无线调车机车信号和监控系统车地通信弱场解决方案的应用分析

尚麟宇，冯 军，杨华昌

（中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081）

近年来，随着铁路各级部门对调车作业安全的不断重视，无线调车机车信号和监控系统（简称：STP）在全路各编组站、区段站和中间站均得到大量推广应用，有效地降低了调车作业安全事故发生的频数。STP由车载和地面设备组成，车、地设备间通过无线通信方式进行数据传输，实现调车作业安全防护功能。无线通信是车、地设备间进行数据交换的唯一途径，是系统可靠性、稳定性的关键环节[1]。

随着STP推广应用，其运用车站的地形条件、周边电磁环境、站场内建筑物遮挡等实际情况也日趋复杂多样。目前，复杂站场环境下STP的场强覆盖弱，进而影响系统车、地通信质量的问题，正成为STP设计、实施过程中的突出问题[2]。本文从增强发射端信号和改善接收端信号质量方面，比较几种方案的优缺点，并结合几种方案的适用条件，提出STP车地通信覆盖问题解决思路[3]。

1 地面架设高增益天线

根据TJ/DW035-2014的要求，STP数传电台发射功率限值不大于5 W。目前，系统地面基站普遍采用增益为7 dBi的全向天线，天线长度为1.8 m。在不改变电台发射功率和天线安装位置的情况下，更换增益为10 dBi的高增益天线可以适当增加无线信号的覆盖范围。这种方案的优点是施工量小，不必移设天线，不涉及馈线的重新铺设。缺点是高增益天线的长度为3.8 m，需要考虑在通信铁塔或楼顶重新固定，并且需要考虑当地风力和天线防风等级的限制[4]。此外，由于信号只进行了3 dB的放大，通过无线信号接收强度计算公式RSS=Pt+Gr-Lc-Lbf （RSS：接收信号强度；Pt：发射功率；Gr：发射天线增益；Lc：电缆和缆头的衰耗；Lbf ：自由空间损耗 )和无线信号在自由空间损耗的计算公式 Lbf=32.5+20lgF+20lgD（D：距离；F：频率）计算可知，这种方案对增大无线信号覆盖范围的效果并不明显，故该方案只适用于改善站场边界处无线通信不稳定的情况[5-6]。

2 机车天线增加地网

2.1 STP机车天线现状

根据现场机车实际情况，STP机车天线普遍安装在机车顶部。随着无线通信在铁路通信和调度系统中的广泛使用，机车综合无线通信系统、站场平面调车系统等均会在机车顶部安装多部450 MHz、800 MHz甚至1.5 GHz天线。上述天线系统中，天线的收发性能都很优良，但多部天线在有限的开放空间并存便会引发电磁兼容的问题。当两部天线位置相对较近时，它们间将产生电磁耦合，即两根天线上产生互感电动势，从而使天线的方向性图发生畸变[7]。严重时会影响天线端口的输入阻抗，导致发射机和天线的阻抗失配，大量电磁能量被反射，影响无线通信质量，甚至损坏发射机[8]。

2.2 STP机车天线改进方案

受到上述因素的制约，工程中STP机车天线与车顶金属平面的高度较天线出厂调试时的参考反射面往往会发生变化。此外，车顶障碍物遮挡、接触网、地面反射以及车顶多部天线共存产生的电磁耦合干扰等因素均会对天线收发性能产生影响[9]。

增加天线地网的方案，可以从改善天线反射面的方面提高天线的收发性能，进而提升STP车地通信质量。本文选取加装了STP的DF7调车机，并对其车顶机车天线加装地网前后的天馈系统电压驻波比进行了测试，测试中电台频点选取在407 MHz～422 MHz区间，电台发射功率为5 W，测试结果如图1。

图1 DF7调车机顶部STP天线加装地网前后电压驻波比

由图1可以看出，试验机车在测试频段内，加装天线地网后，天馈系统的电压驻波比明显优于加装天线地网后。

3 增设干线放大器

3.1 STP增设干线放大器方案

干线放大器是一种对无线信号进行透明传输的信号放大装置，由下行功放和上行低噪放组成。工程中，为节约设备成本，可将STP地面主、备机的信号经合路器合并后再通过干线放大器进行线性大功率放大，室外采用全向天线进行覆盖，如图2所示。该方案通过提高发射信号的强度，增加信号对遮挡物的穿透性，进而加大STP无线信号的覆盖范围。此外，干线放大器对上行信号也进行低噪放大以克服传输路径损耗产生的STP地面主机上行接收机噪声系数的恶化，从而提高接收灵敏度，使STP无线通信上、下行覆盖能力相匹配[10]。

干线放大器可安装在铁路信号或通信机房，对STP上、下行无线信号进行放大，其上、下行增益可以根据现场情况独立设置。干线放大器属于有源信号放大装置，信号增益最高可达45 dB，可以有效改善由于建筑物遮挡、底噪干扰或站场跨度大等因素导致的通信质量下降问题。干线放大器在实施时，不需要另外架设天线或铺设通道，具有实施方便、布置灵活且信号增益高等优点。

