基于前后端分離的鐵路室內(nèi)無線通信覆蓋的可視化研究

王昕

【摘要】? ? 本文從我國通信無線室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)主流方案、組成結(jié)構(gòu)、覆蓋原則等基本原理出發(fā)，簡(jiǎn)單闡述了我國鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)室內(nèi)覆蓋的設(shè)計(jì)流程，針對(duì)實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中個(gè)別環(huán)節(jié)存在的問題，基于動(dòng)態(tài)配置設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)方案可視化等需求，提出基于前后端分離的鐵路室內(nèi)無線覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可視化方案，以供鐵路數(shù)字化、智能化建設(shè)行業(yè)相關(guān)工作人員參考。

【關(guān)鍵字】? ? 鐵路無線通信? ? 室內(nèi)無線覆蓋設(shè)計(jì)? ? 前后端分離? ? 數(shù)據(jù)可視化

引言：

近年來，一大批新型現(xiàn)代化鐵路客站陸續(xù)開通運(yùn)營，此類客站的特點(diǎn)是占地面積大、功能劃分精細(xì)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)無線通信信號(hào)在鐵路客運(yùn)站的室內(nèi)覆蓋工作提出了新的需求;同時(shí)在全球數(shù)字化、信息化飛速發(fā)展的大背景下，各行業(yè)對(duì)業(yè)務(wù)自動(dòng)化、數(shù)據(jù)可視化的需求不斷加強(qiáng)，提高生產(chǎn)效率成為企業(yè)發(fā)展自身市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要一環(huán)，因此，對(duì)于鐵路工程設(shè)計(jì)單位來說，生產(chǎn)設(shè)計(jì)、經(jīng)營管理等各類業(yè)務(wù)流程數(shù)字化升級(jí)勢(shì)在必行。

本文提出基于web的鐵路室內(nèi)無線覆蓋可視化設(shè)計(jì)平臺(tái)的開發(fā)思路，應(yīng)用前后端分離技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可通過移動(dòng)、PC端查看工程系統(tǒng)數(shù)據(jù)、并根據(jù)實(shí)際拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)修改室內(nèi)無線覆蓋系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)及信號(hào)頻率分布方案，后端獲取到前端數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算存儲(chǔ)后渲染到前端，可視化展現(xiàn)覆蓋方案數(shù)據(jù)流動(dòng)的同時(shí)，也可降低后期方案修改而產(chǎn)生的設(shè)計(jì)時(shí)間成本。

一、鐵路移動(dòng)通信室內(nèi)覆蓋

（一）室內(nèi)無線覆蓋系統(tǒng)

室內(nèi)無線覆蓋一種是保證室內(nèi)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)理想信號(hào)覆蓋的移動(dòng)通信子系統(tǒng)[1]，無線通信信號(hào)通過室外信源進(jìn)入室內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生穿透損耗，一些大型的樓宇建筑通常采用室內(nèi)分布系統(tǒng)將信源的反射功率信號(hào)按不同鏈路均勻地進(jìn)行分配，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)區(qū)域的有效覆蓋，室內(nèi)無線覆蓋系統(tǒng)通常包括信號(hào)源和室內(nèi)分布系統(tǒng)兩部分。

常見的信號(hào)源按移動(dòng)通信系統(tǒng)劃分主要有GSM系統(tǒng)[2]、CDMA系統(tǒng)、WCDMA系統(tǒng)、LTE系統(tǒng)等，按信源接入設(shè)備劃分，可以分為宏蜂窩接入、微蜂窩接入及直放站接入等信源接入技術(shù)。室內(nèi)分布系統(tǒng)按接入信源可以劃分為傳統(tǒng)分布系統(tǒng)（DAS）、新型分系統(tǒng)以及多源融合分布系統(tǒng)等類型，按目前我國室內(nèi)無線覆蓋仍以傳統(tǒng)分布系統(tǒng)為主。

根據(jù)分布天線類型劃分，傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)可分為無源系統(tǒng)和有源系統(tǒng)。無源系統(tǒng)指系統(tǒng)由耦合器、功分器、合路器、POI等無源器件和饋線構(gòu)成，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)不加入有源設(shè)備和器件。其結(jié)構(gòu)和性能相對(duì)平穩(wěn)、系統(tǒng)建維簡(jiǎn)單、成本較低，但后期不易運(yùn)維。有源結(jié)構(gòu)指系統(tǒng)建設(shè)過程中，為了增加系統(tǒng)的覆蓋能力，加入了有源器件和設(shè)備，但需要電源進(jìn)行供電，建設(shè)難度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。因此，傳統(tǒng)的室分系統(tǒng)大部分為無源結(jié)構(gòu)。

