地鐵專用無線通信系統方案設計

楊秀（鐵道第一勘察設計院通號處 甘肅 蘭州 730000）
摘 要：本文結合廣州地鐵四號線大學城專線段設計，對地鐵專用無線通信系統的方案優化進行了介紹。
關鍵詞：地鐵 無線通信 方案設計
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

隨著國民經濟的快速發展，城市地鐵建設進入了一個高潮時期。廣州、上海、北京已經建成數條地鐵線路，且仍有數條在建或在很短的時期內將建；深圳、大連、南京、重慶、武漢、天津、沈陽等城市的地鐵建設已經啟動；杭州、西安、青島的地鐵項目也在規劃之中。地鐵專用無線通信作為高速運行的地鐵列車與車下運營管理機構之間唯一的通信手段，擔負著提高運營效率、保障行車安全及地鐵乘客生命安全的重要使命。通過精心設計、精心施工，以先進成熟的技術和設備提供滿足一切使用要求的地鐵專用無線通信系統，是每一個專業工作者的職責。本人在廣州地鐵四號線大學城專線段專用無線通信系統的設計過程中，對系統方案的選擇曾作過比較深入的考慮，在此總結出來與同行分享。不足之處請批評指正。
地鐵專用無線通信系統的設計，以確保語音及數據通信功能、調度管理功能的實現以及保證全線場強覆蓋、提高通信質量為最終目標。同時，系統的安全可靠、擴容和后期工程的延續性也是系統設計的重要依據。其中系統方案的確定又是設計工作中最為關鍵的環節——它不僅對整個無線通信系統性能的好壞、價格的高低起著決定性的作用，而且對是否能滿足地鐵后期工程帶來的通信系統擴容要求具有極大的影響。因此慎重設計和優選系統方案，妥善處理好當前建設和今后發展的關系，具有重要的意義。
（1）專用無線通信系統方案比選
a.技術體制比選
目前,在全球范圍內,應用較多的解決專用無線調度通信的技術體制大致有三種:
GSM-R、TETRA數字集群及MPT1327模擬集群通信體制。GSM-R是在公網GSM技術基礎上融合了調度通信功能的專門用于鐵路無線通信的數字集群通信系統。其突出特點是將高速鐵路列車自動控制信息的傳輸與以語音通信為主的調度通信統一納入同一個無線通信平臺。是一個功能完善、實現通信信號一體化的先進高效的通信系統。在歐洲高速鐵路得到了大量應用。廣州地鐵四號線在設計的初期階段，擬采用列車無人駕駛技術。相應地，信號專業須配套設置以波導管為傳輸媒介的列車自動控制信息無線傳輸系統。在這種情況下，若采用GSM-R系統將無線調度通信和列車自動控制信息傳輸集成在同一個系統里，無疑是節省投資、提高通信系統使用效率的一種途徑。但是，GSM-R系統在投入實施以前，還有大量實驗與驗證工作要做。因為，GSM-R應用于行車間隔短、車流密度大的城市軌道交通的情況還不多見。鑒于四號線工期的緊迫性，不可能有時間去做大量的實驗工作，加之在設計工作的進程中，四號線列車的無人駕駛方式已被否定，因此四號線沒有建議采用GSM-R體制。但是，就以上思路立項搞科研，為地鐵后續線路作技術儲備，應該很有必要；TETRA數字集群與MPT1327模擬集群通信系統都是為調度通信專門制定的通信體制，當然具備調度通信所要求的一切功能。兩種體制的通信系統均得到了廣泛的應用。只是兩者的應用領域有所側重：TETRA數字集群系統在各國的地鐵、輕軌等城市交通領域有大量的應用；而MPT1327模擬集群系統則在公安、油田、水利等部門大顯其能。應該說，TETRA數字集群和MPT1327模擬集群系統都能夠完全滿足地鐵運營管理對專用無線通信系統的要求，只是模擬系統不如數字系統的頻率利用率高，且數字通信技術終歸是未來的發展方向，再者廣州、上海、北京、深圳、南京等城市已經建成或正在建設的地鐵線路均已采用TRTRA系統解決專用無線通信，為充分利用地鐵已經獲得的頻率資源，并且為整個城市地鐵無線通信網的全網統一性考慮，建議采用TETRA數字集群通信體制實現城市地鐵專用無線通信。