图2 增设干线放大器

3.2 STP增设干线放大器方案存在问题

但是，受其内部元器件特性的限制，干线放大器通常对入射信号的强度有严格的要求，既要大于其接收下限以保证误码率在可接受的范围，又不能超过上限以免烧损元器件。此外，信号经过放大后，在地面天线附近会形成场强很高的区域。目前，STP普遍采用的MDS SD系列电台接收机灵敏度 BER为-60～101 dBm，也就是说当电台接收到的信号强度过高时，接收机的灵敏度也会降低，并导致误码率升高，这种情况同样会降低无线通信的质量。

因此，在工程设计和实施过程中，使用干线放大器的关键是应综合考虑在保证信号放大以增大覆盖范围的同时，又不使天线附近信号强度过高，以致影响接收机的灵敏度。

4 光纤直放站及其在STP中的应用

在STP的建设中，遇到长距离站场的边界、隧道内、专用线库区内等无法通过简单增大信号强度解决无线信号覆盖弱场甚至是盲点问题的情况时，通常只能通过增加地面主机设备的方案实现无线信号的覆盖。当受客观条件限制无法增加地面主机设备时，就需要考虑部署光纤直放站设备。

4.1 光纤直放站设备的基本原理

光纤直放站属于无线通信传输过程中利用光纤延伸信号覆盖的一种无线信号收发中转设备，由近端机、光缆、远端机、天线及相关的配件构成。其基本功能就是把基站信号延伸到设备原本覆盖不到的弱场区，如隧道、山体遮挡区域等，同时也把远端机中继过来的信号传送给基站，实现无线信号覆盖的连续性。光纤直放站上行传输信号的过程是：利用远端天线把车载台的信号输入远端机，放大车载台信号至≤0 dBm，集成在远端机中的光端设备将射频信号转换为光信号后利用光纤送至近端机中，再由集成在近端机中的光端设备把光信号还原成射频信号，最后经过耦合器送至基站。下行传输信号的过程是：近端机从基站耦合≤10 dBm的射频信号，集成在近端机中的光端设备将射频信号转换为光信号后利用光纤送至远端机，再由集成在远端机中的光端设备将光信号还原成射频信号后，经过功率放大，通过远端天线将信号覆盖至弱场[11]。下行接收场强为：Prm=P0+Ga-LS-Lp，式中，Prm为车载台接收信号场强（单位：dBm），P0为远端机发射功率（单位：dBm）（可结合实际进行设置，一般不超过37 dBm），Ga为车地天线增益之和（单位：dBm），LS为空间损耗（单位：dBm），Lp为附加损耗（单位：dBm）。上行传输过程中，远端机接收场强与下行计算方式一致（从近端机输入基站的信号强度可结合实际进行设置，应注意不超过基站接收机的上限）[12-13]。

光纤直放站是先把射频信号转换为光信号后利用光纤进行传送，这就有效避免了信号传输过程中的时延。此外，光纤传输也有效避免了外部电磁干扰，使信号质量得到很好的保证[14]。

4.2 光纤直放站应用于STP的方案

光纤直放站近端机安装于STP地面设备所在的铁路信号机房，也可视情况部署在通信机房，通过定向耦合器和同轴电缆与STP地面设备连接；远端机安装位置选址，需对弱场区域进行调研，保证远端机的信号能够对弱场区域进行覆盖。根据现场条件，远端机可采取室内机房安装或室外铁塔安装两种方式[15]。

4.3 移频光纤直放站应用于STP的方案

光纤直放站在应用于STP时，应注意基站信号与远端机信号应尽量隔离，以避免两者叠加产生干扰而形成站场内高误码率的区域。在现场应用中，保证无线信号的绝对隔离是不可能的，采用移频直放站技术则可以解决这一问题。

移频光纤直放站是利用变频技术，把基站信号f1频率延伸到基站设备覆盖不到的弱场区的远端机，在远端机将f1频率信号变频到f2频率信号后再对弱场区进行盖。在基站信号和远端机信号重叠区域，车载设备以频率f1或f2与地面设备通信，有效规避了同频干扰的问题，如图3所示。

图3 移频光纤直放站应用

5 结束语

无线通信质量是STP可靠性、稳定性的关键。解决弱场覆盖问题对提升STP无线通信质量意义重大。通过地面架设高增益天线、增加机车天线地网、地面增加干线放大器和增设光纤直放站等方案均可对STP无线通信弱场问题起到改善效果。本文针对光纤直放站在应用中出现的同频干扰问题，提出移频光纤直放站的方案，在扩大STP车地通信覆盖范围的同时，有效避免同频信号干扰，从而保证系统车地通信质量。随着机车加装设备的增加，铁路无线电频点资源日趋紧张，临道干扰现象时有发生。增加发射端带外抑制和接收端的滤波能力，是移频光纤直放站尚可提升的方面。