编组站内STP系统无线通信补强方案

马金鑫，苑江涛，赵小军，黄天天

(北京华铁信息技术有限公司，北京 100081）

无线调车机车信号和监控系统（简称STP系统）是车站调车作业安全辅助行车设备，基于站场联锁和驼峰自动控制系统信息，通过无线电台传送给调车机车的前方信号、进路、作业单、限制条件等信息，通过LKJ2000监控装置对站内调车作业的安全控制进行卡控，能有效防止调车作业中的“冲、挤、脱”等事故[1]。STP已经在国内许多调车车站，尤其是编组站中，对调车作业的安全防护、运输效率发挥了至关重要的作用，是铁路技术体系和装备现代化的重要组成部分[2]。

STP系统控制范围是编组站的到达场、调车场、出发场、交换场及相关区域，其功能是实现站内的平面调车、推峰作业等作业的安全防护与自动控制。由于系统的车-地数据采用无线数传通信方式，面临山地丘陵、建筑物、高架桥等复杂地形对无线通信的遮挡，以及在编组站内的平调灯显设备、无线列调、无线列尾装置等无线通信设备的影响，导致系统无线数传通信丢包，误码率较高，影响设备工作的稳定性。为提高通信质量，解决编组站内数据通信中断对调车作业安全的影响，探讨解决无线通信问题的方案。

1 STP无线通信现状

1.1 STP无线通信模式

STP系统采用具备双机热备功能的双数传电台和双全向天线，主用天线以半双工方式发射和接收数据，备用天线只接收数据，主/备用状态根据地面控制主机的主/备用状态变化而变化。STP天线优先安装在信号楼附近的通信铁塔上，为防止备用天线在长时间接收主用天线的强场强影响，造成电台接收灵敏度下降，误码率提高，主用天线和备用天线安装距离一般大于3 m。机车顶部同时会安装无线列调系统、平面调车灯显系统等多部天线，STP车载天线焊接在机车顶部，并保持与其他天线的距离应大约70 cm[3]。当两部天线位置较近时，它们之间将会产生电磁耦合，从而导致天线增益方向发生变化[4]。

STP系统采用160 MHz、200～250 MHz和400～423 MHz范围的频段。此频段波长较短，绕射能力差，遇遮挡时衰减严重，属于直射空间传播。且受压力、温度、湿度等因素造成空气中介电系数变化而出现折射、散射，会造成不同时间、不同地点接收场强变化，尤其在强对流天气下，易产生谐振吸收，而且浓密的雨滴会阻挡电磁波的传输，影响无线通信。

1.2 STP通信制约因素

STP无线通信故障主要存在于大型货场和编组站内。制约无线通信的因素很多，主要因素是站场跨度范围，通信铁塔高度，电磁环境复杂等。

一座编组站STP通信铁塔覆盖长度大约5 km，宽度1 km，站场两侧有建筑物和树木，中间有桥梁横跨站场，即破坏了接收和发射天线之间的直线传输路径，此时接收天线依靠站场两侧的建筑物和树木的反射和散射电磁波[5]。在实际应用中，一般编组站内树木的高度约15 m、3层信号楼高度约13 m，桥梁高度约15 m，铁塔的高度为13～15 m，当遇到障碍物时，地面发送给机车通信数据误码率变大，通信出现超时[6]。电磁波传输过程中，造成信号衰减主要因素是建筑物或其他物体的遮挡，根据遮挡情况不同，致使移动的机车接收无线信号场强大小不同，接收到的无线通信数据出现不规律的丢包现象。与此同时编组站内有平调调车系统、无线列尾装置、无线列调系统等使用频段，有限的频段和与日俱增的无线需求，造成编组站频谱资源紧张，电磁环境异常复杂，也造成机车接收底噪抬升，通信信息消失在底噪中。

根据STP应用环境的特点，一般地，对于站场边界或跨度较大的区域，可采用干线放大器的方式；对于站场附近的专用货物线等大范围作业区域，可采用光纤直放站的方式；对于站场附近有单独信号楼的货场区域，可采用异频双电台的方式。

2 STP无线通信补强解决方案

2.1 干线放大器

当编组站站场边界或跨度较大的区域出现通信误码率较高时，采用干线放大器的方式，将发射信号双向放大，覆盖更大区域。干线放大器主要由双工器、下行射频功率放大器和上行低噪放大器组成，分为上、下行两条链路，全双工工作，根据功率大小可以单独调整干线放大器上、下行增益。在工程运用中，干线放大器安装在信号楼内STP地面机柜附近，通过合路器将系统主/备机两路信号合并，并接收主机电台信号，对信号进行滤波放大，通过天线辐射出去，同时机车电台信号经过天线接收，通过双工器和上行低噪放大器，传送给地面主机，如图1所示。采用干线放大器方案，施工影响范围小，实施操作简单，最大增益达45 dB，可有效改善因站场跨度大、建筑物遮挡严重等因素导致的无线问题。

图1 STP系统设置干线放大器Fig.1 STP system setting trunk amplifier

在实际应用中，干线放大器的下行增益放大，满足了移动机车处于站场边界无线覆盖，同时也出现了接收信号的畸变失真，带来地面基站附近接收数据的误码率偏高，造成功放性能下降。STP系统采用的电台接收机可以接收的范围为-60～113 dBm，超过-60 dBm会出现误码率偏高，为避免此误码率，既干线放大器的下行增益设置值不能太高，同时也必须保证远端的覆盖要求。与此同时，由于上行增益增大，也提高了底噪，尤其近距离通信时，因此干线放大器上行通信要适应移动机车的接收通路，控制上行增益，将天线接收到的上行信号，输出控制在合理范围内，避免地面电台性能下降，接收灵敏度降低。因此，合理调整干线放大器的上、下行增益，保证上、下行平衡，满足下行增益有效放大和上行增益不能过高影响系统性能，实现站场边界无线覆盖[7]。同时，干线放大器要具备收发旁路功能，在功放掉电或意外故障时，系统能自动切换到收发旁路，保证数传电台通过功放的收发旁路继续收发信号。

