶交互組件以進行深度交互式數據探索;可以在某些圖表中輕松展現大規模數據量;框架為數據驅動，通過數據的改變驅動圖表視圖改變，輕松實現數據的動態化展示。

四、結束語

本文基于web前端分離技術對鐵路客運站室內無線覆蓋數據可視化動態配置進行了研究，首先，基于鐵路無線室內覆蓋需求，介紹了鐵路移動室內通信覆蓋的設計原則及技術參數，進而通過對我國現階段鐵路無線室內覆蓋勘察設計流程的梳理，闡明了鐵路無線室內覆蓋系統的可視化設計的必要性。此外，針對可視化系統的需求，設計了基于前后端分離模式的技術框架，并對無線室內覆蓋可視化組件開發技術以及前端實現等關鍵技術進行了探究。

實際應用表明，本文的無線室內覆蓋可視化方案在一定程度上滿足了勘察設計業務對可視化組件靈活性、可移植性要求，為其他業務提供了便捷，為鐵路通信勘察設計可視化建設提供了前瞻性的試驗和探索。隨著鐵路勘察設計行業數字化、信息化的發展，對數據可視化要求會逐步提高，該平臺系統功能也將不斷迭代更新與完善。

參? 考? 文? 獻

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[3]李炎， 馬俊明， 安博，等. 一個基于Web的輕量級大數據處理與可視化工具[J]. 計算機科學， 2018， 45（9）：6.

[4]張勝， 施榮華， 趙穎. 基于多元異構網絡安全數據可視化融合分析方法[J]. 計算機應用， 2015， 35（5）：1379-1384.

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