微波在鐵路建設(shè)期通信工程中的應(yīng)用研究

張文杰，馮曉衛(wèi)，李旭，王礪鏑，楊鵬，李巍

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

鐵路通信傳輸網(wǎng)絡(luò)是鐵路行業(yè)賴以運(yùn)轉(zhuǎn)的核心平臺(tái)之一，是鐵路內(nèi)部的“信息高速公路”，鐵路通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的容量很大程度上決定了列車的開行對(duì)數(shù)和密度，通信網(wǎng)絡(luò)在鐵路系統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)，人們?cè)缇拖胍晕⒉ㄗ鳛橥ㄐ诺膫鬏斒侄?。微波具有近似光波的特?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(qiáng)，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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。盡管如此，微波通信在鐵路通信網(wǎng)絡(luò)中仍得到了廣泛采用，本文對(duì)微波通信在鐵路建設(shè)期中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 微波通信技術(shù)

如今，雖然以光纖通信為主的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)占據(jù)主導(dǎo)，但在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)景下，我們?nèi)匀浑x不開微波通信方式。例如偏遠(yuǎn)地區(qū)，布設(shè)有線傳輸難度太大或成本過高，又或者發(fā)生自然災(zāi)害，光纖傳輸遭到損壞。相對(duì)于光纖通信來說，微波仍然具有很多無法替代的優(yōu)勢(shì)。例如成本低、抗災(zāi)害能力強(qiáng)等。表1為微波通信和光纖通信之間特點(diǎn)的對(duì)比。

我們通常說有三大傳輸系統(tǒng)：光纖通信、微波通信、衛(wèi)星通信。實(shí)際上，衛(wèi)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，我們所說的微波通信，屬于后者。采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式，主要是由于微波具有頻率高、波長(zhǎng)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(shí)，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(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播。但微波仍然無法利用這種方式。因?yàn)槲⒉ǖ念l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(jìn)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(huì)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(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，就必須進(jìn)行“接力”，也就是說，需要設(shè)置微波中繼轉(zhuǎn)接站。微波中繼轉(zhuǎn)接站接收到前一站的微波信號(hào)，加以放大等處理，再轉(zhuǎn)發(fā)到下一站去，就像接力賽跑一樣，直到抵達(dá)最終收信端。也正是因?yàn)檫@個(gè)傳輸特點(diǎn)，微波通信經(jīng)常被稱為微波中繼通信，或微波接力通信。根據(jù)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(duì)比

對(duì)于微波設(shè)備的組成，一般來說，微波設(shè)備主要由IDU、ODU、中頻電纜、天線等部分組成。其中中頻是指發(fā)射機(jī)將信號(hào)載波變換成發(fā)射頻率，或者將接收頻率變換成基帶的一個(gè)中間頻率，一般由系統(tǒng)架構(gòu)決定。而射頻，就是天線發(fā)射出去的、在空中傳播的電磁波信號(hào)頻率。

2 鐵路通信技術(shù)

鐵路是我國(guó)重要的運(yùn)輸方式，在促進(jìn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用。其中通信工程是鐵路系統(tǒng)中的重要組成部分，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、安全可靠的通信系統(tǒng)，可以保證各項(xiàng)鐵路調(diào)度指令、通信數(shù)據(jù)能夠被準(zhǔn)確傳達(dá)，保證鐵路系統(tǒng)的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