2.2 光纤直放站

在STP的建设中，经常会遇到编组站附近专用货物线、牵出线位于建筑物或者山体背侧，无法实现无线覆盖的问题。此问题通过功率信号放大无法解决，因此考虑部署光纤直放站设备。光纤直放站本质是一种同频放大的设备，增强发射功率，对存在无线覆盖信号弱的地区实现增强的作用，并达到优化无线通信的质量。光纤直放站具有稳定信号源，时延低，能有效提高信号的增益，同时可避免外部电磁干扰，达到理想覆盖效果[8]。

如图2所示，光纤直放站由传输光缆、近端机、远端机等相关设备构成，通过将射频信号转换为光信号通信。传输过程分为上行和下行链路过程，上行链路过程是：移动车载信号进入远端机，远端机放大车载移动信号到-40～0 dBm，通过光缆传送给近端机，近端机接收到射频信号，经耦合器耦合进入地面电台。下行链路过程是：近端机接收经过耦合器耦合的地面电台射频信号，通过自身配置的光电转换设备，将信号发送给远端机，远端机将光信号转换为射频信号，通过全向天线辐射到弱场强区域。其计算下行接收场强如公式（1）所示[9]：

图2 STP系统设置光纤直放Fig.2 STP system setting optical fiber repeater

公式（1）中，Prm为车载电台接收信号强度/dBm；la为保护电频储备/dB；Po为远端机发射功率/dBm；Ga1为基站天线增益/dBi；Ga2为移动车载天线增益/dBi；a为空间自由损耗/dB；Lp为电缆和电缆接头的附加损耗/dB。

通常Prm=-95 dBm（电气化集中区最小接收 电 平 ），la=6.5 dB，Po=35 dBm，Ga1=10 dBi，Ga2=2.5 dBi，Lp=18 dB。

可知 ：α=Po＋Ga1＋Ga2－Prm－la－Lp=118 dB

其中，α为空间自由损耗/dB，在实际中应用中，为传输损耗LM。

根据传输损耗工程实用公式(2)计算：f取频率400 MHz；h1取地面天线高度15 m，h2取车载天线高度3.8 m（DF7内燃机车高度）。

代入数值可得： 118=88.1＋20lg400－20lg15×3.8＋40lgd

d=2.11 km。

由此可知，在地形起伏不大的情况下，采用15 m铁塔，电气化集中区2.11 km的半径范围内的场强可以达到-95 dBm，足以保证此区域内的通信要求。

在STP系统实际应用中，光纤直放站的近端机安装于信号楼内STP地面机柜，远端机位于站场能够覆盖盲区和提供供电以及安装天线的位置，通过光缆与近端机相连。应注意近端天线和远端天线距离受数据通信时延要求，不宜超过20 km。

同时，近端天线和远端天线避免由于距离过近而导致重叠区域同频干扰问题[10]，远端天线的位置不能太近。STP系统采用的电台接收机灵敏度为-103 dBm，即Prm=-103 dBm，通过公式（1）和公式（2），可计算出d=3.35 km。因此，为避免存在重叠区域，近端天线和远端天线间隔6.7 km。

2.3 异频双电台模式

在STP的建设中，编组站和货场通过场联线连接，场联线长度3～5 km，由有两个信号楼分别控制，有独立的计算机联锁系统的车站，可用异频双电台模式进行无线覆盖。异频双电台的模式是在两个信号楼分别放置两套独立的电台通信设备，两套独立的天线设备和两个独立的频点，通过场联间光缆通信。机车在场联线通过车载软件自动切换频点，同时设定定位应答器切频功能作为冗余。异频双电台的模式必须具备：1）地面控制机柜发送的电台信号在两套独立天线向外发射时，同一数据发射源，不能有时延，同时保证站内其他机车控制不受影响。2）同一个机柜必须支持两个频点的无线设备的正常工作，数据正常交换，保证在两个频点下的机车数据能够轮询交替式的正常接收信号，正常监控机车作业安全。3）在机车经过场联区段时，软件能启动自动切换频点过程，切换频点后，机车不能出现真空期，机车始终保持受控状态，无需自动入网，乘务员人机界面信息交互正常，防护距离连续显示，机车能不间断连续接收前方防护信号机的状态。4）场联区段布置应答定位器作为冗余，当场联边界处无线信号偶尔丢包时，能够通过应答器自动切换上行、下行频点，保证机车正常工作。

在已经开通的站场实际运用中，异频双电台模式具有传输距离远、性能可靠、无同频干扰、无信号失真、运行可靠和维护工作量小，逐步成为STP发展远距离传输的主要应用模式。

3 总结

通过增设干线放大器、光纤直放站以及异频双电台模式的方案，有效扩展了无线覆盖的边界，大大增强了无线场强，满足各种编组站作业的安全需求，保证STP系统正常作业。但同时也存在施工难度大、建设周期长、费用高、维护难等问题。今后通过在设计阶段综合考虑铁塔高度和位置等因素，精简方案，节支降耗，彻底解决编组站无线通信问题。