（二）鐵路室內(nèi)無線覆蓋需求

目前大型鐵路客運(yùn)站由于區(qū)域功能劃分精細(xì)、站房結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)各種系統(tǒng)的室內(nèi)覆蓋要求也不盡相同，一般要求提供GSM-R系統(tǒng)、450MHZ無線列調(diào)系統(tǒng)、移動(dòng)GSM900M、移動(dòng)TD-LTE、電信CDMA888M、聯(lián)通WCDMA等的覆蓋。

其中，GSM-R系統(tǒng)用于提供鐵路通信、數(shù)據(jù)傳輸及特定專網(wǎng)業(yè)務(wù)的通信傳輸，需要實(shí)現(xiàn)車站附近區(qū)間及站房?jī)?nèi)的無線覆蓋;450MHZ無線列調(diào)系統(tǒng)覆蓋主要設(shè)于站臺(tái)層;各類公網(wǎng)室內(nèi)無線覆蓋主要用于各類多媒體客運(yùn)服務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸和通信業(yè)務(wù)。本研究主要以鐵路GSM-R系統(tǒng)的室內(nèi)覆蓋設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)配置及前端展示研究。

（三） 鐵路室內(nèi)無線覆蓋原則及設(shè)計(jì)參數(shù)

1.鐵路無線室內(nèi)覆蓋的設(shè)計(jì)原則

鐵路客站無線覆蓋應(yīng)遵循以下基本設(shè)計(jì)原則：

（1）保證信號(hào)覆蓋質(zhì)量的基礎(chǔ)上，考慮經(jīng)濟(jì)成本，結(jié)合業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)，合理選擇信號(hào)源;

（2）若非必要不新設(shè)基站，一般接入信號(hào)覆蓋區(qū)域附近基站，以滿足室內(nèi)覆蓋容量需求;

（3）根據(jù)覆蓋區(qū)域特點(diǎn)，在保證無線覆蓋質(zhì)量的前提下，優(yōu)化天線數(shù)量;

（4）保證室內(nèi)覆蓋信號(hào)嚴(yán)格控制在限定范圍內(nèi)，不能對(duì)沿線GSM-R網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾。

2.鐵路無線室內(nèi)覆蓋相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

鐵路客運(yùn)站房GSM-R室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括信號(hào)源設(shè)置、分布器件的安裝以及天饋系統(tǒng)的布設(shè)。以直放站信源接入結(jié)合無源分布系統(tǒng)為例，需要根據(jù)各不同鏈路信號(hào)衰耗、無源器件性能參數(shù)、饋線參數(shù)、天線輸出功率等，進(jìn)行室內(nèi)分布系統(tǒng)方案的確定。

（1）鏈路損耗計(jì)算

對(duì)鐵路站房?jī)?nèi)各層站廳、候車廳、走道等室內(nèi)區(qū)域進(jìn)行GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋，其電波傳播環(huán)境近似自由空間傳播環(huán)境，按以下公式計(jì)算空間損耗。

LS（dB）=20lg（f）+20lg（d）-27.6

其中，d為傳輸距離，單位m;f為電波頻率，單位MHz（取900MHz），由此得出不同距離的空間損耗如表1所示。

GSM-R移動(dòng)手持臺(tái)最終接收電平為天線口輸出功率經(jīng)過空間損耗、阻擋損耗、多經(jīng)損耗后的剩余輸出功率，一般不可小于-75dBm，帶入上述參數(shù)計(jì)算，GSM-R室內(nèi)覆蓋工程設(shè)計(jì)室內(nèi)全向天線覆蓋半徑按15m考慮，則天線口輸出功率取之約10dBm，定向天線覆蓋距離半徑按100m考慮，則天線口輸出功率按21dBm左右控制。

（2）無源器件

站房GSM-R室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)無源器件選取常用的二功分器、三功分器、耦合器（5dB、6dB、7dB、10dB、15dB和20dB），將光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)的功率分配至各個(gè)天線，以滿足各天線輸出功率要求。無源器件頻率適用范圍包括885～889MHz和930～934MHz;阻抗為50Ω;功率容量不小千200W;無源互調(diào)及隔離度等性能指標(biāo)滿足分布系統(tǒng)要求。

（3）饋線

本室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)采用的線纜主要包括1/2"跳線、1/2"射頻同軸電纜和7/8"射頻同軸電纜，頻率適用范圍包括885～889MHz和930～934MHz;阻抗為50Ω;外護(hù)套使用低煙無鹵阻燃材料。

