无线列调系统中弱场强区解决方案

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无线列调系统中弱场强区解决方案
铁路无线列车调度通信系统是铁路行车指挥系重要组成部分，其通信质量的好坏直接关系到铁路的运输效率和行车安全。由于铁路沿线地形复杂，在山区弯道、隧道、路堑等地段容易受到障碍物的遮挡而形成通信弱场区和盲区，给列车运行造成安全隐患。对此，铁道部也提出了铁路区间实现无线调度场强全覆盖的要求。因此，解决弱场场强问题在铁路无线调度通信中变得尤为重要。
　　目前列车无线调度系统的弱场强区解决措施主要有升高天线、采用低损耗馈线和高增益天线、漏泄电缆加射频(光纤)直放中继系统设备，区间中继电台、区间遥控台、光纤直放站等方式，现就从各种方案的工作原理、特点、工程应用3个方面进行分析。
1 天线方式
　　由于场强与车站台、机车台天线高度的乘积成正比，为避免机车入库、过桥和隧道时发生碰撞，机车台天线高度不能超过有关规定，通常为8～15m。实测统计，天线高度每增加2 m，场强增加约3dB，升高天线高度可以增强场强。馈线是连接电台与天线的电能传输线，使用低损耗馈线或减少馈线长度可以有效地降低馈线阻抗，增加天线的输出功率，提高电台发射功率，扩大场强覆盖范围。而采用高隔离度天线、高增益放大器及高效天线，可以提高设备增益，增强弱场强信号。
　　采用天线方式解决弱场强问题，具有投资少、时间短、维护少等优点，但如果车站电台的天线高度太高，或车站台天线增益值太大，容易引起车站电台越区同频干扰，影响铁路大三角(车站值班员、机车司机和列车调度员)和小三角(车站值班员、机车司机和运转车长)通信。因此，工程中应合理选择天线高度、天线类型及增益值，并配合其他解决方案，不能单纯升高天线高度或增大天线增益值来解决弱场问题。
　　原长春分局管内撤除了23个车站，区间由原来的10 km变为20 km，由此引起的无线弱场强区覆盖问题就是通过升高天线、采用低损耗馈线、高增益天线，以及全向天线改为定向天线等方案解决的。
2 漏泄同轴电缆加中继器方式
　　漏泄电缆加中继器方式，需要在区间增设中继器及漏泄电缆(LCX)。电磁波通过漏泄电缆外导体上的槽孔漏泄到空间，与移动台天线耦合构成无线通道，LCX兼具信息传输和收发天线双重功能。中继器正向接收车站电台信号，或反向接收机车电台信号，放大后以较强的载波送小，其特点如下。
　　1、话音业务：符合铁道无线列调通信要求，系统技术成熟，场强覆盖均匀。由于漏泄电缆中继传输具有方向性，机车只能呼叫一个方向的车站值班员和机车台，不能满足紧急情况下的应用需要，有噪声积累效应。
　　2、数据业务：数据在进站信号机附近传送，数据传输局限性大。数据由车站电台发送，经漏缆级联传输，但易受其他通信业务和外界十扰影响。
　　3、系统组网：调度、检测总机与车站台通过电缆实回线连接，数据通信采用FFSK方式，数据传输速率低。中继器需要安装在机房内，要修专用机房，需要具备本地供电条件和专用电力设备。
　　4、使用维护：由于司机必须区分山区、平原呼叫，使用不方便；话音通信和数据通信与监控冲突，没有远程在线编程和参数设置功能；而且设备投资大。
　　此方案场强覆盖效果好，易于控制，技术成熟，传输频带宽，是一种非常成熟的技术；可适合铁路多弯处、大弯处、隧道群、长大隧道及山区地带等弱场强或无场强盲区，在城市轨道工程建设中也多有应用。但漏泄电缆造价较高，维护困难，只能应用于收发异频的系统，可解决一定距离的场强覆盖。
3 光纤直放站方式
　　车站电台射频信号送入近端站，射频信号经电/光转换变为光信号，通过光纤传送到远端站；远端站经光/电转换后将光信号还原为射频信号，放大后通过天线发射。而远端站天线接收移动台的射频信号，将射频信号放大后进行电/光转换，将光信号经光纤传送到近端站；近端站通过光/电转换后将光信号还原为射频信号，通过耦合器接入车站台。
3.1 方案特点
　　1、话音业务：适应铁路现有列调单双工系统、同异频等制式，单台覆盖距离远，抗干扰能力强，信号质量好。用于新系统建设及老系统补强，但不能越区呼叫。
　　2、数据业务：射频传输通道适应铁路多种数据通信业务传输，如TDCS及新增数据业务。
　　3、系统组网：需要占用光纤通道。作为车站场强覆盖的延伸设备，适应各种系统制式，兼容性强；适合于直流远供，不需要专用电力设备；安装调试方便，可室外挂杆或壁挂安装。
　　4、使用维护：司机必须区分山区、平原呼叫，使用不便；控制采用了数话同传技术，话音通信和数据通信与监控不影响；具有远程在线编程和参数设置功能，方便用户对车站电台、区间中继电台维护管理。
　　此方式具有中继距离远、信号质量高、抗干扰能力强、稳定性好和投资低等优点，可作为解决长大区间、长隧道等弱场强区的优选方案。
3.2 工程实例
　　兰新线武威南至嘉峪关段为双线电气化铁路，地势平坦，全线无隧道，但区间有不少深挖的路堑和弯道，阻碍了车站电台电磁波的传播。在盲区的路肩上架设水泥电杆挂设漏泄电缆，施工难度较大，而采用光纤直放站方式较为方便。它利用长途光缆或分歧光缆作为传输通道，近端站根据需要配置多个光收发模块，每个光收发模块对应一个远端站，并与该远端站之间采用一根光纤来传送上下行信号。近端站和远端站的光收发模块内分别集成一个波分复用器，上下行信号分别采用1310nm和1550 nm波长的光波来传送，实现同纤传送上下行信号。
