城市軌道換乘站通信方案設計與測試

胡 萍

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司通號處，陜西 西安 710043）

隨著城鎮化進程的加快，我國大中型城市的規模獲得了迅猛的發展。在城市規模不斷擴大的情況下，城市交通面臨巨大的壓力[1]。城市軌道建設是解決城市交通難題的重要途徑，包括地面以上的輕軌系統和地面以下的地鐵系統。城市軌道運輸具有運載量大、運輸速度快、運輸效率高的特點[2]。目前，城市輕軌以及地鐵系統成為我國大型城市的重要客運方式。換乘站是城市軌道系統的重要組成部分，不僅是乘客匯集和分流的樞紐，也是運輸設備中轉和銜接的紐帶[3]。城市軌道交通系統的指令發布、任務調度、路線安排、運營管理和故障排除等工作都要在換乘站內完成。這就要求城市軌道交通系統的換乘站必須具有安全可靠的通信網絡覆蓋，以確保各種信息的有效傳輸、準確傳輸和實時傳輸。所以城市軌道交通系統內換乘站的通信系統設計具有十分重要的意義，可以保障城市軌道系統安全，提高運輸效率。為此，該文進行了城市軌道換乘站通信系統設計和性能測試。

1 換乘站通信頻組規劃方案設計

在該文有關城市軌道換乘站通信方案的研究中，選擇了某市地鐵系統3條線路交匯處的換乘站。這3條線路分別是甲號地鐵線路、乙號地鐵線路和丙號地鐵線路。在換乘站所在的位置，可以從乙號地鐵線路換乘到甲號地鐵線路和丙號地鐵線路。這3條地鐵線路現有的通信方案為無線通信模式并且通信頻率為800MHz。

在現有的通信模式下，甲號地鐵線路、丙號地鐵線路的通信對接通過4 個頻組完成，分別是A 號頻組、B 號頻組、C 號頻組和D 號頻組，每個頻組內配置2 個頻點。在通信任務進行中采用3 個頻組輪流使用的方式，具體次序為A 號頻組—＞B 號頻組—＞C 號頻組—＞A 號頻組—＞B 號頻組—＞C 號頻組—＞……。這樣，前3 號頻組形成了頻率復用，在3 線交匯處的換乘站保留了D 號頻組供使用。但從現有的情況看，3條線路交匯處的換乘站通信業務量大，僅憑D 號頻組難以實現有效覆蓋。同時3條線路的通信器材也存在型號不一致、部分參數無法有效匹配的問題。

為此，該文對3條地鐵線路交匯處的換乘站重新進行了通信方案設計和頻組分配，如圖1 所示。

圖1 3條地鐵線路交匯處換乘站的通信及頻組分配方案

從圖1 可以看出，水平方向上平行分布了2條地鐵線路，分別是甲號地鐵線路和乙號地鐵線路；垂直方向上分布了一條地鐵線路，是丙號地鐵線路。3條線路形成交匯處的換乘站。在換乘站左側，甲號地鐵線路上根據與換乘站距離的遠近分別是甲站1 和甲站2，其中甲站1 的通信使用了A 號頻組，甲站2 的通信使用了C 號頻組；乙號地鐵線路上根據與換乘站距離的遠近分別是乙站1和乙站2，其中乙站1 的通信使用了C 號頻組，乙站2 的通信使用了A 號頻組。在換乘站右側，甲號地鐵線路上分布了甲號線停車場，使用了C 號頻組；乙號地鐵線路上分布了乙號線停車場，也使用了C 號頻組。在換乘站位置處，甲號線換乘站使用了B 號頻組，丙號線換乘站使用了D 號頻組，乙號線換乘站使用了E 號頻組。

綜上所述，與原有通信方案相比，換乘站處僅由D 號頻組承擔變成了B 號、D 號和E 號頻組共同承擔。這樣便提升了B 號頻組利用率，增添了E 號頻組，也減輕了D 號頻組的負擔。綜上所述，該文對3條地鐵線路交匯處換乘站原有通信方案的解決秉承的核心思路就是降低某一個長期處于高負載的頻組的通信業務承載量。如為原有的D號頻組增加了更多的頻組（如B 號頻組和E 號頻組），這樣就避免了某一個頻組工作負載過大可能出現的問題，如丟包、誤傳和錯碼等。同時，在整個通信承載硬件上增加了E 號頻組。這雖然增加了一定程度的硬件配置和部分成本，但可以使各個通信頻組都工作在最合理的負荷范圍內，并為后續的各條地鐵線路可能出現的延伸、擴展所帶來的通信任務增加預留了工作空間，從長期看是更加具有現實意義的。

2 換乘站通信覆蓋方案設計

在3條地鐵線路交匯處的換乘站位置，甲號地鐵線路和丙號地鐵線路的站臺之間配置了隔離墻，因此基本上不存在通信干擾。丙號地鐵線路站臺和乙號地鐵線路站臺則形成了公共區域，這里需要考慮干擾問題和通信覆蓋問題。從實際情況看，丙號地鐵線路配置了5 組天線，這些天線工作時的電平在6.8 dB~9.9 dB。公共區域的站臺，其寬度達到了100m，從地面到上方極限位置的高度達到了14m。

