地铁专用无线通信系统方案设计
杨秀（铁道第一勘察设计院通号处 甘肃 兰州 730000）
摘 要：本文结合广州地铁四号线大学城专线段设计，对地铁专用无线通信系统的方案优化进行了介绍。
关键词：地铁 无线通信 方案设计
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
随着国民经济的快速发展，城市地铁建设进入了一个高潮时期。广州、上海、北京已经建成数条地铁线路，且仍有数条在建或在很短的时期内将建；深圳、大连、南京、重庆、武汉、天津、沈阳等城市的地铁建设已经启动；杭州、西安、青岛的地铁项目也在规划之中。地铁专用无线通信作为高速运行的地铁列车与车下运营管理机构之间唯一的通信手段，担负着提高运营效率、保障行车安全及地铁乘客生命安全的重要使命。通过精心设计、精心施工，以先进成熟的技术和设备提供满足一切使用要求的地铁专用无线通信系统，是每一个专业工作者的职责。本人在广州地铁四号线大学城专线段专用无线通信系统的设计过程中，对系统方案的选择曾作过比较深入的考虑，在此总结出来与同行分享。不足之处请批评指正。
地铁专用无线通信系统的设计，以确保语音及数据通信功能、调度管理功能的实现以及保证全线场强覆盖、提高通信质量为最终目标。同时，系统的安全可靠、扩容和后期工程的延续性也是系统设计的重要依据。其中系统方案的确定又是设计工作中最为关键的环节——它不仅对整个无线通信系统性能的好坏、价格的高低起着决定性的作用，而且对是否能满足地铁后期工程带来的通信系统扩容要求具有极大的影响。因此慎重设计和优选系统方案，妥善处理好当前建设和今后发展的关系，具有重要的意义。
（1）专用无线通信系统方案比选
a.技术体制比选
目前,在全球范围内,应用较多的解决专用无线调度通信的技术体制大致有三种:
GSM-R、TETRA数字集群及MPT1327模拟集群通信体制。GSM-R是在公网GSM技术基础上融合了调度通信功能的专门用于铁路无线通信的数字集群通信系统。其突出特点是将高速铁路列车自动控制信息的传输与以语音通信为主的调度通信统一纳入同一个无线通信平台。是一个功能完善、实现通信信号一体化的先进高效的通信系统。在欧洲高速铁路得到了大量应用。广州地铁四号线在设计的初期阶段，拟采用列车无人驾驶技术。相应地，信号专业须配套设置以波导管为传输媒介的列车自动控制信息无线传输系统。在这种情况下，若采用GSM-R系统将无线调度通信和列车自动控制信息传输集成在同一个系统里，无疑是节省投资、提高通信系统使用效率的一种途径。但是，GSM-R系统在投入实施以前，还有大量实验与验证工作要做。因为，GSM-R应用于行车间隔短、车流密度大的城市轨道交通的情况还不多见。鉴于四号线工期的紧迫性，不可能有时间去做大量的实验工作，加之在设计工作的进程中，四号线列车的无人驾驶方式已被否定，因此四号线没有建议采用GSM-R体制。但是，就以上思路立项搞科研，为地铁后续线路作技术储备，应该很有必要；TETRA数字集群与MPT1327模拟集群通信系统都是为调度通信专门制定的通信体制，当然具备调度通信所要求的一切功能。两种体制的通信系统均得到了广泛的应用。只是两者的应用领域有所侧重：TETRA数字集群系统在各国的地铁、轻轨等城市交通领域有大量的应用；而MPT1327模拟集群系统则在公安、油田、水利等部门大显其能。应该说，TETRA数字集群和MPT1327模拟集群系统都能够完全满足地铁运营管理对专用无线通信系统的要求，只是模拟系统不如数字系统的频率利用率高，且数字通信技术终归是未来的发展方向，再者广州、上海、北京、深圳、南京等城市已经建成或正在建设的地铁线路均已采用TRTRA系统解决专用无线通信，为充分利用地铁已经获得的频率资源，并且为整个城市地铁无线通信网的全网统一性考虑，建议采用TETRA数字集群通信体制实现城市地铁专用无线通信。
b.系统新建与扩容方式比选
采用TETRA数字集群通信系统实现地铁专用无线通信可以有两种方式：新建系统方式和在其他线TETRA系统基础上扩容的方式。
