編組站內(nèi)STP系統(tǒng)無線通信補(bǔ)強(qiáng)方案

馬金鑫，苑江濤，趙小軍，黃天天

(北京華鐵信息技術(shù)有限公司，北京 100081）

無線調(diào)車機(jī)車信號(hào)和監(jiān)控系統(tǒng)（簡稱STP系統(tǒng)）是車站調(diào)車作業(yè)安全輔助行車設(shè)備，基于站場聯(lián)鎖和駝峰自動(dòng)控制系統(tǒng)信息，通過無線電臺(tái)傳送給調(diào)車機(jī)車的前方信號(hào)、進(jìn)路、作業(yè)單、限制條件等信息，通過LKJ2000監(jiān)控裝置對(duì)站內(nèi)調(diào)車作業(yè)的安全控制進(jìn)行卡控，能有效防止調(diào)車作業(yè)中的“沖、擠、脫”等事故[1]。STP已經(jīng)在國內(nèi)許多調(diào)車車站，尤其是編組站中，對(duì)調(diào)車作業(yè)的安全防護(hù)、運(yùn)輸效率發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，是鐵路技術(shù)體系和裝備現(xiàn)代化的重要組成部分[2]。

STP系統(tǒng)控制范圍是編組站的到達(dá)場、調(diào)車場、出發(fā)場、交換場及相關(guān)區(qū)域，其功能是實(shí)現(xiàn)站內(nèi)的平面調(diào)車、推峰作業(yè)等作業(yè)的安全防護(hù)與自動(dòng)控制。由于系統(tǒng)的車-地?cái)?shù)據(jù)采用無線數(shù)傳通信方式，面臨山地丘陵、建筑物、高架橋等復(fù)雜地形對(duì)無線通信的遮擋，以及在編組站內(nèi)的平調(diào)燈顯設(shè)備、無線列調(diào)、無線列尾裝置等無線通信設(shè)備的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)無線數(shù)傳通信丟包，誤碼率較高，影響設(shè)備工作的穩(wěn)定性。為提高通信質(zhì)量，解決編組站內(nèi)數(shù)據(jù)通信中斷對(duì)調(diào)車作業(yè)安全的影響，探討解決無線通信問題的方案。

1 STP無線通信現(xiàn)狀

1.1 STP無線通信模式

STP系統(tǒng)采用具備雙機(jī)熱備功能的雙數(shù)傳電臺(tái)和雙全向天線，主用天線以半雙工方式發(fā)射和接收數(shù)據(jù)，備用天線只接收數(shù)據(jù)，主/備用狀態(tài)根據(jù)地面控制主機(jī)的主/備用狀態(tài)變化而變化。STP天線優(yōu)先安裝在信號(hào)樓附近的通信鐵塔上，為防止備用天線在長時(shí)間接收主用天線的強(qiáng)場強(qiáng)影響，造成電臺(tái)接收靈敏度下降，誤碼率提高，主用天線和備用天線安裝距離一般大于3 m。機(jī)車頂部同時(shí)會(huì)安裝無線列調(diào)系統(tǒng)、平面調(diào)車燈顯系統(tǒng)等多部天線，STP車載天線焊接在機(jī)車頂部，并保持與其他天線的距離應(yīng)大約70 cm[3]。當(dāng)兩部天線位置較近時(shí)，它們之間將會(huì)產(chǎn)生電磁耦合，從而導(dǎo)致天線增益方向發(fā)生變化[4]。

STP系統(tǒng)采用160 MHz、200～250 MHz和400～423 MHz范圍的頻段。此頻段波長較短，繞射能力差，遇遮擋時(shí)衰減嚴(yán)重，屬于直射空間傳播。且受壓力、溫度、濕度等因素造成空氣中介電系數(shù)變化而出現(xiàn)折射、散射，會(huì)造成不同時(shí)間、不同地點(diǎn)接收?qǐng)鰪?qiáng)變化，尤其在強(qiáng)對(duì)流天氣下，易產(chǎn)生諧振吸收，而且濃密的雨滴會(huì)阻擋電磁波的傳輸，影響無線通信。