（4）天線

本室內(nèi)覆幢系統(tǒng)采用室內(nèi)全向天線和室內(nèi)定向天線2種天線。其頻率適用范圍包括885～889MHz和930～934MHz;輸入阻抗為50Ω;極化方式為垂直極化;功率容量不小于50W。

二、鐵路室內(nèi)無線覆蓋可視化系統(tǒng)平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

（一）鐵路室內(nèi)無線覆蓋設(shè)計(jì)流程

鐵路室內(nèi)無線覆蓋系統(tǒng)勘察設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

（二）需求分析

通過對(duì)于鐵路室內(nèi)無線覆蓋設(shè)計(jì)工作的流程進(jìn)行分析，此項(xiàng)工作的關(guān)鍵在于分布系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及輸出功率的分配，當(dāng)客運(yùn)站占地面積大、功能分區(qū)復(fù)雜時(shí)，各類無源設(shè)備的合理布設(shè)顯得尤為重要。然而，從某大型鐵路客運(yùn)站的室內(nèi)覆蓋方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看出，分布系統(tǒng)的設(shè)備的布設(shè)難度隨著客運(yùn)站房的分區(qū)數(shù)量呈指數(shù)型增長(zhǎng)，各設(shè)備之間數(shù)據(jù)相互影響，任意局部數(shù)據(jù)的調(diào)整都將使得全局?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)生改變，人工測(cè)算難度大、耗時(shí)長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低下。

綜合上述需求，本文提出了基于前后端分離的鐵路室內(nèi)無線通信覆蓋的可視化的研究思路[6]，將設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)通過前后端分離的方式進(jìn)行整體動(dòng)態(tài)計(jì)算、關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)和前端渲染，直觀展現(xiàn)設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)變動(dòng)情況的同時(shí)，大大降低了錯(cuò)誤率、減少設(shè)計(jì)人員復(fù)盤返工時(shí)間。

1.用戶群分析

根據(jù)上文中對(duì)于鐵路室內(nèi)覆蓋可視化系統(tǒng)的背景及目標(biāo)介紹，該系統(tǒng)的用戶群可分為系統(tǒng)管理員、普通設(shè)計(jì)用戶、訪客人員三類。系統(tǒng)管理員用戶主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)全端的整體管理，同時(shí)需要進(jìn)行系統(tǒng)模塊功能、數(shù)據(jù)及用戶狀態(tài)的運(yùn)維;普通設(shè)計(jì)用戶是平臺(tái)系統(tǒng)的主要使用者，具備一定程度的專業(yè)基礎(chǔ)，對(duì)室內(nèi)覆蓋的工作流程十分熟悉，是平臺(tái)系統(tǒng)的操作、使用反饋等數(shù)據(jù)的主要產(chǎn)生用戶;訪客人員是可視化設(shè)計(jì)平臺(tái)的參觀者，具備的操作權(quán)限簡(jiǎn)單流暢，僅具有少部分系統(tǒng)的訪問瀏覽權(quán)限。

2.總體功能需求

平臺(tái)系統(tǒng)主要的功能需求包括：頁面可視化動(dòng)態(tài)配置、數(shù)據(jù)源配置、頁面管理、用戶管理。

頁面可視化動(dòng)態(tài)配置功能為用戶提供可視化系統(tǒng)全流程配置功能，僅對(duì)普通設(shè)計(jì)用戶及管理員用戶開發(fā);數(shù)據(jù)源配置功能同樣面向可登錄的設(shè)計(jì)人員用戶及管理員用戶，可以進(jìn)行前端手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、mock數(shù)據(jù)以及本地上傳數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)源的配置;頁面管理功能屬于公共功能，但訪客只有讀取的權(quán)限，查看和試用，此功能主要為正式用戶提供較快的視圖加載和數(shù)據(jù)渲染速度，優(yōu)化用戶體驗(yàn);用戶管理功能為管理員用戶專項(xiàng)權(quán)限，用戶管理和維護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)用戶的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

3. 非功能需求

本系統(tǒng)的非功能需求表現(xiàn)為較高的系統(tǒng)穩(wěn)定需求以及較快的響應(yīng)渲染速度需求[7]。

（三）框架設(shè)計(jì)

如圖2所示，本文采用MVC（Model、View、Controller）前后端分離技術(shù)框架實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化配置，View層負(fù)責(zé)前端的頁面數(shù)據(jù)展示和用戶交互，Model層后端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算，Controller層進(jìn)行后端數(shù)據(jù)與前端頁面的數(shù)據(jù)傳輸和關(guān)鍵邏輯功能的實(shí)現(xiàn)。此類前后端分離框架模式可以增強(qiáng)整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性、擴(kuò)展性及維護(hù)性。

