广州地铁无线集群通信系统网络覆盖的研究

周承昊

（广州市地下铁道总公司，广州 510380）

城市轨道交通的绝大部分线路及车站均设置在地下，无线信号主要在隧道内传播。由于隧道的直线距离较短、弯曲路段多，造成无线电波直线传播较难，同时隧道会大量吸收无线信号，产生严重多径衰落，造成无线信号的极化紊乱，增加信号衰减。本文通过广州地铁无线集群通信系统信号覆盖的研究，全面阐述在无线集群系统建设中所遇到的工程技术问题，希望为今后的工程建设提供一些参考。

1 地铁覆盖方式的多样性

1.1 覆盖的范围

随着地铁线网的发展，应急通信保障已经超出了单纯保障行车的范围。在广州地铁一、二号线，一般地下区间使用漏缆覆盖，站厅使用两副天线完成站厅覆盖，车辆段空旷区域使用1副天线覆盖。而三、四、五号线及在建线路，已经开始覆盖正线段的出入端线、停车线、车站设备区、车站出入通道、控制中心调度室、无线中央设备值班室等地方。因此除了以链状覆盖区域外，多点多区域的覆盖正在补充进来，与移动公网的室内覆盖有一定相似性。

1.2 覆盖的方式

由于地铁覆盖范围变得更为广泛，因此实现信号覆盖的方式也更为多样。

（1）隧道漏缆覆盖：地铁90%的区段是在地下，采用漏缆覆盖的方式非常普遍。通常从设备房的基站或直放站内通过功分器接出一定类型的射频电缆（一般有1/2、7/8、5/4、13/8型号几种），再通过跳线接入不同类型的漏缆。漏缆按尺寸可以划分为7/8、5/4、13/8三种规格。在实际工程中，一般依据区间的长短来选择：通常13/8型号的漏缆应用在2.2 km左右的区间，5/4型号的漏缆应用在1.5 km左右的区间，7/8型号的漏缆应用在0.8 km以内的区间。

（2）站厅低廓全向天线覆盖：在各车站，一般将设备房内的基站或直放站信号馈出到站厅处，以方便车控室的车站电台的信号接收，同时便于车务人员在站厅值班及巡查。按照目前的覆盖要求，一般在一个典型车站需要5～7副天线（站厅3副，设备区2副，长通道2副）。一般基站的典型输出功率为10 W（40 dBm），而且信号优先保证覆盖隧道，因此，一般在设备房采用20 dB或30 dB的耦合器，耦合出信号作为上述天线的输出。

（3）定向天线、八木天线与极柱天线：在隧道或联络线处，往往需要对无线信号进行补强，因此采用定向天线的居多，在广州地铁一号线大量采用偶极天线，作为车站站厅及停车库的信号覆盖。八木天线与极柱天线一般安装在车辆段，覆盖该地区的空旷区域。

2 地铁隧道区间信号覆盖的取舍问题

在地铁无线集群通信专网用户中，移动台和车载电台的特性存在较大差别，在工程实施过程中考虑到无线链路的平衡性，一般很难保证两种车载电台都能满足实际使用要求，因此往往存在信号覆盖重点保障取舍问题。

表1 典型长区间隧道链路计算（区间长2.4 km）

2.1 上下链路均衡性问题

典型隧道区间的信号覆盖路径是无线交换机通过光纤与基站相连接，基站通过射频线连出耦合器，耦合部分信号到站厅，同时耦合大部分信号进入区间。目前主流侧终端设备的接收灵敏度分别为：基站-113 dBm，手持台-103 dBm，车载台-103 dBm；发射功率一般为：基站10 W（40 dBm），车载电台3 W(35 dBm),手持台1 W（30 dBm）。一般链路计算与分析时，射频分路设备及漏缆的损耗是一致的，在隧道自由空间的损耗也是一定的，但是上述基站与移动终端接收灵敏度的差异性，在漏缆设计长度时需要综合考虑，以达到上下链路的均衡。例如，如果漏缆设计过长，使车载台发射信号刚好达到基站的最低接收灵敏度-113 dBm，射频分路设备、漏缆、自由空间的损耗共-148 dBm。此时基站发射信号40 dBm，经过-148 dBm衰减后为-108 dBm，就无法满足移动台的接收。因此在链路设计时，必须保证上下链路的余量及均衡性。

