地鐵專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
楊秀（鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院通號(hào)處 甘肅 蘭州 730000）
摘 要：本文結(jié)合廣州地鐵四號(hào)線(xiàn)大學(xué)城專(zhuān)線(xiàn)段設(shè)計(jì)，對(duì)地鐵專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的方案優(yōu)化進(jìn)行了介紹。
關(guān)鍵詞：地鐵 無(wú)線(xiàn)通信 方案設(shè)計(jì)
The Scheme Design on Metro Radio Dispatching Communication System
Abstract：This article introduced the scheme design on metro radio dispatching communication system，combined with the engineering design of the university-city section of Guangzhou metro line 4 。
Key words：Metro， Radio communication， Scheme desige
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市地鐵建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)高潮時(shí)期。廣州、上海、北京已經(jīng)建成數(shù)條地鐵線(xiàn)路，且仍有數(shù)條在建或在很短的時(shí)期內(nèi)將建；深圳、大連、南京、重慶、武漢、天津、沈陽(yáng)等城市的地鐵建設(shè)已經(jīng)啟動(dòng)；杭州、西安、青島的地鐵項(xiàng)目也在規(guī)劃之中。地鐵專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信作為高速運(yùn)行的地鐵列車(chē)與車(chē)下運(yùn)營(yíng)管理機(jī)構(gòu)之間唯一的通信手段，擔(dān)負(fù)著提高運(yùn)營(yíng)效率、保障行車(chē)安全及地鐵乘客生命安全的重要使命。通過(guò)精心設(shè)計(jì)、精心施工，以先進(jìn)成熟的技術(shù)和設(shè)備提供滿(mǎn)足一切使用要求的地鐵專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，是每一個(gè)專(zhuān)業(yè)工作者的職責(zé)。本人在廣州地鐵四號(hào)線(xiàn)大學(xué)城專(zhuān)線(xiàn)段專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)方案的選擇曾作過(guò)比較深入的考慮，在此總結(jié)出來(lái)與同行分享。不足之處請(qǐng)批評(píng)指正。
地鐵專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以確保語(yǔ)音及數(shù)據(jù)通信功能、調(diào)度管理功能的實(shí)現(xiàn)以及保證全線(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋、提高通信質(zhì)量為最終目標(biāo)。同時(shí)，系統(tǒng)的安全可靠、擴(kuò)容和后期工程的延續(xù)性也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。其中系統(tǒng)方案的確定又是設(shè)計(jì)工作中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)——它不僅對(duì)整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)性能的好壞、價(jià)格的高低起著決定性的作用，而且對(duì)是否能滿(mǎn)足地鐵后期工程帶來(lái)的通信系統(tǒng)擴(kuò)容要求具有極大的影響。因此慎重設(shè)計(jì)和優(yōu)選系統(tǒng)方案，妥善處理好當(dāng)前建設(shè)和今后發(fā)展的關(guān)系，具有重要的意義。
（1）專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)方案比選
a.技術(shù)體制比選
目前,在全球范圍內(nèi),應(yīng)用較多的解決專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)調(diào)度通信的技術(shù)體制大致有三種:
