基于前后端分离的铁路室内无线通信覆盖的可视化研究

王昕

【摘要】    本文从我国通信无线室内覆盖系统主流方案、组成结构、覆盖原则等基本原理出发，简单阐述了我国铁路移动通信系统室内覆盖的设计流程，针对实际的工程设计中个别环节存在的问题，基于动态配置设计参数及设计方案可视化等需求，提出基于前后端分离的铁路室内无线覆盖系统设计的可视化方案，以供铁路数字化、智能化建设行业相关工作人员参考。

【关键字】    铁路无线通信    室内无线覆盖设计    前后端分离    数据可视化

引言：

近年来，一大批新型现代化铁路客站陆续开通运营，此类客站的特点是占地面积大、功能划分精细、结构复杂，对无线通信信号在铁路客运站的室内覆盖工作提出了新的需求;同时在全球数字化、信息化飞速发展的大背景下，各行业对业务自动化、数据可视化的需求不断加强，提高生产效率成为企业发展自身市场竞争力的重要一环，因此，对于铁路工程设计单位来说，生产设计、经营管理等各类业务流程数字化升级势在必行。

本文提出基于web的铁路室内无线覆盖可视化设计平台的开发思路，应用前后端分离技术，设计人员可通过移动、PC端查看工程系统数据、并根据实际拓扑网络结构实时修改室内无线覆盖系统设备参数及信号频率分布方案，后端获取到前端数据进行处理计算存储后渲染到前端，可视化展现覆盖方案数据流动的同时，也可降低后期方案修改而产生的设计时间成本。

一、铁路移动通信室内覆盖

（一）室内无线覆盖系统

室内无线覆盖一种是保证室内区域实现理想信號覆盖的移动通信子系统[1]，无线通信信号通过室外信源进入室内，会产生穿透损耗，一些大型的楼宇建筑通常采用室内分布系统将信源的反射功率信号按不同链路均匀地进行分配，实现室内区域的有效覆盖，室内无线覆盖系统通常包括信号源和室内分布系统两部分。

常见的信号源按移动通信系统划分主要有GSM系统[2]、CDMA系统、WCDMA系统、LTE系统等，按信源接入设备划分，可以分为宏蜂窝接入、微蜂窝接入及直放站接入等信源接入技术。室内分布系统按接入信源可以划分为传统分布系统（DAS）、新型分系统以及多源融合分布系统等类型，按目前我国室内无线覆盖仍以传统分布系统为主。

根据分布天线类型划分，传统室内分布系统可分为无源系统和有源系统。无源系统指系统由耦合器、功分器、合路器、POI等无源器件和馈线构成，系统各环节不加入有源设备和器件。其结构和性能相对平稳、系统建维简单、成本较低，但后期不易运维。有源结构指系统建设过程中，为了增加系统的覆盖能力，加入了有源器件和设备，但需要电源进行供电，建设难度高、系统稳定性较差。因此，传统的室分系统大部分为无源结构。

（二）铁路室内无线覆盖需求

目前大型铁路客运站由于区域功能划分精细、站房结构复杂，对各种系统的室内覆盖要求也不尽相同，一般要求提供GSM-R系统、450MHZ无线列调系统、移动GSM900M、移动TD-LTE、电信CDMA888M、联通WCDMA等的覆盖。

其中，GSM-R系统用于提供铁路通信、数据传输及特定专网业务的通信传输，需要实现车站附近区间及站房内的无线覆盖;450MHZ无线列调系统覆盖主要设于站台层;各类公网室内无线覆盖主要用于各类多媒体客运服务的数据传输和通信业务。本研究主要以铁路GSM-R系统的室内覆盖设计为例，进行室内覆盖系统设计过程中数据动态配置及前端展示研究。

（三） 铁路室内无线覆盖原则及设计参数

1.铁路无线室内覆盖的设计原则

铁路客站无线覆盖应遵循以下基本设计原则：

（1）保证信号覆盖质量的基础上，考虑经济成本，结合业务发展趋势，合理选择信号源;

（2）若非必要不新设基站，一般接入信号覆盖区域附近基站，以满足室内覆盖容量需求;

（3）根据覆盖区域特点，在保证无线覆盖质量的前提下，优化天线数量;

