光直放站在地鐵行業(yè)的應(yīng)用研究

徐剛

摘 要：文章主要對(duì)光直放站在地鐵行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行研究，闡述了相關(guān)原理、設(shè)計(jì)思路和場(chǎng)景應(yīng)用。光直放站是當(dāng)前地鐵無線通信系統(tǒng)中的重要組成部分，對(duì)于信號(hào)的傳輸、放大和實(shí)施全網(wǎng)覆蓋，都起到極為重要的作用。所以，建設(shè)及維護(hù)部門只有具備對(duì)無線光直放站的設(shè)計(jì)、建構(gòu)、原理、性能等方面的深刻認(rèn)識(shí)，才能確保光直放站在無線通信中對(duì)信號(hào)優(yōu)化起到實(shí)質(zhì)作用，有效保障地鐵運(yùn)營(yíng)安全。

關(guān)鍵詞：光直放站;地鐵行業(yè);應(yīng)用研究

中圖分類號(hào)：U231.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

城市軌道交通發(fā)展至今，專網(wǎng)無線信號(hào)，主要利用中心集群交換機(jī)連接至基站，然后通過同軸泄露電纜和天線對(duì)隧道、車站及段場(chǎng)進(jìn)行輻射傳播實(shí)現(xiàn)。但鑒于地鐵環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，都會(huì)造成一定的弱場(chǎng)甚至盲區(qū)，尤其較長(zhǎng)的區(qū)間和廣闊的場(chǎng)區(qū)，都難滿足信號(hào)強(qiáng)度的需求。如直接增設(shè)基站，成本必然太高，基礎(chǔ)設(shè)施也較為復(fù)雜。因此，架設(shè)簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)型直放站，是解決地鐵無線通信網(wǎng)絡(luò)延伸和覆蓋能力的一種優(yōu)選方案。其能滿足地鐵各種環(huán)境對(duì)信號(hào)的覆蓋要求，有效提高通信質(zhì)量，解決掉話等問題[1]。

1 光直放站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及原理

光直放站利用光纖作為介質(zhì)進(jìn)行信號(hào)傳輸，其將接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并利用光纖傳輸后，再光電轉(zhuǎn)換復(fù)原成電信號(hào)發(fā)出。光直放站由兩個(gè)重要部分組成，即直接連接基站的近端機(jī)和覆蓋區(qū)的遠(yuǎn)端機(jī)。其纜線敷設(shè)便利、傳輸損耗小，特別適合解決遠(yuǎn)距離的信號(hào)覆蓋問題。

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

光直放站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要有：

可通過集群基站直接耦合輸入信號(hào)，信源較為純凈;

光纖介質(zhì)傳輸，布線方便，頻帶寬，遠(yuǎn)距離傳輸可達(dá)20km以上;

抗干擾能力強(qiáng)，且不對(duì)其他小區(qū)產(chǎn)生干擾;

一套近端機(jī)可掛接多套遠(yuǎn)端機(jī)，場(chǎng)景適應(yīng)性強(qiáng)，資源利用率高;

信號(hào)傳輸不受環(huán)境、天氣和施主基站覆蓋范圍的影響，工作穩(wěn)定，覆蓋效果好。

集中管理功能，方便維護(hù)，光直放站應(yīng)用構(gòu)成圖如圖1所示。

圖1 光直放站應(yīng)用構(gòu)成圖

1.2 設(shè)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(jī)通過光模塊將基站射頻模塊發(fā)出的耦合信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)（下行鏈路），并通過光纖傳送給遠(yuǎn)端機(jī)，同時(shí)通過光電轉(zhuǎn)換將遠(yuǎn)端機(jī)射頻模塊發(fā)回的光信號(hào)（上行鏈路）恢復(fù)為射頻信號(hào)，再經(jīng)過濾波、放大、控制處理發(fā)射給基站。同理，遠(yuǎn)端機(jī)則是通過光模塊把接收到的下行鏈路光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l信號(hào)，再對(duì)信號(hào)濾波、放大、控制、合路，最終信號(hào)通過重發(fā)天線發(fā)射對(duì)區(qū)域進(jìn)行覆蓋，同時(shí)將天線接收到的信號(hào)（上行鏈路）進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換等處理，利用光纖傳送至近端機(jī)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(shè)計(jì)原理