GSM-R、TETRA數(shù)字集群及MPT1327模擬集群通信體制。GSM-R是在公網(wǎng)GSM技術(shù)基礎(chǔ)上融合了調(diào)度通信功能的專(zhuān)門(mén)用于鐵路無(wú)線(xiàn)通信的數(shù)字集群通信系統(tǒng)。其突出特點(diǎn)是將高速鐵路列車(chē)自動(dòng)控制信息的傳輸與以語(yǔ)音通信為主的調(diào)度通信統(tǒng)一納入同一個(gè)無(wú)線(xiàn)通信平臺(tái)。是一個(gè)功能完善、實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)一體化的先進(jìn)高效的通信系統(tǒng)。在歐洲高速鐵路得到了大量應(yīng)用。廣州地鐵四號(hào)線(xiàn)在設(shè)計(jì)的初期階段，擬采用列車(chē)無(wú)人駕駛技術(shù)。相應(yīng)地，信號(hào)專(zhuān)業(yè)須配套設(shè)置以波導(dǎo)管為傳輸媒介的列車(chē)自動(dòng)控制信息無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)。在這種情況下，若采用GSM-R系統(tǒng)將無(wú)線(xiàn)調(diào)度通信和列車(chē)自動(dòng)控制信息傳輸集成在同一個(gè)系統(tǒng)里，無(wú)疑是節(jié)省投資、提高通信系統(tǒng)使用效率的一種途徑。但是，GSM-R系統(tǒng)在投入實(shí)施以前，還有大量實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證工作要做。因?yàn)?，GSM-R應(yīng)用于行車(chē)間隔短、車(chē)流密度大的城市軌道交通的情況還不多見(jiàn)。鑒于四號(hào)線(xiàn)工期的緊迫性，不可能有時(shí)間去做大量的實(shí)驗(yàn)工作，加之在設(shè)計(jì)工作的進(jìn)程中，四號(hào)線(xiàn)列車(chē)的無(wú)人駕駛方式已被否定，因此四號(hào)線(xiàn)沒(méi)有建議采用GSM-R體制。但是，就以上思路立項(xiàng)搞科研，為地鐵后續(xù)線(xiàn)路作技術(shù)儲(chǔ)備，應(yīng)該很有必要；TETRA數(shù)字集群與MPT1327模擬集群通信系統(tǒng)都是為調(diào)度通信專(zhuān)門(mén)制定的通信體制，當(dāng)然具備調(diào)度通信所要求的一切功能。兩種體制的通信系統(tǒng)均得到了廣泛的應(yīng)用。只是兩者的應(yīng)用領(lǐng)域有所側(cè)重：TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)在各國(guó)的地鐵、輕軌等城市交通領(lǐng)域有大量的應(yīng)用；而MPT1327模擬集群系統(tǒng)則在公安、油田、水利等部門(mén)大顯其能。應(yīng)該說(shuō)，TETRA數(shù)字集群和MPT1327模擬集群系統(tǒng)都能夠完全滿(mǎn)足地鐵運(yùn)營(yíng)管理對(duì)專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的要求，只是模擬系統(tǒng)不如數(shù)字系統(tǒng)的頻率利用率高，且數(shù)字通信技術(shù)終歸是未來(lái)的發(fā)展方向，再者廣州、上海、北京、深圳、南京等城市已經(jīng)建成或正在建設(shè)的地鐵線(xiàn)路均已采用TRTRA系統(tǒng)解決專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信，為充分利用地鐵已經(jīng)獲得的頻率資源，并且為整個(gè)城市地鐵無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)的全網(wǎng)統(tǒng)一性考慮，建議采用TETRA數(shù)字集群通信體制實(shí)現(xiàn)城市地鐵專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信。
b.系統(tǒng)新建與擴(kuò)容方式比選
采用TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地鐵專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信可以有兩種方式：新建系統(tǒng)方式和在其他線(xiàn)TETRA系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴(kuò)容的方式。
以廣州地鐵四號(hào)線(xiàn)為例，它與地鐵三號(hào)線(xiàn)及后續(xù)五號(hào)、六號(hào)等線(xiàn)共用漢溪控制中心。三號(hào)線(xiàn)專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備已經(jīng)招標(biāo)確定為T(mén)ETRA體制的MOTOROLA公司DIMETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)?？梢詫?duì)三號(hào)線(xiàn)DIMETRA系統(tǒng)的中心控制設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)容并將四號(hào)線(xiàn)所設(shè)的TETRA基站納入其中，形成三、四號(hào)線(xiàn)共用的通信系統(tǒng)（從軟件功能設(shè)置上將不同線(xiàn)用戶(hù)隔離開(kāi)來(lái)），從而解決四號(hào)線(xiàn)專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信。