城市轨道换乘站通信方案设计与测试

胡 萍

（中铁第一勘察设计院集团有限公司通号处，陕西 西安 710043）

随着城镇化进程的加快，我国大中型城市的规模获得了迅猛的发展。在城市规模不断扩大的情况下，城市交通面临巨大的压力[1]。城市轨道建设是解决城市交通难题的重要途径，包括地面以上的轻轨系统和地面以下的地铁系统。城市轨道运输具有运载量大、运输速度快、运输效率高的特点[2]。目前，城市轻轨以及地铁系统成为我国大型城市的重要客运方式。换乘站是城市轨道系统的重要组成部分，不仅是乘客汇集和分流的枢纽，也是运输设备中转和衔接的纽带[3]。城市轨道交通系统的指令发布、任务调度、路线安排、运营管理和故障排除等工作都要在换乘站内完成。这就要求城市轨道交通系统的换乘站必须具有安全可靠的通信网络覆盖，以确保各种信息的有效传输、准确传输和实时传输。所以城市轨道交通系统内换乘站的通信系统设计具有十分重要的意义，可以保障城市轨道系统安全，提高运输效率。为此，该文进行了城市轨道换乘站通信系统设计和性能测试。

1 换乘站通信频组规划方案设计

在该文有关城市轨道换乘站通信方案的研究中，选择了某市地铁系统3条线路交汇处的换乘站。这3条线路分别是甲号地铁线路、乙号地铁线路和丙号地铁线路。在换乘站所在的位置，可以从乙号地铁线路换乘到甲号地铁线路和丙号地铁线路。这3条地铁线路现有的通信方案为无线通信模式并且通信频率为800MHz。

在现有的通信模式下，甲号地铁线路、丙号地铁线路的通信对接通过4 个频组完成，分别是A 号频组、B 号频组、C 号频组和D 号频组，每个频组内配置2 个频点。在通信任务进行中采用3 个频组轮流使用的方式，具体次序为A 号频组—＞B 号频组—＞C 号频组—＞A 号频组—＞B 号频组—＞C 号频组—＞……。这样，前3 号频组形成了频率复用，在3 线交汇处的换乘站保留了D 号频组供使用。但从现有的情况看，3条线路交汇处的换乘站通信业务量大，仅凭D 号频组难以实现有效覆盖。同时3条线路的通信器材也存在型号不一致、部分参数无法有效匹配的问题。

为此，该文对3条地铁线路交汇处的换乘站重新进行了通信方案设计和频组分配，如图1 所示。

图1 3条地铁线路交汇处换乘站的通信及频组分配方案

从图1 可以看出，水平方向上平行分布了2条地铁线路，分别是甲号地铁线路和乙号地铁线路；垂直方向上分布了一条地铁线路，是丙号地铁线路。3条线路形成交汇处的换乘站。在换乘站左侧，甲号地铁线路上根据与换乘站距离的远近分别是甲站1 和甲站2，其中甲站1 的通信使用了A 号频组，甲站2 的通信使用了C 号频组；乙号地铁线路上根据与换乘站距离的远近分别是乙站1和乙站2，其中乙站1 的通信使用了C 号频组，乙站2 的通信使用了A 号频组。在换乘站右侧，甲号地铁线路上分布了甲号线停车场，使用了C 号频组；乙号地铁线路上分布了乙号线停车场，也使用了C 号频组。在换乘站位置处，甲号线换乘站使用了B 号频组，丙号线换乘站使用了D 号频组，乙号线换乘站使用了E 号频组。

综上所述，与原有通信方案相比，换乘站处仅由D 号频组承担变成了B 号、D 号和E 号频组共同承担。这样便提升了B 号频组利用率，增添了E 号频组，也减轻了D 号频组的负担。综上所述，该文对3条地铁线路交汇处换乘站原有通信方案的解决秉承的核心思路就是降低某一个长期处于高负载的频组的通信业务承载量。如为原有的D号频组增加了更多的频组（如B 号频组和E 号频组），这样就避免了某一个频组工作负载过大可能出现的问题，如丢包、误传和错码等。同时，在整个通信承载硬件上增加了E 号频组。这虽然增加了一定程度的硬件配置和部分成本，但可以使各个通信频组都工作在最合理的负荷范围内，并为后续的各条地铁线路可能出现的延伸、扩展所带来的通信任务增加预留了工作空间，从长期看是更加具有现实意义的。

2 换乘站通信覆盖方案设计

在3条地铁线路交汇处的换乘站位置，甲号地铁线路和丙号地铁线路的站台之间配置了隔离墙，因此基本上不存在通信干扰。丙号地铁线路站台和乙号地铁线路站台则形成了公共区域，这里需要考虑干扰问题和通信覆盖问题。从实际情况看，丙号地铁线路配置了5 组天线，这些天线工作时的电平在6.8 dB~9.9 dB。公共区域的站台，其宽度达到了100m，从地面到上方极限位置的高度达到了14m。

