无线通信系统工程设计论文

编者按：本文主要从引言；专用无线通信系统功能要求；频段及频点的选择；专用无线通信系统工程设计；结束语进行论述。其中，主要包括：目前国内地铁专用无线通信系统主要采用数字集群技术进行组网、中心与沿线车站的设备间通过有线通信传输通道连接,实现全线场强的覆盖、地铁无线通信系统采用的制式应符合国家有关技术标准、网络结构、数字集群通信系统按基站设置方式的不同可以有几种系统结构、地铁专用无线通信系统采用中、小区制系统结构进行组网、场强覆盖、地铁隧道区间内场强的覆盖方式无外乎两种、专用无线通信覆盖的区域内同时并存商业移动通信网、地铁已经成为大型城市综合经济文化实力的重要体现等，具体请详见。

摘要:在我国城市地铁通信系统中,专用无线通信系统是高速运行的地铁列车与车站运营管理人员之间唯一的通信手段,担负着提高运营效率、确保行车安全及地铁乘客生命安全的重要使命,为列车调度、维修调度、防灾环控调度、车辆段调度等提供无线通信保障。本文结合工程经验,扼要介绍地铁专用无线通信系统的工程设计。

关键词:地铁;专用无线通信系统;场强;漏泄电缆;天线

0引言

目前国内地铁专用无线通信系统主要采用数字集群技术进行组网,主要由设置在中心的集群中心交换设备和操作控制台;设置在车站的集群基站、功分器和耦合器、天线和车站电台,敷设在区间的漏泄同轴电缆及配件;设置在车辆段等处的光纤直放站、操作控制台;设置在机车上的机车台以及为移动工作人员配备的手持台等设备组成。中心与沿线车站的设备间通过有线通信传输通道连接,实现全线场强的覆盖。

1专用无线通信系统功能要求

地铁专用无线通信系统具有选呼、组呼、全呼、紧急呼叫、呼叫优先级权限等调度通信功能,并应具有存储功能、监测功能等。

2频段及频点的选择

地铁无线通信系统采用的制式应符合国家有关技术标准,所采用的工作频段及频点应由当地无线电管理部门批准。

3专用无线通信系统工程设计

3.1网络结构

根据地铁线路的特点,数字集群通信系统按基站设置方式的不同可以有以下几种系统结构:

小区制:在控制中心设置交换控制设备,在地铁沿线各车站设置基站,交换控制设备与基站之间通过有线传输通道连接,地铁沿线架设漏泄同轴电缆实现全线场强覆盖。小区制的缺点是投资较高,列车司机与行车调度员之间的通话存在较多越区切换;优点是信道利用率高,系统的故障弱化能力较强,最大特点是能够实现车站值班员与列车司机之间无须拨号即可建立通信联系。

中区制:在控制中心设置交换控制设备,在地铁沿线的重要车站设置基站,其它车站设置射频放大设备,交换控制设备与基站之间通过有线传输通道连接,地铁沿线架设漏泄同轴电缆实现全线场强覆盖。中区制在设备投资、信道利用、越区切换频次、故障弱化能力等方面均介于大区制与小区制之间,不具备小区制的小三角通信功能,也不存在大区制的车载设备在列车进出车辆段时正线通话组与车辆段通话组不能自动转换的问题。

大区制:在控制中心设置交换控制设备和基站,在地铁沿线车站均设置射频放大设备,地铁沿线架设漏泄同轴电缆实现全线场强覆盖。大区制的优点是投资较小,列车司机与行车调度员之间的通话不存在越区切换;缺点是信道利用率不高,故障弱化能力较差,不能实现小三角通信,尤其是列车进出车辆段时正线通话组与车辆段通话组不能自动转换。此外,大区制系统结构不易扩容也是其致命弱点。

综合上述对大、中、小区制三种系统结构的分析比较,建议地铁专用无线通信系统采用中、小区制系统结构进行组网。

3.2场强覆盖

地铁专用无线通信系统信号场强覆盖区域通常分为:隧道区间的覆盖、车站站台的覆盖、车站站厅的覆盖。

地铁隧道区间内场强的覆盖方式无外乎两种:采用隧道天线作为辐射源的空间波覆盖方式及采用漏泄电缆作为传输线和分布天线的覆盖方式。前者投资小,安装工程量小,但场强覆盖难以控制,会对隧道内的电磁环境产生不良影响,无法为控制越区切换、降低同频干扰等具体问题进行针对性的场强分布精确设计,实际使用先例很少;而后者投资较大,安装工程量较大,但由于采用漏泄电缆能够实现对电磁波传播和辐射的严密控制(既保证了自身系统的抗干扰又能降低对其他无线系统干扰的可能性),因此在国内外地铁的建设中均得到了广泛的应用。所以推荐采用漏泄电缆解决隧道内的场强覆盖。