從理論上來(lái)講，該擴(kuò)容方式不用再上中心控制設(shè)備，可以節(jié)約投資、提高通信系統(tǒng)使用效率。為地鐵各條線(xiàn)路無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的相互兼容、互連互通打下基礎(chǔ)?？涩F(xiàn)實(shí)中，由于一些商業(yè)原因（采用擴(kuò)容方案就意味著指定了設(shè)備廠家。取消了競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，也許設(shè)備采購(gòu)下來(lái)總價(jià)有增無(wú)減），理論上合理的方案在實(shí)際操作中得不到期望的效果。所以，在這個(gè)問(wèn)題上不好一概而論，每條新建地鐵線(xiàn)路要根據(jù)具體情況做具體分析。廣州地鐵四號(hào)線(xiàn)在上述原因之外，又加上工期配合方面的原因，最終還是推薦了四號(hào)線(xiàn)新建一套獨(dú)立的TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)的方案。
c.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比選
根據(jù)地鐵線(xiàn)路的特點(diǎn)，TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)按基站設(shè)置方式的不同可以有以下幾種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：
① 小區(qū)制：在控制中心設(shè)置交換控制設(shè)備，在地鐵沿線(xiàn)各車(chē)站設(shè)置基站，交換控制設(shè)備與基站之間通過(guò)有線(xiàn)傳輸通道連接，地鐵沿線(xiàn)架設(shè)漏泄同軸電纜實(shí)現(xiàn)全線(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。小區(qū)制的缺點(diǎn)是投資較高，列車(chē)司機(jī)與行車(chē)調(diào)度員之間的通話(huà)存在較多越區(qū)切換；優(yōu)點(diǎn)是信道利用率高，系統(tǒng)的故障弱化能力較強(qiáng)，尤其可貴的是能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)站值班員與接近列車(chē)司機(jī)之間無(wú)須撥號(hào)就能建立的通信聯(lián)系（國(guó)鐵俗稱(chēng)小三角通信）。
② 中區(qū)制：在控制中心設(shè)置交換控制設(shè)備，在地鐵沿線(xiàn)的重要車(chē)站設(shè)置基站，其它車(chē)站設(shè)置射頻放大設(shè)備，交換控制設(shè)備與基站之間通過(guò)有線(xiàn)傳輸通道連接，地鐵沿線(xiàn)架設(shè)漏泄同軸電纜。中區(qū)制在設(shè)備投資、信道利用、越區(qū)切換頻次、故障弱化能力等方面均介于大區(qū)制與小區(qū)制之間，不具備小區(qū)制的小三角通信功能，也不存在大區(qū)制的車(chē)載設(shè)備在列車(chē)進(jìn)出車(chē)輛段時(shí)正線(xiàn)通話(huà)組與車(chē)輛段通話(huà)組不能自動(dòng)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。
③ 大區(qū)制：在控制中心設(shè)置交換控制設(shè)備和基站，在地鐵沿線(xiàn)車(chē)站均設(shè)置射頻放大設(shè)備，地鐵沿線(xiàn)架設(shè)漏泄同軸電纜實(shí)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。大區(qū)制的優(yōu)點(diǎn)是投資較省，列車(chē)司機(jī)與行車(chē)調(diào)度員之間的通話(huà)不存在越區(qū)切換；缺點(diǎn)是信道利用率不高，故障弱化能力較差，不能實(shí)現(xiàn)小三角通信，尤其是列車(chē)進(jìn)出車(chē)輛段時(shí)正線(xiàn)通話(huà)組與車(chē)輛段通話(huà)組不能自動(dòng)轉(zhuǎn)換。此外，大區(qū)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不易擴(kuò)容也是其致命弱點(diǎn)。因?yàn)榈罔F工程建設(shè)的分期、分階段是司空見(jiàn)慣的事情。譬如廣州地鐵四號(hào)線(xiàn)就是將全線(xiàn)60余公里的線(xiàn)路分成三段：科學(xué)城—琶洲塔；琶洲塔—新造；新造—南沙。其中，琶洲塔—新造稱(chēng)為大學(xué)城專(zhuān)線(xiàn)段，先期建設(shè)。將來(lái)，其余兩段地鐵修建時(shí)，其專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)注定是要在大學(xué)城專(zhuān)線(xiàn)段系統(tǒng)之上擴(kuò)容的。