目前，在地鐵專網(wǎng)無線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，常規(guī)方式是在沿線各車站、段場(chǎng)設(shè)置集群基站，并在長(zhǎng)區(qū)間、段場(chǎng)車庫等信號(hào)薄弱區(qū)域增設(shè)光直放站，以完成場(chǎng)強(qiáng)的覆蓋加強(qiáng)。設(shè)計(jì)要求信號(hào)在滿足邊緣場(chǎng)強(qiáng)覆蓋所需余量的同時(shí)，盡可能減小干擾。環(huán)境中需要考慮列車高速移動(dòng)過程中的多普勒頻移、多徑效應(yīng)引起的快衰落、慢衰落、隧道效應(yīng)、特殊環(huán)境的附加損耗和各類參數(shù)配置的影響等。

2.1 地鐵環(huán)境覆蓋指標(biāo)

邊緣場(chǎng)強(qiáng)的最小接收電平門限主要是由“接收機(jī)的靈敏度”“95%時(shí)間、地點(diǎn)概率的場(chǎng)強(qiáng)瞬間衰落深度”以及“設(shè)計(jì)儲(chǔ)備余量”等三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)考量。接收機(jī)動(dòng)態(tài)參考靈敏度一般基站上行值為-106dBm、移動(dòng)終端下行值為-103dBm;信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)瞬時(shí)衰落深度取值10dB，設(shè)計(jì)儲(chǔ)備余量取值6dB。在滿足信噪比和可靠性（時(shí)間、地點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)參數(shù)：

下行（從基站至便攜臺(tái)）每載波不低于-87dBm（在便攜臺(tái)天線輸入端）;

下行（從基站至車載電臺(tái)）每載波不低于-85dBm（在車載電臺(tái)天線輸入端）;

上行（從便攜臺(tái)或車載臺(tái)至基站）每載波不低于-90dBm（在基站輸入端）;

話音傳輸質(zhì)量：3至4級(jí)話音質(zhì)量（信噪比≥20dB）。

2.2 隧道區(qū)間設(shè)計(jì)原理

相鄰車站距離較長(zhǎng)的區(qū)間，主要采用光直放站加漏泄同軸電纜（以下簡(jiǎn)稱：漏纜）的覆蓋方式。在車站的機(jī)房設(shè)置光直放站近端機(jī)，同時(shí)在車站臨近上下行區(qū)間的適當(dāng)位置設(shè)置光直放站遠(yuǎn)端機(jī)，隧道與高架區(qū)間的軌旁兩側(cè)各敷設(shè)一條漏纜實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋。漏纜的覆蓋區(qū)域指標(biāo)取決于“載波最大輻射功率”“移動(dòng)臺(tái)最低接收電平”“移動(dòng)臺(tái)最大發(fā)射功率”和“基站接收端的最小載噪比”等四項(xiàng)參數(shù)。下行（基站到移動(dòng)臺(tái)）覆蓋范圍由前兩個(gè)參數(shù)決定;上行（移動(dòng)臺(tái)到基站）覆蓋范圍則由后兩個(gè)參數(shù)決定[2]。

下行最大允許傳播損耗“”，移動(dòng)臺(tái)最低接收電平的關(guān)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(dòng)臺(tái)最低接收電平，上行最大允許傳播損耗“”。

移動(dòng)臺(tái)最大輸出功率的關(guān)系為：

其中，“”是移動(dòng)臺(tái)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(jī)靈敏度，用來估算覆蓋范圍最大允許的傳播損耗?！啊笔侨∠滦泻蜕闲性试S傳播損耗之間的小者。

其中，“”是漏纜的耦合損耗;“”是漏纜信號(hào)注入端到終端的整個(gè)傳輸損耗（插入損耗）;“”是損耗的各項(xiàng)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(tǒng)計(jì)冗余。

另外，隧道內(nèi)漏纜的安裝環(huán)境、工藝也會(huì)對(duì)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(fù)荷和管道效應(yīng)影響尤為明顯。參考IEC1196-4國(guó)際測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，地鐵隧道環(huán)境測(cè)量中值可選取50%、95%的耦合損耗數(shù)值，當(dāng)漏纜長(zhǎng)度為“”時(shí)可得出：

2.3 段場(chǎng)區(qū)域設(shè)計(jì)原理

光直放站在車輛段、停車場(chǎng)主要用于對(duì)鐵塔天線無法覆蓋到的車庫內(nèi)部信號(hào)的增補(bǔ)，以保證整個(gè)段場(chǎng)范圍內(nèi)的信號(hào)覆蓋質(zhì)量。車庫中的股道多而密，會(huì)同時(shí)停放多列車輛，庫房的高度有限且頂棚等建筑材料對(duì)無線信號(hào)有一定的屏蔽效應(yīng)，所以為保證庫內(nèi)移動(dòng)通話需求，都會(huì)采用室內(nèi)分布系統(tǒng)的方案來滿足。