（4）保证室内覆盖信号严格控制在限定范围内，不能对沿线GSM-R网络产生干扰。

2.铁路无线室内覆盖相关设计参数

铁路客运站房GSM-R室内覆盖系统设计内容主要包括信号源设置、分布器件的安装以及天馈系统的布设。以直放站信源接入结合无源分布系统为例，需要根据各不同链路信号衰耗、无源器件性能参数、馈线参数、天线输出功率等，进行室内分布系统方案的确定。

（1）链路损耗计算

对铁路站房内各层站厅、候车厅、走道等室内区域进行GSM-R网络覆盖，其电波传播环境近似自由空间传播环境，按以下公式计算空间损耗。

LS（dB）=20lg（f）+20lg（d）-27.6

其中，d为传输距离，单位m;f为电波频率，单位MHz（取900MHz），由此得出不同距离的空间损耗如表1所示。

GSM-R移动手持台最终接收电平为天线口输出功率经过空间损耗、阻挡损耗、多经损耗后的剩余输出功率，一般不可小于-75dBm，带入上述参数计算，GSM-R室内覆盖工程设计室内全向天线覆盖半径按15m考虑，则天线口输出功率取之约10dBm，定向天线覆盖距离半径按100m考虑，则天线口输出功率按21dBm左右控制。

（2）无源器件

站房GSM-R室内覆盖系统无源器件选取常用的二功分器、三功分器、耦合器（5dB、6dB、7dB、10dB、15dB和20dB），将光纤直放站远端机的功率分配至各个天线，以满足各天线输出功率要求。无源器件频率适用范围包括885～889MHz和930～934MHz;阻抗为50Ω;功率容量不小千200W;无源互调及隔离度等性能指标满足分布系统要求。

（3）馈线

本室内覆盖系统采用的线缆主要包括1/2"跳线、1/2"射频同轴电缆和7/8"射频同轴电缆，频率适用范围包括885～889MHz和930～934MHz;阻抗为50Ω;外护套使用低烟无卤阻燃材料。

（4）天线

本室内覆幢系统采用室内全向天线和室内定向天线2种天线。其频率适用范围包括885～889MHz和930～934MHz;输入阻抗为50Ω;极化方式为垂直极化;功率容量不小于50W。

二、铁路室内无线覆盖可视化系统平台整体设计

（一）铁路室内无线覆盖设计流程

铁路室内无线覆盖系统勘察设计流程如图1所示。

（二）需求分析

通过对于铁路室内无线覆盖设计工作的流程进行分析，此项工作的关键在于分布系统的结构设计及输出功率的分配，当客运站占地面积大、功能分区复杂时，各类无源设备的合理布设显得尤为重要。然而，从某大型铁路客运站的室内覆盖方案的拓扑结构可以看出，分布系统的设备的布设难度随着客运站房的分区数量呈指数型增长，各设备之间数据相互影响，任意局部数据的调整都将使得全局数据发生改变，人工测算难度大、耗时长，生产效率低下。

综合上述需求，本文提出了基于前后端分离的铁路室内无线通信覆盖的可视化的研究思路[6]，将设计过程数据通过前后端分离的方式进行整体动态计算、关联存储和前端渲染，直观展现设计过程数据变动情况的同时，大大降低了错误率、减少设计人员复盘返工时间。

1.用户群分析

根据上文中对于铁路室内覆盖可视化系统的背景及目标介绍，该系统的用户群可分为系统管理员、普通设计用户、访客人员三类。系统管理员用户主要负责系统全端的整体管理，同时需要进行系统模块功能、数据及用户状态的运维;普通设计用户是平台系统的主要使用者，具备一定程度的专业基础，对室内覆盖的工作流程十分熟悉，是平台系统的操作、使用反馈等数据的主要产生用户;访客人员是可视化设计平台的参观者，具备的操作权限简单流畅，仅具有少部分系统的访问浏览权限。

2.总体功能需求

平台系统主要的功能需求包括：页面可视化动态配置、数据源配置、页面管理、用户管理。

页面可视化动态配置功能为用户提供可视化系统全流程配置功能，仅对普通设计用户及管理员用户开发;数据源配置功能同样面向可登录的设计人员用户及管理员用户，可以进行前端手动输入数据、数据库数据、mock数据以及本地上传数据等数据源的配置;页面管理功能属于公共功能，但访客只有读取的权限，查看和试用，此功能主要为正式用户提供较快的视图加载和数据渲染速度，优化用户体验;用户管理功能为管理员用户专项权限，用户管理和维护系统平台用户的数据和状态。