鑒于整體空間的限制，這里先來考慮無線通信過程中的通信信號的損耗，如公式（1）所示。

式中：Lk為通信過程中通信信號的空間損耗；F為通信過程中通信頻率；D為通信過程中通信距離；α為通信過程中信道衰減；E為不同通信信道上損耗的附加值。

在實際工作狀態下，通信信道下行線路上應該具備頻率更強的信號。根據這一情況，再考慮站臺寬度為100m，要保證公共區域的站臺邊緣也能具有強信號，則這個邊緣電平強度的計算如公式（2）所示。

式中：Pb為通信過程中公共區域站臺邊緣的電平強度；Pt為通信過程中公共區域中天線端口發射出的電平強度；L為通信過程中的通信信號總損耗；A為通信過程中公共區域中天線的通信增益。

通信過程中的通信信號總損耗由多個部分組成，如公式（3）所示。

式中：L為通信過程中的通信信號總損耗；Lk為通信過程中的通信信號的空間損耗；Lz為通信過程中的通信信號受到固定障礙物阻擋造成的損耗；Lr為通信過程中的通信信號受到行人人體遮擋造成的損耗；Lq為通信過程中通信信號穿過墻壁時的穿透損耗；Lc為通信過程中通信信號受到車體屏蔽所造成的損耗；Lm為通信過程中通信信號受站臺門屏蔽所造成的損耗。

可見通信過程中的通信信號的總體損耗由多個成分構成。雖然構成復雜，但該文通過逐一拆解和細分，進而測量出每部分的影響，就可以更加科學和準確地計算出通信信號的總體損耗，使通信方案的設計更加合理。公式（3）中各種損耗的物理意義及現場實測的大小見表1。

表1 各種損耗的現場實測大小

3 換乘站通信方案性能測試

接下來，對該文提出的3條地鐵線路交匯處換乘站的通信方案進行性能測試。這里，乙號地鐵線路和丙號地鐵線路站臺區域的配置情況如圖2 所示。

圖2 乙號地鐵線路和丙號地鐵線路站臺區域

從圖2 可以看出，整個站臺區域形成了3 個子區域。上方是丙號地鐵線路站臺的獨屬區域；下方是乙號地鐵線路站臺的獨屬區域；中間是乙號、丙號地鐵線路站臺的公共區域。在公共區域和獨屬區域的交匯處分別配置了5 組通信天線。這樣，上方和下方交匯處一共配置了10 組通信天線。

在這樣的實際場景下，按照該文提出的頻組分配方案和通信覆蓋方案進行測試試驗，先對比該文方案執行前后距離中心區域遠近不同位置處的通信信號強度，結果見表2。

表2 該文方案執行前后不同位置處通信信號強度對比

為了更加清晰地觀察通信方案執行前后的通信信號強度對比情況，將表2 中的數據繪制成曲線形式，如圖3所示。

圖3 表2 中數據的曲線結果

結合表2 中的數據和圖3 中的曲線可以看出，隨著到中心位置距離的增加，2 種通信方案的通信信號強度都會下降。但是原有通信方案的通信強度下降十分明顯，到邊緣處左側50m 和右側50m 的位置全都下降了70%左右，這會對某些通信業務的正常使用造成嚴重的負面影響。在該文提出的通信覆蓋方案下，雖然距離中心位置較遠也會出現通信信號強度下降的情況，但下降幅度并不明顯，到邊緣處左側50m 和右側50m 的位置，通信信號強度僅下降了20%，不會影響通信業務的正常使用。這充分證明了該文通信覆蓋方案的優勢。

進一步比較該方案執行前后A、B、C、D、E 這5 個頻組的利用效率，結果見表3。

表3 該文方案執行前后5 個頻組利用率的對比

為了更加清晰地觀察通信方案執行前后的5 個頻組利用率的對比情況，將表3 中的數據繪制成柱狀圖形式，如圖4 所示。

圖4 表3 數據的柱狀圖結果

結合表3 中的數據和圖4 中的曲線可以看出，在原有的通信方案下，A 號頻組、B 號頻組和C 號頻組的利用率都比較低，而D 號頻組的利用率達到了100%，這就出現了有的頻組利用率低，而D 號頻組一直滿負荷運行的狀態，這是不合理的。在該文通信方案之下增加了E 號頻組，各頻組的利用率都達到了比較均衡的狀態并且具備進一步提升利用率的空間，給換乘站提出了更好的、可擴展的通信覆蓋策略。

4 結論

多地鐵線路交匯處換乘站的通信覆蓋方案經常面臨不同線路通信器材型號不一致、通信網絡覆蓋不充分的問題。該文以一個實際案例為研究對象，針對甲、乙、丙3條地鐵線路交匯處的換乘站進行通信方案設計。首先，通過增加一個頻組解決原有頻組數量不足、各別頻組超負荷工作的問題。其次，結合案例現場實際空間限制，綜合考慮6 種損耗對通信信號的影響，提出了一種更加充分的覆蓋方案。測試試驗過程中，在乙號、丙號地鐵線路換乘站站臺公共區域配置了10 組天線。測試試驗結果表明，該文覆蓋方案有效解決了邊緣處通信信號強度差的問題，而該文方案也使各個頻組的利用率更加均衡。