以广州地铁四号线为例，它与地铁三号线及后续五号、六号等线共用汉溪控制中心。三号线专用无线通信设备已经招标确定为TETRA体制的MOTOROLA公司DIMETRA数字集群通信系统。可以对三号线DIMETRA系统的中心控制设备进行扩容并将四号线所设的TETRA基站纳入其中，形成三、四号线共用的通信系统（从软件功能设置上将不同线用户隔离开来），从而解决四号线专用无线通信。从理论上来讲，该扩容方式不用再上中心控制设备，可以节约投资、提高通信系统使用效率。为地铁各条线路无线通信系统的相互兼容、互连互通打下基础。可现实中，由于一些商业原因（采用扩容方案就意味着指定了设备厂家。取消了竞争机制，也许设备采购下来总价有增无减），理论上合理的方案在实际操作中得不到期望的效果。所以，在这个问题上不好一概而论，每条新建地铁线路要根据具体情况做具体分析。广州地铁四号线在上述原因之外，又加上工期配合方面的原因，最终还是推荐了四号线新建一套独立的TETRA数字集群通信系统的方案。
c.系统结构比选
根据地铁线路的特点，TETRA数字集群通信系统按基站设置方式的不同可以有以下几种系统结构：
① 小区制：在控制中心设置交换控制设备，在地铁沿线各车站设置基站，交换控制设备与基站之间通过有线传输通道连接，地铁沿线架设漏泄同轴电缆实现全线场强覆盖。小区制的缺点是投资较高，列车司机与行车调度员之间的通话存在较多越区切换；优点是信道利用率高，系统的故障弱化能力较强，尤其可贵的是能够实现车站值班员与接近列车司机之间无须拨号就能建立的通信联系（国铁俗称小三角通信）。
② 中区制：在控制中心设置交换控制设备，在地铁沿线的重要车站设置基站，其它车站设置射频放大设备，交换控制设备与基站之间通过有线传输通道连接，地铁沿线架设漏泄同轴电缆。中区制在设备投资、信道利用、越区切换频次、故障弱化能力等方面均介于大区制与小区制之间，不具备小区制的小三角通信功能，也不存在大区制的车载设备在列车进出车辆段时正线通话组与车辆段通话组不能自动转换的问题。
③ 大区制：在控制中心设置交换控制设备和基站，在地铁沿线车站均设置射频放大设备，地铁沿线架设漏泄同轴电缆实现场强覆盖。大区制的优点是投资较省，列车司机与行车调度员之间的通话不存在越区切换；缺点是信道利用率不高，故障弱化能力较差，不能实现小三角通信，尤其是列车进出车辆段时正线通话组与车辆段通话组不能自动转换。此外，大区制系统结构不易扩容也是其致命弱点。因为地铁工程建设的分期、分阶段是司空见惯的事情。譬如广州地铁四号线就是将全线60余公里的线路分成三段：科学城—琶洲塔；琶洲塔—新造；新造—南沙。其中，琶洲塔—新造称为大学城专线段，先期建设。将来，其余两段地铁修建时，其专用无线通信系统注定是要在大学城专线段系统之上扩容的。
大、中、小区制系统信道利用率分析比较的理论依据见图1—共用信道数n与每信道能容纳用户数m的关系及图2—过载呼损率B与过载百分数的关系：
由图可见，当共用信道数超过10个以后，信道利用率增长趋于平缓（图1），且共用信道数越大，耐过载能力越差。即话务量过载时呼损率增加越快（图2），服务质量下降越严重。因此，在移动通信系统中，不提倡采用信道数过多的大区制系统，而建议采用大区分裂成小区的方案。也就是说从话务量与服务质量的关系角度出发，多基站的中、小区制方式优于单基站的大区制方式。
综合上述对大、中、小区制三种系统结构的分析比较，建议地铁专用无线通信系统采用中、小区制系统结构进行组网。具体到广州地铁四号线大学城专线段由于平均站间距离比较长，拟采用小区制结构组成其专用无线通信系统。将来在四号线后续工程中，若地下区段的站间距比较小而且不特别强调小三角通信功能时（因为地铁的运营组织模式为调度集中，车站值班员与接近列车司机之间的通话并不象非调度集中时的国铁那样被规定为必须的形式——叫做“车机联控、进站问路”，所以运营部门有可能并不十分强调小三角通信功能），有可能以中区制方式进行组网。
d.隧道内场强覆盖方式比选