b.系統新建與擴容方式比選
采用TETRA數字集群通信系統實現地鐵專用無線通信可以有兩種方式：新建系統方式和在其他線TETRA系統基礎上擴容的方式。
以廣州地鐵四號線為例，它與地鐵三號線及后續五號、六號等線共用漢溪控制中心。三號線專用無線通信設備已經招標確定為TETRA體制的MOTOROLA公司DIMETRA數字集群通信系統。可以對三號線DIMETRA系統的中心控制設備進行擴容并將四號線所設的TETRA基站納入其中，形成三、四號線共用的通信系統（從軟件功能設置上將不同線用戶隔離開來），從而解決四號線專用無線通信。從理論上來講，該擴容方式不用再上中心控制設備，可以節約投資、提高通信系統使用效率。為地鐵各條線路無線通信系統的相互兼容、互連互通打下基礎。可現實中，由于一些商業原因（采用擴容方案就意味著指定了設備廠家。取消了競爭機制，也許設備采購下來總價有增無減），理論上合理的方案在實際操作中得不到期望的效果。所以，在這個問題上不好一概而論，每條新建地鐵線路要根據具體情況做具體分析。廣州地鐵四號線在上述原因之外，又加上工期配合方面的原因，最終還是推薦了四號線新建一套獨立的TETRA數字集群通信系統的方案。
c.系統結構比選
根據地鐵線路的特點，TETRA數字集群通信系統按基站設置方式的不同可以有以下幾種系統結構：
① 小區制：在控制中心設置交換控制設備，在地鐵沿線各車站設置基站，交換控制設備與基站之間通過有線傳輸通道連接，地鐵沿線架設漏泄同軸電纜實現全線場強覆蓋。小區制的缺點是投資較高，列車司機與行車調度員之間的通話存在較多越區切換；優點是信道利用率高，系統的故障弱化能力較強，尤其可貴的是能夠實現車站值班員與接近列車司機之間無須撥號就能建立的通信聯系（國鐵俗稱小三角通信）。
② 中區制：在控制中心設置交換控制設備，在地鐵沿線的重要車站設置基站，其它車站設置射頻放大設備，交換控制設備與基站之間通過有線傳輸通道連接，地鐵沿線架設漏泄同軸電纜。中區制在設備投資、信道利用、越區切換頻次、故障弱化能力等方面均介于大區制與小區制之間，不具備小區制的小三角通信功能，也不存在大區制的車載設備在列車進出車輛段時正線通話組與車輛段通話組不能自動轉換的問題。
③ 大區制：在控制中心設置交換控制設備和基站，在地鐵沿線車站均設置射頻放大設備，地鐵沿線架設漏泄同軸電纜實現場強覆蓋。大區制的優點是投資較省，列車司機與行車調度員之間的通話不存在越區切換；缺點是信道利用率不高，故障弱化能力較差，不能實現小三角通信，尤其是列車進出車輛段時正線通話組與車輛段通話組不能自動轉換。此外，大區制系統結構不易擴容也是其致命弱點。因為地鐵工程建設的分期、分階段是司空見慣的事情。譬如廣州地鐵四號線就是將全線60余公里的線路分成三段：科學城—琶洲塔；琶洲塔—新造；新造—南沙。其中，琶洲塔—新造稱為大學城專線段，先期建設。將來，其余兩段地鐵修建時，其專用無線通信系統注定是要在大學城專線段系統之上擴容的。
大、中、小區制系統信道利用率分析比較的理論依據見圖1—共用信道數n與每信道能容納用戶數m的關系及圖2—過載呼損率B與過載百分數的關系：

