城市轨道交通线路高架区间无线通信方案浅论

魏祥斌

城市轨道交通线路高架区间无线通信方案浅论

魏祥斌

摘 要：城市轨道交通高架区间场强覆盖弱区，通常可以采用架设天线作为辐射源的空间波覆盖方式及敷设漏泄同轴电缆作为传输线和分布天线的覆盖方式加以解决，结合区间中继设备又可衍生出多种解决方案。重点讨论基站天线覆盖方案、基站天线+直放站天线方案和敷设漏泄同轴电缆方案。

关键词：无线通信;覆盖;技术方案

目前，我国大部分的城市轨道交通线路专用无线通信系统均采用了TETRA数字集群、多基站小区制方案。在地下区间隧道，场强覆盖采用的是敷设漏泄同轴电缆 (LCX)的方案，这一点已得到各方的一致认可。而对于高架区间，场强覆盖存在不同的方案，各有倾向性。本文对高架区间场强覆盖弱区的解决方案进行比选。

通常场强覆盖弱区问题可以通过架设天线作为辐射源的空间波覆盖方式，及敷设漏泄同轴电缆作为传输线和分布天线的覆盖方式加以解决，结合区间中继设备又可衍生出多种解决方案。考虑地铁高架区间的特点，重点讨论基站天线覆盖方案、基站天线+直放站天线方案和敷设漏泄同轴电缆方案。

1 基站天线覆盖方案

沿线高架区间场强覆盖采用基站天线，且该天线为定向、高增益的板式天线 (站厅站台覆盖仍采用吸顶式天线)。在每一个车站根据两侧的线路情况确定天线的架设高度，实现全线场强覆盖。天线覆盖方案的无线通信系统构成如图1所示。

1.1 场强覆盖计算

场强覆盖计算重点在曲线半径较小和沿线建筑物众多的区间。

根据Okumura/HATA(市区准平坦地形)传播路径损耗预测模型，对800 MHz频段系统室外覆盖进行典型计算，并考虑今后城市建筑物的阻挡衰减进行修正，可得出15 m高的基站天线覆盖半径不小于3 km。由于市区密集的楼房 (今后可能)以及弯曲的线路，使预测模型并不完全适用于高架线路沿线，因此场强计算结果只能作为设计参考，天线高度和覆盖范围的确定应基于经验值和充分考虑其他不可预知的因素，如城市发展带来的高楼阻挡、高架线路高于地面相当于降低了天线的实际高度等。

综上所述，采用此方案场强覆盖应侧重于对长大区间的处理，正常情况 (特指站间距离小于3 km且无高楼阻挡)下，各基站天线的安装高度可确定为20 m(距地面);若站间距离大于3 km或者有弯道和高楼，需根据具体情况计算分析。

1.2 天线架设

图1 天线覆盖方案无线通信系统图

基站天线的架设应考虑与车站建筑结合，尽量采用一体化设计。由于城市景观的需要，车站建筑更多地考虑造型美观，构造采用轻钢结构，且车站高度大约为15 m，因此与天线安装结合会比较困难。另外，对天线安装还应充分考虑城市的特殊气候条件，如强风暴雨、强雷暴等危害，应确定较高的安全系数，做好防雷，保障系统安全运行。如采用铁塔架设天线，铁塔的架设位置及架

设高度须报请城市规划有关部门批准。

1.3 方案分析

基站天线覆盖方案的优点是节省投资，工程施工相对简单，但缺点也非常突出。由于天线架设位置高，信号辐射强度大，抗系统内部干扰和外界干扰的能力差，对周边环境也有较强的干扰，受强风和雷暴的影响非常大，铁塔的日常维护(除锈防锈)和防盗也是一个问题。另外，天线安装涉及到与建筑的结合和报市规划部门批准，工程能否按设计方案实施在很大程度上是一个未知数。如果方案得不到批准，临时变更方案将影响无线通信系统按时保质地顺利开通。

2 基站天线+直放站天线方案

沿线高架区间场强覆盖采用基站天线，该天线为定向、高增益的板式天线

(站厅站台覆盖仍采用吸顶式天线)。同上一方案，天线的安装也需考虑与建筑结合，利用建筑的高度，在车站站房顶部或侧墙高处安装天线，尽量不影响车站的景观。直放站天线利用线路两侧的护墙进行安装。利用天线覆盖实现全线场强覆盖，基站天线+直放站天线方案的无线通信系统构成如图2所示。

2.1 区间中继

沿线场强覆盖的特点与基站天线覆盖方案相同，重点是对长大区间的处理。充分利用基站天线的覆盖范围，天线架设高度可统一按12 m(距地面)考虑。对于长大区间基站天线场强无法覆盖的弱区，增加直放站+天线实现中继。根据场强计算结果及经验模型，区间长度大于3 km，可根据情况设置直放站，以补充场强覆盖。