1.2 STP通信制約因素

STP無線通信故障主要存在于大型貨場和編組站內(nèi)。制約無線通信的因素很多，主要因素是站場跨度范圍，通信鐵塔高度，電磁環(huán)境復(fù)雜等。

一座編組站STP通信鐵塔覆蓋長度大約5 km，寬度1 km，站場兩側(cè)有建筑物和樹木，中間有橋梁橫跨站場，即破壞了接收和發(fā)射天線之間的直線傳輸路徑，此時(shí)接收天線依靠站場兩側(cè)的建筑物和樹木的反射和散射電磁波[5]。在實(shí)際應(yīng)用中，一般編組站內(nèi)樹木的高度約15 m、3層信號(hào)樓高度約13 m，橋梁高度約15 m，鐵塔的高度為13～15 m，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，地面發(fā)送給機(jī)車通信數(shù)據(jù)誤碼率變大，通信出現(xiàn)超時(shí)[6]。電磁波傳輸過程中，造成信號(hào)衰減主要因素是建筑物或其他物體的遮擋，根據(jù)遮擋情況不同，致使移動(dòng)的機(jī)車接收無線信號(hào)場強(qiáng)大小不同，接收到的無線通信數(shù)據(jù)出現(xiàn)不規(guī)律的丟包現(xiàn)象。與此同時(shí)編組站內(nèi)有平調(diào)調(diào)車系統(tǒng)、無線列尾裝置、無線列調(diào)系統(tǒng)等使用頻段，有限的頻段和與日俱增的無線需求，造成編組站頻譜資源緊張，電磁環(huán)境異常復(fù)雜，也造成機(jī)車接收底噪抬升，通信信息消失在底噪中。

根據(jù)STP應(yīng)用環(huán)境的特點(diǎn)，一般地，對(duì)于站場邊界或跨度較大的區(qū)域，可采用干線放大器的方式；對(duì)于站場附近的專用貨物線等大范圍作業(yè)區(qū)域，可采用光纖直放站的方式；對(duì)于站場附近有單獨(dú)信號(hào)樓的貨場區(qū)域，可采用異頻雙電臺(tái)的方式。

2 STP無線通信補(bǔ)強(qiáng)解決方案

2.1 干線放大器

當(dāng)編組站站場邊界或跨度較大的區(qū)域出現(xiàn)通信誤碼率較高時(shí)，采用干線放大器的方式，將發(fā)射信號(hào)雙向放大，覆蓋更大區(qū)域。干線放大器主要由雙工器、下行射頻功率放大器和上行低噪放大器組成，分為上、下行兩條鏈路，全雙工工作，根據(jù)功率大小可以單獨(dú)調(diào)整干線放大器上、下行增益。在工程運(yùn)用中，干線放大器安裝在信號(hào)樓內(nèi)STP地面機(jī)柜附近，通過合路器將系統(tǒng)主/備機(jī)兩路信號(hào)合并，并接收主機(jī)電臺(tái)信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波放大，通過天線輻射出去，同時(shí)機(jī)車電臺(tái)信號(hào)經(jīng)過天線接收，通過雙工器和上行低噪放大器，傳送給地面主機(jī)，如圖1所示。采用干線放大器方案，施工影響范圍小，實(shí)施操作簡單，最大增益達(dá)45 dB，可有效改善因站場跨度大、建筑物遮擋嚴(yán)重等因素導(dǎo)致的無線問題。

圖1 STP系統(tǒng)設(shè)置干線放大器Fig.1 STP system setting trunk amplifier

在實(shí)際應(yīng)用中，干線放大器的下行增益放大，滿足了移動(dòng)機(jī)車處于站場邊界無線覆蓋，同時(shí)也出現(xiàn)了接收信號(hào)的畸變失真，帶來地面基站附近接收數(shù)據(jù)的誤碼率偏高，造成功放性能下降。STP系統(tǒng)采用的電臺(tái)接收機(jī)可以接收的范圍為-60～113 dBm，超過-60 dBm會(huì)出現(xiàn)誤碼率偏高，為避免此誤碼率，既干線放大器的下行增益設(shè)置值不能太高，同時(shí)也必須保證遠(yuǎn)端的覆蓋要求。與此同時(shí)，由于上行增益增大，也提高了底噪，尤其近距離通信時(shí)，因此干線放大器上行通信要適應(yīng)移動(dòng)機(jī)車的接收通路，控制上行增益，將天線接收到的上行信號(hào)，輸出控制在合理范圍內(nèi)，避免地面電臺(tái)性能下降，接收靈敏度降低。因此，合理調(diào)整干線放大器的上、下行增益，保證上、下行平衡，滿足下行增益有效放大和上行增益不能過高影響系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)站場邊界無線覆蓋[7]。同時(shí)，干線放大器要具備收發(fā)旁路功能，在功放掉電或意外故障時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)切換到收發(fā)旁路，保證數(shù)傳電臺(tái)通過功放的收發(fā)旁路繼續(xù)收發(fā)信號(hào)。