通常車庫采用天線陣的方式來完成信號(hào)的覆蓋，對(duì)少部分庫內(nèi)的辦公區(qū)域，還需要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)來具體分析。光直放站遠(yuǎn)端機(jī)設(shè)置在庫內(nèi)的公共開闊區(qū)，并用無源器件再次將信號(hào)進(jìn)行分配，可采用耦合器、功分器等進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。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(qū)域環(huán)境有關(guān)，為確保信號(hào)覆蓋范圍無盲區(qū)，一般要求每個(gè)天線的覆蓋范圍半徑不大于30 m。鏈路場(chǎng)強(qiáng)可套用（5）信號(hào)空間傳播損耗公式計(jì)算。

3 光直放站典型案例

3.1 案例分析

南京地鐵3號(hào)線柳州東路站至上元門站為過江隧道區(qū)間，設(shè)計(jì)利用光直放站來解決超長(zhǎng)區(qū)間的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋問題，可作為地鐵行業(yè)較為典型的案例分析。

柳州東路站基站的收發(fā)信機(jī)分別通過射頻分路器、合路器與雙工器相連，其射頻信號(hào)再經(jīng)過定向耦合器、功分器、饋線等分別送至站廳天線和區(qū)間漏泄電纜。同時(shí)，基站的射頻信號(hào)還通過定向耦合器分別送至光直放站近端機(jī)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，通過光纖送至相應(yīng)區(qū)間的光直放站遠(yuǎn)端機(jī)。遠(yuǎn)端機(jī)作為中繼將相應(yīng)基站的射頻信號(hào)通過功分器、饋線分別送至區(qū)間漏纜，并于區(qū)間約3/4長(zhǎng)度附近處與相鄰車站漏纜通過射頻跳線連接，構(gòu)成相鄰基站的越區(qū)切換場(chǎng)強(qiáng)重疊區(qū);另一端則與中繼源基站所屬的漏纜在區(qū)間約1/4長(zhǎng)度附近處需斷開，并連接終端負(fù)載，以避免形成同頻干擾[3]，如圖3所示。

3.2 柳上區(qū)間工程設(shè)計(jì)原理

光直放站區(qū)間場(chǎng)強(qiáng)覆蓋計(jì)算需考慮末端場(chǎng)強(qiáng)切換余量、源基站漏纜末端與遠(yuǎn)端機(jī)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(yīng)引起的快衰落、慢衰落余量等等，較為復(fù)雜。

光直放站區(qū)間段各站以沿線車載電臺(tái)下行最低接收電平≥-85dBm;便攜臺(tái)下行最低接收電平需≥-87dBm;上行最低接收電平≥-90dBm計(jì)算（各區(qū)段中點(diǎn)位置為漏纜鋪設(shè)的最末端點(diǎn)）。

柳州東路站至上元門站距離約3915 m，在上元門站設(shè)置光直放站近端機(jī)一套，經(jīng)計(jì)算遠(yuǎn)端機(jī)設(shè)置在區(qū)間中間位置（遠(yuǎn)端機(jī)上下行各一套）。遠(yuǎn)端機(jī)距離兩站約1957.5 m，并向兩端各鋪設(shè)1漏纜978.7 m，車站各向直放站遠(yuǎn)端機(jī)方向鋪設(shè)1漏纜978.7 m，完成區(qū)間的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。經(jīng)計(jì)算，遠(yuǎn)端機(jī)至中點(diǎn)2區(qū)段對(duì)應(yīng)的車載臺(tái)下行最低接收電平約-77.96dBm;車載臺(tái)上行最低接收電平約-73.96dBm;便攜臺(tái)上下行最低接收電平約-85.96dBm，均滿足要求。同理，其他區(qū)段計(jì)算結(jié)果也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，計(jì)算公式如表1所示。

4 結(jié)語

通過對(duì)無線光直放站的功能及原理的研究，能有效解決地鐵環(huán)境中無線通信覆蓋的弱場(chǎng)、盲區(qū)問題。分析南京地鐵3號(hào)線無線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)搭建方案，印證了使用的可行性。光直放站對(duì)地鐵環(huán)境的無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的優(yōu)化效果良好，尤其對(duì)較長(zhǎng)隧道區(qū)間的信號(hào)延伸補(bǔ)盲起到關(guān)鍵作用。隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展，地鐵網(wǎng)絡(luò)不斷向周邊延伸，城郊、跨地域線路的惡劣環(huán)境和超長(zhǎng)區(qū)間等問題會(huì)不斷增多，無線通信的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工程是長(zhǎng)期、艱巨和復(fù)雜的，需要在規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)中積極的研究、探討、改進(jìn)，進(jìn)一步完善地鐵無線通信系統(tǒng)，確保運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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