大、中、小區(qū)制系統(tǒng)信道利用率分析比較的理論依據(jù)見(jiàn)圖1—共用信道數(shù)n與每信道能容納用戶(hù)數(shù)m的關(guān)系及圖2—過(guò)載呼損率B與過(guò)載百分?jǐn)?shù)的關(guān)系：
由圖可見(jiàn)，當(dāng)共用信道數(shù)超過(guò)10個(gè)以后，信道利用率增長(zhǎng)趨于平緩（圖1），且共用信道數(shù)越大，耐過(guò)載能力越差。即話(huà)務(wù)量過(guò)載時(shí)呼損率增加越快（圖2），服務(wù)質(zhì)量下降越嚴(yán)重。因此，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，不提倡采用信道數(shù)過(guò)多的大區(qū)制系統(tǒng)，而建議采用大區(qū)分裂成小區(qū)的方案。也就是說(shuō)從話(huà)務(wù)量與服務(wù)質(zhì)量的關(guān)系角度出發(fā)，多基站的中、小區(qū)制方式優(yōu)于單基站的大區(qū)制方式。
綜合上述對(duì)大、中、小區(qū)制三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析比較，建議地鐵專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)采用中、小區(qū)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)。具體到廣州地鐵四號(hào)線(xiàn)大學(xué)城專(zhuān)線(xiàn)段由于平均站間距離比較長(zhǎng)，擬采用小區(qū)制結(jié)構(gòu)組成其專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。將來(lái)在四號(hào)線(xiàn)后續(xù)工程中，若地下區(qū)段的站間距比較小而且不特別強(qiáng)調(diào)小三角通信功能時(shí)（因?yàn)榈罔F的運(yùn)營(yíng)組織模式為調(diào)度集中，車(chē)站值班員與接近列車(chē)司機(jī)之間的通話(huà)并不象非調(diào)度集中時(shí)的國(guó)鐵那樣被規(guī)定為必須的形式——叫做“車(chē)機(jī)聯(lián)控、進(jìn)站問(wèn)路”，所以運(yùn)營(yíng)部門(mén)有可能并不十分強(qiáng)調(diào)小三角通信功能），有可能以中區(qū)制方式進(jìn)行組網(wǎng)。
d.隧道內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋方式比選
地鐵區(qū)間隧道內(nèi)射頻場(chǎng)強(qiáng)的覆蓋方式無(wú)外乎兩種：采用隧道天線(xiàn)作為輻射源的空間波覆蓋方式及采用漏泄電纜作為傳輸線(xiàn)和分布天線(xiàn)的覆蓋方式。前者投資省，安裝工程量小，但場(chǎng)強(qiáng)覆蓋難以控制，會(huì)對(duì)隧道內(nèi)的電磁環(huán)境產(chǎn)生不良影響，無(wú)法為控制越區(qū)切換、降低同頻干擾等具體問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性的場(chǎng)強(qiáng)分布精確設(shè)計(jì)，實(shí)際使用先例很少；而后者盡管造價(jià)昂貴，施工工程量大， 但由于采用漏泄電纜能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁波傳播和輻射的嚴(yán)密控制（既保證了自身系統(tǒng)的抗干擾又能降低對(duì)其他無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)干擾的可能性），因此在國(guó)內(nèi)外地鐵的建設(shè)中均得到了廣泛的應(yīng)用。所以本設(shè)計(jì)依然推薦采用漏泄電纜解決隧道內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。
隧道中漏泄電纜的配置可以有多種方式。廣州地鐵四號(hào)線(xiàn)以前的工程基本采用固定耦合損耗的配制方式（僅根據(jù)區(qū)間長(zhǎng)度的不同，從盡量不設(shè)區(qū)間射頻信號(hào)放大器的角度去選擇不同傳輸損耗的漏泄電纜）。此種方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)、施工都相對(duì)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是隧道內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻。盡管漏纜始端（射頻信號(hào)饋入端）和末端在隧道中形成的電場(chǎng)強(qiáng)度的差異可以通過(guò)移動(dòng)終端的自動(dòng)增益控制功能得到均衡，但此種方式對(duì)射頻信號(hào)能量所造成的浪費(fèi)是不可避免的。