2.2 光纖直放站

在STP的建設(shè)中，經(jīng)常會(huì)遇到編組站附近專用貨物線、牽出線位于建筑物或者山體背側(cè)，無法實(shí)現(xiàn)無線覆蓋的問題。此問題通過功率信號(hào)放大無法解決，因此考慮部署光纖直放站設(shè)備。光纖直放站本質(zhì)是一種同頻放大的設(shè)備，增強(qiáng)發(fā)射功率，對(duì)存在無線覆蓋信號(hào)弱的地區(qū)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的作用，并達(dá)到優(yōu)化無線通信的質(zhì)量。光纖直放站具有穩(wěn)定信號(hào)源，時(shí)延低，能有效提高信號(hào)的增益，同時(shí)可避免外部電磁干擾，達(dá)到理想覆蓋效果[8]。

如圖2所示，光纖直放站由傳輸光纜、近端機(jī)、遠(yuǎn)端機(jī)等相關(guān)設(shè)備構(gòu)成，通過將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)通信。傳輸過程分為上行和下行鏈路過程，上行鏈路過程是：移動(dòng)車載信號(hào)進(jìn)入遠(yuǎn)端機(jī)，遠(yuǎn)端機(jī)放大車載移動(dòng)信號(hào)到-40～0 dBm，通過光纜傳送給近端機(jī)，近端機(jī)接收到射頻信號(hào)，經(jīng)耦合器耦合進(jìn)入地面電臺(tái)。下行鏈路過程是：近端機(jī)接收經(jīng)過耦合器耦合的地面電臺(tái)射頻信號(hào)，通過自身配置的光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，將信號(hào)發(fā)送給遠(yuǎn)端機(jī)，遠(yuǎn)端機(jī)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)，通過全向天線輻射到弱場強(qiáng)區(qū)域。其計(jì)算下行接收?qǐng)鰪?qiáng)如公式（1）所示[9]：

圖2 STP系統(tǒng)設(shè)置光纖直放Fig.2 STP system setting optical fiber repeater

公式（1）中，Prm為車載電臺(tái)接收信號(hào)強(qiáng)度/dBm；la為保護(hù)電頻儲(chǔ)備/dB；Po為遠(yuǎn)端機(jī)發(fā)射功率/dBm；Ga1為基站天線增益/dBi；Ga2為移動(dòng)車載天線增益/dBi；a為空間自由損耗/dB；Lp為電纜和電纜接頭的附加損耗/dB。

通常Prm=-95 dBm（電氣化集中區(qū)最小接收 電 平 ），la=6.5 dB，Po=35 dBm，Ga1=10 dBi，Ga2=2.5 dBi，Lp=18 dB。

可知 ：α=Po＋Ga1＋Ga2－Prm－la－Lp=118 dB

其中，α為空間自由損耗/dB，在實(shí)際中應(yīng)用中，為傳輸損耗LM。

根據(jù)傳輸損耗工程實(shí)用公式(2)計(jì)算：f取頻率400 MHz；h1取地面天線高度15 m，h2取車載天線高度3.8 m（DF7內(nèi)燃機(jī)車高度）。

代入數(shù)值可得： 118=88.1＋20lg400－20lg15×3.8＋40lgd

d=2.11 km。

由此可知，在地形起伏不大的情況下，采用15 m鐵塔，電氣化集中區(qū)2.11 km的半徑范圍內(nèi)的場強(qiáng)可以達(dá)到-95 dBm，足以保證此區(qū)域內(nèi)的通信要求。