3. 非功能需求

本系统的非功能需求表现为较高的系统稳定需求以及较快的响应渲染速度需求[7]。

（三）框架设计

如图2所示，本文采用MVC（Model、View、Controller）前后端分离技术框架实现数据的可视化配置，View层负责前端的页面数据展示和用户交互，Model层后端负责数据的处理和计算，Controller层进行后端数据与前端页面的数据传输和关键逻辑功能的实现。此类前后端分离框架模式可以增强整体系统的稳定性、扩展性及维护性。

三、关键技术

随着通信传输和互联网技术的快速发展，web端应用系统越来越受到企业和技术人员的青睐，各种技术框架广泛用于各类大中型系统的开发中。本系统在开发过程中，基于Nodejs的技术环境，采用Vue、ECharts、Antv_g6等框架库进行前端页面展示，通过前端用户交互及数据源初始化配置进行前后端数据传输，通过控制层将相关设计用户、天馈系统设备及操作行为等数据与传输数据进行关联，进而将其存入mysql库中适当的数据关系表内，并在需要时进行数据运算和输出，已实现后端数据的前端动态化展示。

（一）Nodejs

Nodejs是一种开源、跨平台的JavaScript运行环境，其性能方面优势突出。Nodejs原生模块及操作大多为异步的，这极大地提高了任务的流畅性，编程模型效率很高;其次Nodejs的事件驱动模式使得项目开发流程变得简洁，事件之间的协作能力很强;仅支持单线程的编程方式使得许多例如同步状态问题、资源死锁问题等被轻松规避。

（二）Vue

Vue是一种侧重于视图层开发的、可提供MVVM（Model-View-View-Model）风格的双向数据绑定JavaScript框架库，其可实现View层与Model层之间搞笑的数据映射和绑定，为开发人员节省了很多DOM的过程，提高了项目的开发效率。

（三）ECharts

ECharts（Enterprise Charts）意为商业级数据图表，其基于轻量级图形类库zrender继续开发，在先前创建的9个基础组件的基础上，提供了丰富的图表类型，是一个纯正的JavaScript图表库。它支持直角坐标、极坐标、地理坐标等多种坐标系;具有布局、操作优化的移动端界面;通过提供丰富的用户交互组件以进行深度交互式数据探索;可以在某些图表中轻松展现大规模数据量;框架为数据驱动，通过数据的改变驱动图表视图改变，轻松实现数据的动态化展示。

四、结束语

本文基于web前端分離技术对铁路客运站室内无线覆盖数据可视化动态配置进行了研究，首先，基于铁路无线室内覆盖需求，介绍了铁路移动室内通信覆盖的设计原则及技术参数，进而通过对我国现阶段铁路无线室内覆盖勘察设计流程的梳理，阐明了铁路无线室内覆盖系统的可视化设计的必要性。此外，针对可视化系统的需求，设计了基于前后端分离模式的技术框架，并对无线室内覆盖可视化组件开发技术以及前端实现等关键技术进行了探究。

实际应用表明，本文的无线室内覆盖可视化方案在一定程度上满足了勘察设计业务对可视化组件灵活性、可移植性要求，为其他业务提供了便捷，为铁路通信勘察设计可视化建设提供了前瞻性的试验和探索。随着铁路勘察设计行业数字化、信息化的发展，对数据可视化要求会逐步提高，该平台系统功能也将不断迭代更新与完善。

参  考  文  献

[1]邵翔. 铁路站房内GSM—R系统室内覆盖方案研究[J]. 铁道勘测与设计， 2012（4）：4.

[2]刘维峰， 左泽军， 赵利强，等. 基于HTML5的生产装置实时监测可视化[J]. 计算机工程与设计， 2015， 000（003）：809-813.

[3]李炎， 马俊明， 安博，等. 一个基于Web的轻量级大数据处理与可视化工具[J]. 计算机科学， 2018， 45（9）：6.

[4]张胜， 施荣华， 赵颖. 基于多元异构网络安全数据可视化融合分析方法[J]. 计算机应用， 2015， 35（5）：1379-1384.

[5]王微微， 李奕超， 赵瑞莲，等. Web应用前后端融合的遗传算法并行化测试用例生成[J]. 软件学报， 2020， 31（5）：18.

[6]李嘉， 赵凯强， 李长云. Web前端开发技术的演化与MVVM设计模式研究[J]. 电脑知识与技术：学术版， 2018（1Z）：3.