從理論上來(lái)講，最好是選擇一種耦合損耗漸變的漏纜，也就是說(shuō)由于漏纜的傳輸損耗所造成的漏纜中射頻信號(hào)電平的逐漸下降，可以通過(guò)逐漸變小的耦合損失加以補(bǔ)償，最終在隧道中得到的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋曲線(xiàn)是一條完美的直線(xiàn)。但實(shí)際中由于漏纜生產(chǎn)工藝的限制，耦合損失漸變的漏纜還沒(méi)有進(jìn)入實(shí)用階段。于是變通地，就有了選用幾種不同耦合損失的漏纜進(jìn)行組合的應(yīng)用方式。這種方式提供的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋曲線(xiàn)盡管達(dá)不到理想的水平直線(xiàn)，但已能得到下降斜率很小的直線(xiàn)基礎(chǔ)上的鋸齒波形。也就是說(shuō)縮小了場(chǎng)強(qiáng)波動(dòng)范圍。理論計(jì)算證明（過(guò)程從略）采用組合方式的漏纜配置在系統(tǒng)最低接收電平不變的情況下，可以延長(zhǎng)漏纜的覆蓋距離。因此，在工程設(shè)計(jì)中，如果漏纜產(chǎn)品的型號(hào)規(guī)格、接頭種類(lèi)、安裝配件等滿(mǎn)足使用要求，建議采用組合方式進(jìn)行漏纜配置。通過(guò)精心設(shè)計(jì)、精心施工，使系統(tǒng)得到更好的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋并使射頻能量得到更加充分的利用。
e.長(zhǎng)大區(qū)間射頻信號(hào)放大方式的比選
采用漏泄電纜實(shí)現(xiàn)區(qū)間隧道射頻信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋，當(dāng)區(qū)間太長(zhǎng)時(shí)需在漏纜中間增加放大器對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行放大。常用的放大器有兩種類(lèi)型：射頻直放中繼器和采用光纖作為傳輸媒介的光纖直放站。兩種放大方式對(duì)比如下：
① 下行載噪比
采用射頻直放中繼器放大的是由基站獲得的信號(hào)，可以獲得較好的載噪比；光纖直放站由于光端機(jī)噪聲系數(shù)的增加，其信號(hào)的載噪比不及射頻直放中繼器。
② 上行噪聲
采用射頻直放中繼器的上行噪聲較小，對(duì)基站的影響較小；采用光纖直放站的上行噪聲較大，對(duì)基站的影響較大。
③ 可靠性
由于射頻直放中繼器是一級(jí)有源設(shè)備，可靠性較好；光纖直放站包含近端射頻調(diào)制、光路傳輸、遠(yuǎn)端射頻解調(diào)、射頻放大四個(gè)部分，這四個(gè)部分是串聯(lián)工作的，其中每一個(gè)部分出了故障，都會(huì)導(dǎo)致整條鏈路故障，可靠性較差。
④ 信號(hào)傳輸時(shí)延
在放大器不級(jí)聯(lián)的情況下，射頻直放中繼器對(duì)原射頻信號(hào)的附加時(shí)延?。还饫w直放站附加時(shí)延大。
⑤ 延伸距離
射頻直放中繼器只能單向延伸覆蓋范圍；光纖直放站可以從中間向兩端延伸，因此后者的延伸距離長(zhǎng)。
⑥ 級(jí)聯(lián)放大互調(diào)影響
射頻直放中繼器級(jí)聯(lián)放大時(shí)互調(diào)影響較大；光纖直放站級(jí)聯(lián)放大時(shí)互調(diào)影響較小。
應(yīng)該說(shuō)兩種方式各有利弊。但總的說(shuō)來(lái)，當(dāng)放大器不級(jí)聯(lián)時(shí)，采用射頻直放中繼器比較合適；反之，當(dāng)放大器需要多級(jí)級(jí)聯(lián)時(shí)，則采用光纖直放站更為有利。
經(jīng)過(guò)上述多方面的比選，建議地鐵專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信采用TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)，并以多基站加一級(jí)射頻直放中繼器的結(jié)構(gòu)組成系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是頻率資源利用率較高，話(huà)務(wù)分布較為均勻，能較好地滿(mǎn)足群組通信的需求，干擾較少，系統(tǒng)可靠性較高，系統(tǒng)擴(kuò)容靈活方便。
參考文獻(xiàn)：
鄭祖輝、鮑智良等《 數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng) 》，電子工業(yè)出版社，2002年
作者簡(jiǎn)介：楊秀，鐵一院通號(hào)處高級(jí)工程師。1982年畢業(yè)于北方交通大學(xué)電信系鐵道無(wú)線(xiàn)通信專(zhuān)業(yè)。目前作為專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人正在進(jìn)行廣州地鐵四號(hào)線(xiàn)大學(xué)城專(zhuān)線(xiàn)段無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
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2003年9月8日