由圖可見，當共用信道數超過10個以后，信道利用率增長趨于平緩（圖1），且共用信道數越大，耐過載能力越差。即話務量過載時呼損率增加越快（圖2），服務質量下降越嚴重。因此，在移動通信系統中，不提倡采用信道數過多的大區制系統，而建議采用大區分裂成小區的方案。也就是說從話務量與服務質量的關系角度出發，多基站的中、小區制方式優于單基站的大區制方式。
綜合上述對大、中、小區制三種系統結構的分析比較，建議地鐵專用無線通信系統采用中、小區制系統結構進行組網。具體到廣州地鐵四號線大學城專線段由于平均站間距離比較長，擬采用小區制結構組成其專用無線通信系統。將來在四號線后續工程中，若地下區段的站間距比較小而且不特別強調小三角通信功能時（因為地鐵的運營組織模式為調度集中，車站值班員與接近列車司機之間的通話并不象非調度集中時的國鐵那樣被規定為必須的形式——叫做“車機聯控、進站問路”，所以運營部門有可能并不十分強調小三角通信功能），有可能以中區制方式進行組網。
d.隧道內場強覆蓋方式比選
地鐵區間隧道內射頻場強的覆蓋方式無外乎兩種：采用隧道天線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和分布天線的覆蓋方式。前者投資省，安裝工程量小，但場強覆蓋難以控制，會對隧道內的電磁環境產生不良影響，無法為控制越區切換、降低同頻干擾等具體問題進行針對性的場強分布精確設計，實際使用先例很少；而后者盡管造價昂貴，施工工程量大， 但由于采用漏泄電纜能夠實現對電磁波傳播和輻射的嚴密控制（既保證了自身系統的抗干擾又能降低對其他無線系統干擾的可能性），因此在國內外地鐵的建設中均得到了廣泛的應用。所以本設計依然推薦采用漏泄電纜解決隧道內的場強覆蓋。
隧道中漏泄電纜的配置可以有多種方式。廣州地鐵四號線以前的工程基本采用固定耦合損耗的配制方式（僅根據區間長度的不同，從盡量不設區間射頻信號放大器的角度去選擇不同傳輸損耗的漏泄電纜）。此種方式的優點是設計、施工都相對簡單。缺點是隧道內場強分布不均勻。盡管漏纜始端（射頻信號饋入端）和末端在隧道中形成的電場強度的差異可以通過移動終端的自動增益控制功能得到均衡，但此種方式對射頻信號能量所造成的浪費是不可避免的。從理論上來講，最好是選擇一種耦合損耗漸變的漏纜，也就是說由于漏纜的傳輸損耗所造成的漏纜中射頻信號電平的逐漸下降，可以通過逐漸變小的耦合損失加以補償，最終在隧道中得到的場強覆蓋曲線是一條完美的直線。但實際中由于漏纜生產工藝的限制，耦合損失漸變的漏纜還沒有進入實用階段。于是變通地，就有了選用幾種不同耦合損失的漏纜進行組合的應用方式。這種方式提供的場強覆蓋曲線盡管達不到理想的水平直線，但已能得到下降斜率很小的直線基礎上的鋸齒波形。也就是說縮小了場強波動范圍。理論計算證明（過程從略）采用組合方式的漏纜配置在系統最低接收電平不變的情況下，可以延長漏纜的覆蓋距離。因此，在工程設計中，如果漏纜產品的型號規格、接頭種類、安裝配件等滿足使用要求，建議采用組合方式進行漏纜配置。通過精心設計、精心施工，使系統得到更好的場強覆蓋并使射頻能量得到更加充分的利用。
e.長大區間射頻信號放大方式的比選
采用漏泄電纜實現區間隧道射頻信號的場強覆蓋，當區間太長時需在漏纜中間增加放大器對射頻信號進行放大。常用的放大器有兩種類型：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，可以獲得較好的載噪比；光纖直放站由于光端機噪聲系數的增加，其信號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，對基站的影響較小；采用光纖直放站的上行噪聲較大，對基站的影響較大。
③ 可靠性
由于射頻直放中繼器是一級有源設備，可靠性較好；光纖直放站包含近端射頻調制、光路傳輸、遠端射頻解調、射頻放大四個部分，這四個部分是串聯工作的，其中每一個部分出了故障，都會導致整條鏈路故障，可靠性較差。
④ 信號傳輸時延
在放大器不級聯的情況下，射頻直放中繼器對原射頻信號的附加時延小；光纖直放站附加時延大。
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。
⑥ 級聯放大互調影響
射頻直放中繼器級聯放大時互調影響較大；光纖直放站級聯放大時互調影響較小。
應該說兩種方式各有利弊。但總的說來，當放大器不級聯時，采用射頻直放中繼器比較合適；反之，當放大器需要多級級聯時，則采用光纖直放站更為有利。
經過上述多方面的比選，建議地鐵專用無線通信采用TETRA數字集群通信系統，并以多基站加一級射頻直放中繼器的結構組成系統。該結構的特點是頻率資源利用率較高，話務分布較為均勻，能較好地滿足群組通信的需求，干擾較少，系統可靠性較高，系統擴容靈活方便。

參考文獻：
鄭祖輝、鮑智良等《 數字集群移動通信系統 》，電子工業出版社，2002年

作者簡介：楊秀，鐵一院通號處高級工程師。1982年畢業于北方交通大學電信系鐵道無線通信專業。目前作為專業設計負責人正在進行廣州地鐵四號線大學城專線段無線通信系統設計。
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2003年9月8日