采用漏泄电缆实现区间场强覆盖时,当区间太长时需在漏缆中间加设放大器对射频信号进行放大。常用的放大器有两种类型:射频直放中继器和光纤作为传输媒介的光纤直放站。两种放大方式对比如下:

下行载噪比

采用射频直放中继器放大的是由基站获得的信号,可以获得较好的载噪比;光纤直放站由于光端机噪声系数的增加,其信号的载噪比不及射频直放中继器。

上行噪声

采用射频直放中继器的上行噪声较小,对基站的影响较小;采用光纤直放站的上行噪声较大,对基站的影响较大。

可靠性

由于射频直放中继器是一级有源设备,可靠性较好;光纤直放站包含近端射频调制、光路传输、远端射频解调、射频放大四个部分,这四个部分是串联工作的,其中每一个部分出了故障,都会导致整条链路故障,可靠性较差。

★信号传输时延

在放大器不级联的情况下,射频直放中继器对原射频信号的附加时延小;光纤直放站附加时延大。

★延伸距离

射频直放中继器只能单向延伸覆盖范围;光纤直放站可以从中间向两端延伸,因此后者的延伸距离长。

★级联放大互调影响

射频直放中继器级联放大时互调影响较大;光纤直放站级联放大时互调影响较小。

以上两种方式各有利弊。但总的说来,当放大器不级联时,采用射频直放中继器比较合适;反之,当放大器需要多级级联时,则采用光纤直放站更为有利。

车站站台场强覆盖通过区间漏泄电缆或在弱场强区增加小天线方式来实现,站厅层采用吸顶全向天线来进行站厅的场强覆盖。设计计算链路损耗时空间损耗采用自由空间模型公式。

根据无线信号传输模型,自由空间损耗计算公式为:

L=32.45+20log(F)+20log(D),其中F为频率,单位为MHz,D为距离,单位为km,

天线覆盖场强电平计算公式:

P(天线覆盖场强电平)=天线口功率+天线增益-自由空间传播损耗。

假设车站场强覆盖设计指标为:专用无线通信网95%的地点及时间(概率),移动终端接收信号的场强电平应不小于-85dBm;按瑞利衰落法进行计算,基站、移动终端接收端的比特误码率不超过4%(信噪比≥19dB)。

按照设计要求满足场强覆盖最小接收电平设计参数:

覆盖范围边缘场强的最小接收电平门限取决于:

①接收机的动态灵敏度:基站=-106dBm(上行),移动手机=-103dBm(下行),车载台=-103dBm(下行)

②场强覆盖瞬时瑞利衰落深度:衰落储备取值=13dB

③设计储备余量:取值=5dB

边缘场强取值=接收机灵敏度+衰落储备+干扰余量

因此,在满足信噪比≥19dB和可通率(时间、地点覆盖概率为95%)的要求下,最小接收电平设计取值:

下行(基站至车台):每载波≥-85dBm(车台天线输入端)

下行(基站至手机):每载波≥-85dBm(手机天线输入端)

上行(车台至基站):每载波≥-88dBm(基站接收端)

上行(手机至基站):每载波≥-88dBm(基站接收端)

专用无线通信覆盖的区域内同时并存商业移动通信网,因此工程的设计须考虑网间的相互干扰。经理论分析和实践证明:专用无线通信网和商业移动通信网在隧道内漏泄电缆安装间隔≥0.45米,其隔离度可达78dB,如公网POI和直放站设备相关指标符合国标的条件下如此可减轻或消除网间互调和带外杂散发射干扰的影响。站厅内专用无线通信网天线和商业移动通信网天线安装间隔≥4.5米,可以减轻或消除网间带外杂散干扰的影响。

4结束语

上述内容是本人参加地铁工程建设以来积累的一些理论和经验,在此总结起来与同行交流学习,尚有不足之处,诚请各方同仁指教。

我国城市轨道交通工程已经进入飞速发展的阶段,北京、上海、广州、深圳等一批人口密集,公共交通拥挤的城市已经有数条地铁线路投入运营使用,仍在加大地铁工程建设,武汉、成都、重庆、沈阳、西安等地也掀起了地铁建设工程的高潮,地铁已经成为大型城市综合经济文化实力的重要体现。随着城市轨道交通工程的繁荣发展,地铁无线通信系统也将在地铁工程中被广泛应用,地铁专用无线通信技术也将不断成熟完善。

参考文献

[1]郑祖辉等《数字集群移动通信系统》第三版,电子工业出版社,2008年.