2.2 手持台、车载台的链路取舍问题

由于列车车载台与手持台相比，列车车载台天线有一定的增益，天线架设于机车顶部（距轨面3.6 m时），与漏缆大致处于平行位置,且距漏泄同轴电缆的直线距离较近(2 m)，不受车厢、车体屏蔽(5 dB损耗)及人体阻挡(5 dB损耗)的影响。同一地点手持台距轨面大约2.5 m，高度方向距漏缆大约1～1.5 m，增加损耗约5 dB。因此，车载台与漏缆之间耦合损耗在同一地点优于便携台约15 dB。因此在长区间隧道，两者很难同时兼顾。举例来说，如果一个区间的长度为2.4 km，1-5/8型号漏泄同轴电缆空间耦合损耗69 dB（95%概率）。链路计算如表1所示。

从表1可以看出，基站链路下行信号基本可以满足需求。但在上行链路计算时，满足车载电台的同时，无法满足手持台，即在区间中部地区手持台无法发起呼叫。显然可以通过增加直放站的方式改善这种状况，但会造成一定的同频干扰，因此，在轨道交通的无线集群系统中，一般采取车载台优先的方式，重点保障行车。

3 无线集群覆盖的干扰处理

在很多地铁无线集群系统覆盖的初期设计中，广泛使用直放站来延伸区间的信号覆盖。在这种配置方案下，可能出现基站射频信号与其所带的光纤直放站的射频信号之间所谓的“同频效应”。基站+光纤直放站的基本配置方式如图1所示。从图1可以看出，基站与直放站之间存在漏泄电缆（LCX）“同频”覆盖的情况。

以基站与直放站相距2 000 m来计算，光纤信号传播速度为2/3光速，其经过直放站的信号到达中点的时延为15 μs，直接经过基站的信号时延为5 μs，两者时差为10 μs。在TETRA标准中，TU50（典型城市环境50 km/h运行速度下）即为一种测试环境，这一测试环境的定义：主射频信号高于多径信号22.3 dB，主射频信号与多径信号之间时延差为5 μs。因此，只要传输环境满足或优于上述要求，移动台就可以保持-103 dBm的动态接收灵敏度性能。但是上述计算结果表明，10 μs的时差会在一定程度上降低动态接收灵敏度的性能，即动态接收灵敏度高于-103 dBm。

为了避免存在时延差的两路射频信号出现大范围的交叠，因此，在基站和本基站所带的远端光纤直放站区间中点附近将LCX断开，如图2所示，并分别接入各自的终端负载，此时两边的射频信号便无法进入对方的LCX内，从而不会产生更大范围的重叠和干扰区。按照空间波传输损耗的计算方法，L=32.4+20 lg F+20 lg D，LCX断开达到22.3 dB的衰耗所需传输距离约为0.39 m，即便是存在相互干扰，其干扰距离也不会超过1 m。如果列车的运行速度按80 km/h计算，所需的时间约为17 ms，不会造成无线通信中断。

4 地铁无线集群通信系统覆盖的发展方向

通过上述对地铁无线集群覆盖的研究，今后地铁无线集群建设应该充分考虑这些特点，细化、优化网络覆盖。

（1）覆盖资源共享：随着覆盖技术的发展，将区间隧道信号系统无线覆盖、民用无线覆盖、PIDS无线宽带传输系统覆盖、公安无线集群覆盖等渠道统一，通过外围设备整合馈入信号，使区间无线信号可以从同一根漏缆馈出，实现覆盖资源共享。

（2）智能天线的广泛应用：随着3G技术大规模对智能天线的利用，地铁无线集群通信系统也应广泛引进此类设备，不但精确控制下行发射功率，降低功耗，同时也能进一步优化各值班点、办公楼等区域的信号覆盖。

（3）数据业务对无线覆盖要求强化：目前一般语音业务对无线传输速率要求很低，最高只需13 kbit/s就可以保证清晰稳定的通信效果，但该速度对数据业务来说是十分低的。随着各专业技术发展，地铁列车监控数据、信号控制数据、视频数据等一系列数据业务，也会通过专用无线传输通道进入各自的中央设备，届时这些数据业务对无线覆盖的要求将进一步加强。

（4）直放站更加微型化、易安装、低成本：作为无线覆盖的延伸设备，直放站类产品的特点是补充网络覆盖的不足，广泛使用在各无线覆盖领域。但该设备目前需要专业的技术人员进行现场安装、调试和维护，大大增加了直放站使用的局限性和成本。随着未来大量使用和低成本化要求，直放站将更为微型化、低成本化和更易于安装，以此带动延伸覆盖的简易性、便捷性。

[1]郑祖辉， 陆锦华， 郑岚．数字集群移动通信系统（2版）[M]．北京：电子工业出版社，2005.

[2]雷维礼， 马立香． 接入网技术[M]． 北京：清华大学出版社，2006.