在STP系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，光纖直放站的近端機(jī)安裝于信號(hào)樓內(nèi)STP地面機(jī)柜，遠(yuǎn)端機(jī)位于站場能夠覆蓋盲區(qū)和提供供電以及安裝天線的位置，通過光纜與近端機(jī)相連。應(yīng)注意近端天線和遠(yuǎn)端天線距離受數(shù)據(jù)通信時(shí)延要求，不宜超過20 km。

同時(shí)，近端天線和遠(yuǎn)端天線避免由于距離過近而導(dǎo)致重疊區(qū)域同頻干擾問題[10]，遠(yuǎn)端天線的位置不能太近。STP系統(tǒng)采用的電臺(tái)接收機(jī)靈敏度為-103 dBm，即Prm=-103 dBm，通過公式（1）和公式（2），可計(jì)算出d=3.35 km。因此，為避免存在重疊區(qū)域，近端天線和遠(yuǎn)端天線間隔6.7 km。

2.3 異頻雙電臺(tái)模式

在STP的建設(shè)中，編組站和貨場通過場聯(lián)線連接，場聯(lián)線長度3～5 km，由有兩個(gè)信號(hào)樓分別控制，有獨(dú)立的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的車站，可用異頻雙電臺(tái)模式進(jìn)行無線覆蓋。異頻雙電臺(tái)的模式是在兩個(gè)信號(hào)樓分別放置兩套獨(dú)立的電臺(tái)通信設(shè)備，兩套獨(dú)立的天線設(shè)備和兩個(gè)獨(dú)立的頻點(diǎn)，通過場聯(lián)間光纜通信。機(jī)車在場聯(lián)線通過車載軟件自動(dòng)切換頻點(diǎn)，同時(shí)設(shè)定定位應(yīng)答器切頻功能作為冗余。異頻雙電臺(tái)的模式必須具備：1）地面控制機(jī)柜發(fā)送的電臺(tái)信號(hào)在兩套獨(dú)立天線向外發(fā)射時(shí)，同一數(shù)據(jù)發(fā)射源，不能有時(shí)延，同時(shí)保證站內(nèi)其他機(jī)車控制不受影響。2）同一個(gè)機(jī)柜必須支持兩個(gè)頻點(diǎn)的無線設(shè)備的正常工作，數(shù)據(jù)正常交換，保證在兩個(gè)頻點(diǎn)下的機(jī)車數(shù)據(jù)能夠輪詢交替式的正常接收信號(hào)，正常監(jiān)控機(jī)車作業(yè)安全。3）在機(jī)車經(jīng)過場聯(lián)區(qū)段時(shí)，軟件能啟動(dòng)自動(dòng)切換頻點(diǎn)過程，切換頻點(diǎn)后，機(jī)車不能出現(xiàn)真空期，機(jī)車始終保持受控狀態(tài)，無需自動(dòng)入網(wǎng)，乘務(wù)員人機(jī)界面信息交互正常，防護(hù)距離連續(xù)顯示，機(jī)車能不間斷連續(xù)接收前方防護(hù)信號(hào)機(jī)的狀態(tài)。4）場聯(lián)區(qū)段布置應(yīng)答定位器作為冗余，當(dāng)場聯(lián)邊界處無線信號(hào)偶爾丟包時(shí)，能夠通過應(yīng)答器自動(dòng)切換上行、下行頻點(diǎn)，保證機(jī)車正常工作。

在已經(jīng)開通的站場實(shí)際運(yùn)用中，異頻雙電臺(tái)模式具有傳輸距離遠(yuǎn)、性能可靠、無同頻干擾、無信號(hào)失真、運(yùn)行可靠和維護(hù)工作量小，逐步成為STP發(fā)展遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹饕獞?yīng)用模式。

3 總結(jié)

通過增設(shè)干線放大器、光纖直放站以及異頻雙電臺(tái)模式的方案，有效擴(kuò)展了無線覆蓋的邊界，大大增強(qiáng)了無線場強(qiáng)，滿足各種編組站作業(yè)的安全需求，保證STP系統(tǒng)正常作業(yè)。但同時(shí)也存在施工難度大、建設(shè)周期長、費(fèi)用高、維護(hù)難等問題。今后通過在設(shè)計(jì)階段綜合考慮鐵塔高度和位置等因素，精簡方案，節(jié)支降耗，徹底解決編組站無線通信問題。