三、關(guān)鍵技術(shù)

隨著通信傳輸和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，web端應(yīng)用系統(tǒng)越來越受到企業(yè)和技術(shù)人員的青睞，各種技術(shù)框架廣泛用于各類大中型系統(tǒng)的開發(fā)中。本系統(tǒng)在開發(fā)過程中，基于Nodejs的技術(shù)環(huán)境，采用Vue、ECharts、Antv_g6等框架庫進(jìn)行前端頁面展示，通過前端用戶交互及數(shù)據(jù)源初始化配置進(jìn)行前后端數(shù)據(jù)傳輸，通過控制層將相關(guān)設(shè)計(jì)用戶、天饋系統(tǒng)設(shè)備及操作行為等數(shù)據(jù)與傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，進(jìn)而將其存入mysql庫中適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)關(guān)系表內(nèi)，并在需要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和輸出，已實(shí)現(xiàn)后端數(shù)據(jù)的前端動(dòng)態(tài)化展示。

（一）Nodejs

Nodejs是一種開源、跨平臺(tái)的JavaScript運(yùn)行環(huán)境，其性能方面優(yōu)勢(shì)突出。Nodejs原生模塊及操作大多為異步的，這極大地提高了任務(wù)的流暢性，編程模型效率很高;其次Nodejs的事件驅(qū)動(dòng)模式使得項(xiàng)目開發(fā)流程變得簡(jiǎn)潔，事件之間的協(xié)作能力很強(qiáng);僅支持單線程的編程方式使得許多例如同步狀態(tài)問題、資源死鎖問題等被輕松規(guī)避。

（二）Vue

Vue是一種側(cè)重于視圖層開發(fā)的、可提供MVVM（Model-View-View-Model）風(fēng)格的雙向數(shù)據(jù)綁定JavaScript框架庫，其可實(shí)現(xiàn)View層與Model層之間搞笑的數(shù)據(jù)映射和綁定，為開發(fā)人員節(jié)省了很多DOM的過程，提高了項(xiàng)目的開發(fā)效率。

（三）ECharts

ECharts（Enterprise Charts）意為商業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)圖表，其基于輕量級(jí)圖形類庫zrender繼續(xù)開發(fā)，在先前創(chuàng)建的9個(gè)基礎(chǔ)組件的基礎(chǔ)上，提供了豐富的圖表類型，是一個(gè)純正的JavaScript圖表庫。它支持直角坐標(biāo)、極坐標(biāo)、地理坐標(biāo)等多種坐標(biāo)系;具有布局、操作優(yōu)化的移動(dòng)端界面;通過提供豐富的用戶交互組件以進(jìn)行深度交互式數(shù)據(jù)探索;可以在某些圖表中輕松展現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)量;框架為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，通過數(shù)據(jù)的改變驅(qū)動(dòng)圖表視圖改變，輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)化展示。

四、結(jié)束語

本文基于web前端分離技術(shù)對(duì)鐵路客運(yùn)站室內(nèi)無線覆蓋數(shù)據(jù)可視化動(dòng)態(tài)配置進(jìn)行了研究，首先，基于鐵路無線室內(nèi)覆蓋需求，介紹了鐵路移動(dòng)室內(nèi)通信覆蓋的設(shè)計(jì)原則及技術(shù)參數(shù)，進(jìn)而通過對(duì)我國現(xiàn)階段鐵路無線室內(nèi)覆蓋勘察設(shè)計(jì)流程的梳理，闡明了鐵路無線室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的可視化設(shè)計(jì)的必要性。此外，針對(duì)可視化系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了基于前后端分離模式的技術(shù)框架，并對(duì)無線室內(nèi)覆蓋可視化組件開發(fā)技術(shù)以及前端實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探究。

實(shí)際應(yīng)用表明，本文的無線室內(nèi)覆蓋可視化方案在一定程度上滿足了勘察設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)對(duì)可視化組件靈活性、可移植性要求，為其他業(yè)務(wù)提供了便捷，為鐵路通信勘察設(shè)計(jì)可視化建設(shè)提供了前瞻性的試驗(yàn)和探索。隨著鐵路勘察設(shè)計(jì)行業(yè)數(shù)字化、信息化的發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)可視化要求會(huì)逐步提高，該平臺(tái)系統(tǒng)功能也將不斷迭代更新與完善。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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