　　光纤直放站系统将射频信号转换成光信号后经由光缆进行传输，由于光信号传输速度明显快于射频信号在射频电缆中的传输速度，避免了信号传输时延。光纤直放站系统具备遥控、遥测及完善的保护和报警功能，不但对光纤直放站进行本地和远程监测及控制，还监测各个模块。如果工作异常，监测系统会立即报警，并报告监测主机。若设备出现软件故障，可通过远程操作修复，方便了检修维护。
综上述分析，此工程采用了直放站收发合一得星形连接方式，解决了弱场强区覆盖问题。
4 区间中继电台方式
　　区间中继电台方式采用异频单/双工方式，当车站台发起呼叫机车台的下行呼叫时，通过电缆将信号传输到其连接的所有区间中继电台上，并一直发射呼叫信息；位于中继电台覆盖范围内的机车台，在收到的无线信号中选择最强的信号作为接收呼叫，并为应答车站台发起上行呼叫。设从距车站台最近的互控中继台起编号为1~n，其中第m（1﹤m﹤n)个中继电台接收到机车台的无线信号，通过电缆将信号传输给车站台，若车站台还要继续通话，其发起的呼叫将由第m个，m+1和m-1个中继电台共同发射，其余n-3个中继台不参与通话。
4.1 方案特点
　　1、话音业务：车站的全区间，机车司机可呼叫前、后方的车站值班员，两邻站覆盖范围可任意分割，满足铁路提速及紧急情况下的应用需要。适合单工、单信道语音通信，不支持多信道传输。
　　2、数据业务：实现了全区间任意点的数据传输业务。经车站电台，由分布在区间的中继电台转发／接收，其他通信业务和外界干扰影响小。由于单信道的限制，只能传输列调数据，暂时不支持其他信道数据。
　　3、系统组网：地面设备有线连接，数据传输效率高，稳定可靠。区间中继电台，可挂杆或壁挂，无需修建机房。车站电台通过通信电缆远供，无需专用电力设备。区间中继电台场强采用交叉覆盖方式，场强覆盖率可达99％以上。但地面设备必须成套提供，兼容性较差。
　　4、使用维护：区间中继电台自动识别山区和平原呼叫，可实现—键呼，方便司机操作。控制采用数话同传技术，语音、数据通信与监控互不影响。远程在线编程和参数设置功能，方便用户对车站电台、区间中继电台维护管理。
4.2 工程实例
　　遂渝铁路为国家I级电气化200km／h客货共线、速度比较高的铁路，地处丘陵和山区，桥隧多，站间距长。如果采用漏泄电缆加中继器方式，随着中继器级联数量增加，系统噪声累积大幅增加，话音信噪比降低，数据误码率增加，无法提供可靠的数据传输。特别是在长大区间，这类问题会更加明显。
　　如果采用光纤直放站方式，对于上行信号，光纤直放站近端设备采用模拟光信号或模拟射频信号叠加，同样存在噪声累积和车站多路噪声叠加问题，影响信号质量。这个问题还限制了区间安装光纤直放站的数量和距离。实际工程中，特别是在长大区间，光纤直放站需与漏泄同轴电缆和中继器结合使用。这种方式无法从根本上解决长大区间的噪声累积问题。而区间中继台方式，车站到区间中继台采用数字通道，只有区间中继台至移动电台的“最后一公里”无线通道采用模拟方式。系统几乎无噪声累积，话音质量高，数据传输可靠性高，能够满足全区间传送调度命令的需求。
　　基于上述考虑，遂渝线无线列调系统采用区间中继台方式来解决无线信号的全区间覆盖问题。车站台和区间中继台通过数字链路连接，基本解决了直放模式存在的噪声累积问题，可以不受地点限制，实现全区间任意位置的数据传输。
5 区间遥控台方式
　　区间遥控台方式，设在弱场区的区间遥控台通过有线电缆与车站台相连，车站台控制其工作状态，两者同收同发，一般1个车站台可带1~2个区间遥控台。这种方式较早应用于无线列调弱场强区，可作为同频单工系统中解决区间弱场区的首选，但使用条件受到一定限制，且同收同发方式容易产生同频干扰。
6 400MHz+400 kHz感应通信方式
　　400 MHz+400 kHz感应电台是400 MHz频段和400 kHz频段合为一体的电台，两频段同时发射和接收，按2路话音输出方式工作，如果其中一路话音输出不能满足话音质量指标要求，将自动关闭。400 kHz信号的传输方式是利用波导感应原理，将400 kHz信号感应在电力接触网导线上，利用接触网做波导传输信号，它在区间内通信覆盖率达100％。在平原地区以及车站的多股道无电区，以400 MHz频段为主，利用两频段传输之间的互补，形成400 MHz+400 kHz的合体电台。
　　该方案优点是工程造价比漏泄方式低，适用于多路堑、多隧道的山区电气化铁路，但必须依靠电气化铁路的接触网设备才能进行传输，有一定的局限性。天线不易小型化，产品的选择余地小，该方式—直没有大范围的使用。
7 结束语
　　日前，采用性能优越的GSM-R系统的铁路不断涌现，对无线通信的可靠性、实时性要求越来越高，单一方式的弱场强区的解决方案已不能满足铁路的发展。因而在无线列调系统工程设计中，必须综合考虑线路地形、各方案适用条件、工程造价等具体情况，进行技术、经济比较，科学合理地选用一种或几种无线列调弱场强区的解决方案，保证良好的场强覆盖，以满足列车运行调度的高可靠性