地铁区间隧道内射频场强的覆盖方式无外乎两种：采用隧道天线作为辐射源的空间波覆盖方式及采用漏泄电缆作为传输线和分布天线的覆盖方式。前者投资省，安装工程量小，但场强覆盖难以控制，会对隧道内的电磁环境产生不良影响，无法为控制越区切换、降低同频干扰等具体问题进行针对性的场强分布精确设计，实际使用先例很少；而后者尽管造价昂贵，施工工程量大， 但由于采用漏泄电缆能够实现对电磁波传播和辐射的严密控制（既保证了自身系统的抗干扰又能降低对其他无线系统干扰的可能性），因此在国内外地铁的建设中均得到了广泛的应用。所以本设计依然推荐采用漏泄电缆解决隧道内的场强覆盖。
隧道中漏泄电缆的配置可以有多种方式。广州地铁四号线以前的工程基本采用固定耦合损耗的配制方式（仅根据区间长度的不同，从尽量不设区间射频信号放大器的角度去选择不同传输损耗的漏泄电缆）。此种方式的优点是设计、施工都相对简单。缺点是隧道内场强分布不均匀。尽管漏缆始端（射频信号馈入端）和末端在隧道中形成的电场强度的差异可以通过移动终端的自动增益控制功能得到均衡，但此种方式对射频信号能量所造成的浪费是不可避免的。从理论上来讲，最好是选择一种耦合损耗渐变的漏缆，也就是说由于漏缆的传输损耗所造成的漏缆中射频信号电平的逐渐下降，可以通过逐渐变小的耦合损失加以补偿，最终在隧道中得到的场强覆盖曲线是一条完美的直线。但实际中由于漏缆生产工艺的限制，耦合损失渐变的漏缆还没有进入实用阶段。于是变通地，就有了选用几种不同耦合损失的漏缆进行组合的应用方式。这种方式提供的场强覆盖曲线尽管达不到理想的水平直线，但已能得到下降斜率很小的直线基础上的锯齿波形。也就是说缩小了场强波动范围。理论计算证明（过程从略）采用组合方式的漏缆配置在系统最低接收电平不变的情况下，可以延长漏缆的覆盖距离。因此，在工程设计中，如果漏缆产品的型号规格、接头种类、安装配件等满足使用要求，建议采用组合方式进行漏缆配置。通过精心设计、精心施工，使系统得到更好的场强覆盖并使射频能量得到更加充分的利用。
e.长大区间射频信号放大方式的比选
采用漏泄电缆实现区间隧道射频信号的场强覆盖，当区间太长时需在漏缆中间增加放大器对射频信号进行放大。常用的放大器有两种类型：射频直放中继器和采用光纤作为传输媒介的光纤直放站。两种放大方式对比如下：
① 下行载噪比
采用射频直放中继器放大的是由基站获得的信号，可以获得较好的载噪比；光纤直放站由于光端机噪声系数的增加，其信号的载噪比不及射频直放中继器。
② 上行噪声
采用射频直放中继器的上行噪声较小，对基站的影响较小；采用光纤直放站的上行噪声较大，对基站的影响较大。
③ 可靠性
由于射频直放中继器是一级有源设备，可靠性较好；光纤直放站包含近端射频调制、光路传输、远端射频解调、射频放大四个部分，这四个部分是串联工作的，其中每一个部分出了故障，都会导致整条链路故障，可靠性较差。
④ 信号传输时延
在放大器不级联的情况下，射频直放中继器对原射频信号的附加时延小；光纤直放站附加时延大。
⑤ 延伸距离
射频直放中继器只能单向延伸覆盖范围；光纤直放站可以从中间向两端延伸，因此后者的延伸距离长。
⑥ 级联放大互调影响
射频直放中继器级联放大时互调影响较大；光纤直放站级联放大时互调影响较小。
应该说两种方式各有利弊。但总的说来，当放大器不级联时，采用射频直放中继器比较合适；反之，当放大器需要多级级联时，则采用光纤直放站更为有利。
经过上述多方面的比选，建议地铁专用无线通信采用TETRA数字集群通信系统，并以多基站加一级射频直放中继器的结构组成系统。该结构的特点是频率资源利用率较高，话务分布较为均匀，能较好地满足群组通信的需求，干扰较少，系统可靠性较高，系统扩容灵活方便。
参考文献：
郑祖辉、鲍智良等《 数字集群移动通信系统 》，电子工业出版社，2002年
作者简介：杨秀，铁一院通号处高级工程师。1982年毕业于北方交通大学电信系铁道无线通信专业。目前作为专业设计负责人正在进行广州地铁四号线大学城专线段无线通信系统设计。
联系电话：020-86394513，13993109491
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2003年9月8日