鉴于整体空间的限制，这里先来考虑无线通信过程中的通信信号的损耗，如公式（1）所示。

式中：Lk为通信过程中通信信号的空间损耗；F为通信过程中通信频率；D为通信过程中通信距离；α为通信过程中信道衰减；E为不同通信信道上损耗的附加值。

在实际工作状态下，通信信道下行线路上应该具备频率更强的信号。根据这一情况，再考虑站台宽度为100m，要保证公共区域的站台边缘也能具有强信号，则这个边缘电平强度的计算如公式（2）所示。

式中：Pb为通信过程中公共区域站台边缘的电平强度；Pt为通信过程中公共区域中天线端口发射出的电平强度；L为通信过程中的通信信号总损耗；A为通信过程中公共区域中天线的通信增益。

通信过程中的通信信号总损耗由多个部分组成，如公式（3）所示。

式中：L为通信过程中的通信信号总损耗；Lk为通信过程中的通信信号的空间损耗；Lz为通信过程中的通信信号受到固定障碍物阻挡造成的损耗；Lr为通信过程中的通信信号受到行人人体遮挡造成的损耗；Lq为通信过程中通信信号穿过墙壁时的穿透损耗；Lc为通信过程中通信信号受到车体屏蔽所造成的损耗；Lm为通信过程中通信信号受站台门屏蔽所造成的损耗。

可见通信过程中的通信信号的总体损耗由多个成分构成。虽然构成复杂，但该文通过逐一拆解和细分，进而测量出每部分的影响，就可以更加科学和准确地计算出通信信号的总体损耗，使通信方案的设计更加合理。公式（3）中各种损耗的物理意义及现场实测的大小见表1。

表1 各种损耗的现场实测大小

3 换乘站通信方案性能测试

接下来，对该文提出的3条地铁线路交汇处换乘站的通信方案进行性能测试。这里，乙号地铁线路和丙号地铁线路站台区域的配置情况如图2 所示。

图2 乙号地铁线路和丙号地铁线路站台区域

从图2 可以看出，整个站台区域形成了3 个子区域。上方是丙号地铁线路站台的独属区域；下方是乙号地铁线路站台的独属区域；中间是乙号、丙号地铁线路站台的公共区域。在公共区域和独属区域的交汇处分别配置了5 组通信天线。这样，上方和下方交汇处一共配置了10 组通信天线。

在这样的实际场景下，按照该文提出的频组分配方案和通信覆盖方案进行测试试验，先对比该文方案执行前后距离中心区域远近不同位置处的通信信号强度，结果见表2。

表2 该文方案执行前后不同位置处通信信号强度对比

为了更加清晰地观察通信方案执行前后的通信信号强度对比情况，将表2 中的数据绘制成曲线形式，如图3所示。

图3 表2 中数据的曲线结果

结合表2 中的数据和图3 中的曲线可以看出，随着到中心位置距离的增加，2 种通信方案的通信信号强度都会下降。但是原有通信方案的通信强度下降十分明显，到边缘处左侧50m 和右侧50m 的位置全都下降了70%左右，这会对某些通信业务的正常使用造成严重的负面影响。在该文提出的通信覆盖方案下，虽然距离中心位置较远也会出现通信信号强度下降的情况，但下降幅度并不明显，到边缘处左侧50m 和右侧50m 的位置，通信信号强度仅下降了20%，不会影响通信业务的正常使用。这充分证明了该文通信覆盖方案的优势。

进一步比较该方案执行前后A、B、C、D、E 这5 个频组的利用效率，结果见表3。

表3 该文方案执行前后5 个频组利用率的对比

为了更加清晰地观察通信方案执行前后的5 个频组利用率的对比情况，将表3 中的数据绘制成柱状图形式，如图4 所示。

图4 表3 数据的柱状图结果

结合表3 中的数据和图4 中的曲线可以看出，在原有的通信方案下，A 号频组、B 号频组和C 号频组的利用率都比较低，而D 号频组的利用率达到了100%，这就出现了有的频组利用率低，而D 号频组一直满负荷运行的状态，这是不合理的。在该文通信方案之下增加了E 号频组，各频组的利用率都达到了比较均衡的状态并且具备进一步提升利用率的空间，给换乘站提出了更好的、可扩展的通信覆盖策略。

4 结论

多地铁线路交汇处换乘站的通信覆盖方案经常面临不同线路通信器材型号不一致、通信网络覆盖不充分的问题。该文以一个实际案例为研究对象，针对甲、乙、丙3条地铁线路交汇处的换乘站进行通信方案设计。首先，通过增加一个频组解决原有频组数量不足、各别频组超负荷工作的问题。其次，结合案例现场实际空间限制，综合考虑6 种损耗对通信信号的影响，提出了一种更加充分的覆盖方案。测试试验过程中，在乙号、丙号地铁线路换乘站站台公共区域配置了10 组天线。测试试验结果表明，该文覆盖方案有效解决了边缘处通信信号强度差的问题，而该文方案也使各个频组的利用率更加均衡。