直放站分为光纤直放站和射频直放站，二者的最大区别是主基站信号的传输方式，光纤直放站是通过光纤进行传输，而射频直放站通过接收空间传播的无线信号进行放大，从而扩大基站的覆盖范围。光纤直放站通过光纤传输信号，设置不受地理环境、天气变化的影响，且主基站场强覆盖范围的调整不会影响光纤直放站的工作，因此性能稳定、覆盖效果好、监测及维护方便。目前国产光纤直放站在移动公网及轨道交通中有广泛和良好运用，故推荐采用光纤直放站覆盖场强弱区。

图2 基站天线+直放站天线方案无线通信系统图

2.2 方案分析

由于基站天线和直放站天线与车站建筑和高架线路结合，不采用铁塔和天线杆的安装方式，因此不须报市规划有关部门批准，对城市景观的影响也不大，但天线信号辐射强度大的缺点依然存在，内外干扰不可避免，而且由于区间直放站的天线架设位置较低，车辆的车体也给区间会车带来阻挡。特别是采用了光纤直放站，基站和光纤直放站频率的配置相同，因此同频干扰处理和信号平稳过渡就成了非常重要和非常困难的问题。

从图3可以看到，为保证机车电台在区间行驶过程中语音和数据通信的连续性和可靠性，基站和光纤直放站的天线覆盖范围应该有重叠区域 (图3中A区域)。但由于基站和光纤直放站为同频配置，因此，该区域是严重的同频干扰区。工程实施过程中，为防止同频干扰，必须通过调整天线方向和发射功率，尽量减少天线覆盖的重叠区域，这一工作必须通过施工时精心的调校完成，而且后期维护时调校也将非常频繁。但是，重叠区域的减少，又会给信号平稳过渡带来影响，这是一个矛盾体，因此，该区域场强将极不稳定，严重时会影响行车调度指挥。

3 敷设漏缆方案

沿线高架区间采用敷设漏泄同轴电缆保证场强覆盖，长大区间可采用直放站中继+漏泄同轴电缆的方案实现场强覆盖。漏泄同轴电缆覆盖方案无线通信系统图详见图4。

区间设备设置原则：根据漏泄同轴电缆的传输和耦合损耗指标进行计算，采用1－5/8"漏泄同轴电缆可满足长度小于2.5 km区间的场强覆盖;对于长度大于2.5 km的区间需增设直放站进行中继。同方案2所述理由，采用光纤直放站可结合工程实际，考虑光纤直放站设置的地点。直放站的安装可考虑固定在高架桥下方桥墩的一侧，或靠近桥墩的地面设置设备房安装。不论哪种安装方式均需与高架桥专业结合。

图3 基站和光纤直放站的天线覆盖

如果列车的牵引采用接触网方式，漏泄同轴电缆可结合接触网的支柱选取合适的高度安装;如果列车的牵引采用三轨供电或者有接触网支柱但无法安装，桥梁上也无安装专门支柱架设漏泄同轴电缆的可能，那么，漏泄同轴电缆的敷设位置不可能太高，只能考虑在高架桥的两侧护墙内侧或中间疏散平台下方敷设。高架桥两侧护墙的内侧通常为强电电缆的敷设桥架，漏泄同轴电缆敷设在此需考虑电磁干扰和维护人员安全防护等因素，可以通过专业协调加以解决，有一定的难度。另外，漏泄同轴电缆敷设在此，防止直击雷的危害也是需重点研究的课题。中间疏散平台下虽然是弱电电缆桥架，但由于疏散平台为钢筋混凝土结构，且与车体间的缝隙较小，对漏泄同轴电缆辐射的电波有一定的阻挡。因此，漏泄同轴电缆架设的位置应根据协调和测试的结果进行选择。

图4 漏泄同轴电缆覆盖方案无线通信系统图

表1 方案比较表

4 方案比选

通过上述方案介绍和分析，对高架区间采用基站天线覆盖方案弊病较多，可不予考虑，应重点研究基站天线+直放站天线和敷设漏缆2个方案具体比较表见表1。这2个方案，各有优缺点，比较而言，漏泄同轴电缆方案沿线传输信号稳定，通信质量高，不易受外界干扰，也不会对环境产生较大的电磁危害，设备稳定，维护工作量少。而基站天线+直放站天线方案为空间传播方式，易受外界干扰也易干扰外界;地铁开通后，沿线城市建筑会日趋增加，可能阻碍轨道交通的电波传播;另外，该方案区间同频干扰的处理及信号平稳过渡的矛盾难以调和。

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Abstract:The way of space wave coverage based on installing antenna or laying of coaxial－cable leakage can be used to solve problems which related to weak wireless field of elevated railway in urban rail transit system．Combined with the repeater，various technical proposals about these problems could be derived．This paper mainly discusses three solutions，which respectively focus on setting up station antenna，installing station antenna and directly repeater station，and laying of coaxial cable leakage．

Key words:Wireless communication;Coverage;Technical solution

魏祥斌：中铁第四勘察设计院集团有限公司 高级工程师430063 武汉

2012-04-24

(责任编辑：诸 红)