隨著我國(guó)鐵路列車的速度不斷提高，對(duì)通信要求也越來越高，以往的鐵路通信網(wǎng)大多采用的都是有線接入，這已經(jīng)無法滿足列車不斷提速對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求。為此，無線接入網(wǎng)必定會(huì)成為鐵路通信工程的首選。在鐵路的建設(shè)期，應(yīng)針對(duì)鐵路項(xiàng)目的實(shí)際情況和通信需求，選擇合適的通信方案，同時(shí)具有高速、安全的優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格合理、傳輸質(zhì)量也能得到可靠保證。在通信組網(wǎng)的過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，而且還要考慮鐵路將來的發(fā)展需求。目前，接入網(wǎng)在鐵路通信工程中占有較大的比重，既有無線接入網(wǎng)，也有有線接入網(wǎng)，它們的使用為鐵路通信帶來了極大的便利。采用先進(jìn)的、現(xiàn)代化的有線和無線通信的傳輸和接入方式，實(shí)現(xiàn)鐵路通信網(wǎng)的升級(jí)，適應(yīng)信息社會(huì)的發(fā)展，發(fā)揮鐵路通信網(wǎng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3 鐵路建設(shè)期通信方案設(shè)計(jì)

目前搭建鐵路骨干的無線通信鏈路主要有四種技術(shù)方式，一是衛(wèi)星技術(shù)，二是無線集群技術(shù)，三是微波技術(shù)，四是無線網(wǎng)橋技術(shù)。在建設(shè)鐵路通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，采用衛(wèi)星技術(shù)搭建骨干通信鏈路施工簡(jiǎn)單，但衛(wèi)星通信是按空中帶寬收取費(fèi)用，而鐵路建設(shè)期內(nèi)所涉及的業(yè)務(wù)類型多、數(shù)量大，對(duì)通信鏈路帶寬要求極高，采用衛(wèi)星組網(wǎng)使用費(fèi)昂貴?；赥D-LTE技術(shù)的無線集群可實(shí)現(xiàn)大范圍的無線覆蓋，方便終端用戶無線接入，為實(shí)現(xiàn)大范圍無線覆蓋需建鐵塔，因此不僅施工期長(zhǎng)，造價(jià)成本高，而且?guī)拑H有6Mbps。5.8GHz微波在保證60Mbps的高帶寬傳輸?shù)那疤嵯拢瑐鬏斁嚯x可達(dá)30km，基站只需20米高的立柱建設(shè)即可。綜上分析，采用“5.8GHz微波+無線網(wǎng)橋”搭建骨干通信鏈路為最佳方案。本鐵路項(xiàng)目的沿線全長(zhǎng)約480km，沿線距離比較長(zhǎng)，并且點(diǎn)位比較多，所以保證系統(tǒng)的可靠性傳輸是首要設(shè)計(jì)原則，因此本方案采用“衛(wèi)星+微波+網(wǎng)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(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星地面站分別布設(shè)在分指揮部1、分指揮部2、內(nèi)羅畢總指揮部、北京。因其衛(wèi)星通信鏈路的高可靠性，可以克服天氣影響和地質(zhì)災(zāi)害等突發(fā)狀況，只要地面站存在，衛(wèi)星通信鏈路不會(huì)出現(xiàn)斷路，保證了分指部與總指部的可靠通信。但鑒于衛(wèi)星通信的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)高，是按空中帶寬來計(jì)費(fèi)的，而本項(xiàng)目的業(yè)務(wù)量多，所需帶寬大，采用全衛(wèi)星組網(wǎng)費(fèi)用昂貴，因此本設(shè)計(jì)方案僅在4個(gè)重要的核心站點(diǎn)建立衛(wèi)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(shí)現(xiàn)視頻會(huì)議與應(yīng)急通信。第二層通信鏈路為一級(jí)點(diǎn)之間搭建通信鏈路，并采用微波設(shè)備組網(wǎng)。本項(xiàng)目總指揮部設(shè)在鐵路沿線終點(diǎn)即內(nèi)羅畢，為實(shí)現(xiàn)內(nèi)羅畢總指揮部可以監(jiān)控調(diào)度指揮各項(xiàng)目部，隨時(shí)調(diào)看各標(biāo)段的監(jiān)控圖像，需在7個(gè)一級(jí)點(diǎn)之間建立一條通信鏈路。本項(xiàng)目共有7個(gè)一級(jí)點(diǎn)且彼此相距甚遠(yuǎn)，為保證7個(gè)一級(jí)點(diǎn)之間的通信，本方案采用電信級(jí)的微波設(shè)備以中繼的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。理論上微波設(shè)備可達(dá)到50～60km的傳輸距離和300Mbps的理論帶寬，但經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用驗(yàn)證，遠(yuǎn)距離傳輸導(dǎo)致帶寬損耗特別嚴(yán)重。考慮到項(xiàng)目的野外特殊環(huán)境，為保證60Mbps的高帶寬，微波設(shè)備的傳輸距離應(yīng)控制在30km為宜，在特殊地形地貌處，還需另加網(wǎng)橋中繼。第三層通信鏈路為二級(jí)點(diǎn)之間搭建通信鏈路，采用無線網(wǎng)橋組網(wǎng)。經(jīng)項(xiàng)目管理需求分析，一級(jí)點(diǎn)需要管理多個(gè)二級(jí)點(diǎn)，二級(jí)點(diǎn)的所有業(yè)務(wù)需上傳至一級(jí)點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)。一級(jí)點(diǎn)位于管理標(biāo)段的中間位置，為方便被管理的二級(jí)點(diǎn)的業(yè)務(wù)上傳，有兩種組網(wǎng)方式即星形組網(wǎng)和鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)，因其星形組網(wǎng)所需設(shè)備較多造成管理不方便，本方案采用鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)實(shí)現(xiàn)二級(jí)點(diǎn)業(yè)務(wù)上傳至一級(jí)點(diǎn)。鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)采用無線覆蓋與無線傳輸一體化的多射頻設(shè)備，2.4GHz無線覆蓋技術(shù)使得二級(jí)點(diǎn)附近的終端用戶方便接入網(wǎng)絡(luò)，二級(jí)點(diǎn)的業(yè)務(wù)經(jīng)匯聚后，采用5.8GHz無線傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸?？紤]設(shè)備的取電便捷，本層通信鏈路的基站選址基本布設(shè)在鐵路沿線的場(chǎng)區(qū)附近。

對(duì)于采用微波設(shè)備組網(wǎng)部分，為保證60Mbps的傳輸帶寬，微波設(shè)備的傳輸距離選擇30km為宜，本鐵路項(xiàng)目共有7個(gè)一級(jí)點(diǎn)且相距甚遠(yuǎn)，需采用中繼的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，其中一級(jí)點(diǎn)之間通信鏈路如下圖1所示。

圖1 一級(jí)點(diǎn)之間通信鏈路

基于經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)原則，本方案在一級(jí)點(diǎn)中繼站址的選擇時(shí)，盡量將其選擇在二級(jí)點(diǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)取電便捷，管理檢修方便，一級(jí)點(diǎn)中繼設(shè)備采用5.8GHz的微波設(shè)備進(jìn)行傳輸。由上述可知，微波在鐵路建設(shè)期通信工程中扮演著重要的角色。采用5.8GHz微波+無線網(wǎng)橋的通信方案，在組網(wǎng)的靈活性方面，搭建一主一備兩條鏈路，如果一條鏈路出現(xiàn)故障，可以通過另外一條鏈路進(jìn)行傳輸，同時(shí)在每個(gè)場(chǎng)區(qū)建立2.4Gwifi覆蓋，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)區(qū)的無線連接。同時(shí)立柱比較低，維護(hù)調(diào)試方便、靈活。

4 結(jié)語

微波屬于電磁波，它和長(zhǎng)波、中波、短波都屬于電磁波，在鐵路通信系統(tǒng)中的很多場(chǎng)合中都得到了應(yīng)用。本文所述的通信方案具有方案造價(jià)低、帶寬富裕、無線組網(wǎng)靈活、網(wǎng)絡(luò)拓展升級(jí)方便、無線設(shè)備可統(tǒng)一集中管理等優(yōu)點(diǎn)，并且施工方便，網(wǎng)絡(luò)互連可靠，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)具備可擴(kuò)展性，對(duì)鐵路通信系統(tǒng)的建設(shè)具有一定的作用和價(jià)值。