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摘 要：文章主要对光直放站在地铁行业的应用进行研究，阐述了相关原理、设计思路和场景应用。光直放站是当前地铁无线通信系统中的重要组成部分，对于信号的传输、放大和实施全网覆盖，都起到极为重要的作用。所以，建设及维护部门只有具备对无线光直放站的设计、建构、原理、性能等方面的深刻认识，才能确保光直放站在无线通信中对信号优化起到实质作用，有效保障地铁运营安全。
关键词：光直放站;地铁行业;应用研究
中图分类号：U231.7 文献标识码：A
城市轨道交通发展至今，专网无线信号，主要利用中心集群交换机连接至基站，然后通过同轴泄露电缆和天线对隧道、车站及段场进行辐射传播实现。但鉴于地铁环境的特殊性和复杂性，都会造成一定的弱场甚至盲区，尤其较长的区间和广阔的场区，都难满足信号强度的需求。如直接增设基站，成本必然太高，基础设施也较为复杂。因此，架设简单的经济型直放站，是解决地铁无线通信网络延伸和覆盖能力的一种优选方案。其能满足地铁各种环境对信号的覆盖要求，有效提高通信质量，解决掉话等问题[1]。
1 光直放站结构特点及原理
光直放站利用光纤作为介质进行信号传输，其将接收到的电信号转换成光信号，并利用光纤传输后，再光电转换复原成电信号发出。光直放站由两个重要部分组成，即直接连接基站的近端机和覆盖区的远端机。其缆线敷设便利、传输损耗小，特别适合解决远距离的信号覆盖问题。
1.1 结构特点
光直放站的结构特点主要有：
可通过集群基站直接耦合输入信号，信源较为纯净;
光纤介质传输，布线方便，频带宽，远距离传输可达20km以上;
抗干扰能力强，且不对其他小区产生干扰;
一套近端机可挂接多套远端机，场景适应性强，资源利用率高;
信号传输不受环境、天气和施主基站覆盖范围的影响，工作稳定，覆盖效果好。
集中管理功能，方便维护，光直放站应用构成图如图1所示。
图1 光直放站应用构成图
1.2 设备原理
光直放站主要含有射频模块、光模块、合路器、双工器等。近端机通过光模块将基站射频模块发出的耦合信号转换成光信号（下行链路），并通过光纤传送给远端机，同时通过光电转换将远端机射频模块发回的光信号（上行链路）恢复为射频信号，再经过滤波、放大、控制处理发射给基站。同理，远端机则是通过光模块把接收到的下行链路光信号转变为射频信号，再对信号滤波、放大、控制、合路，最终信号通过重发天线发射对区域进行覆盖，同时将天线接收到的信号（上行链路）进行电光转换等处理，利用光纤传送至近端机处理，光直放站原理图如图2所示。
图2 光直放站原理图
2 直放站工程设计原理
目前，在地铁专网无线系统的设计中，常规方式是在沿线各车站、段场设置集群基站，并在长区间、段场车库等信号薄弱区域增设光直放站，以完成场强的覆盖加强。设计要求信号在满足边缘场强覆盖所需余量的同时，尽可能减小干扰。环境中需要考虑列车高速移动过程中的多普勒频移、多径效应引起的快衰落、慢衰落、隧道效应、特殊环境的附加损耗和各类参数配置的影响等。
2.1 地铁环境覆盖指标
边缘场强的最小接收电平门限主要是由“接收机的灵敏度”“95%时间、地点概率的场强瞬间衰落深度”以及“设计储备余量”等三项标准考量。接收机动态参考灵敏度一般基站上行值为-106dBm、移动终端下行值为-103dBm;信号场强瞬时衰落深度取值10dB，设计储备余量取值6dB。在满足信噪比和可靠性（时间、地点覆盖概率为95%）的前提要求下，无线覆盖的最小接收电平取以下标准作为设计参数：
下行（从基站至便携台）每载波不低于-87dBm（在便携台天线输入端）;
下行（从基站至车载电台）每载波不低于-85dBm（在车载电台天线输入端）;
上行（从便携台或车载台至基站）每载波不低于-90dBm（在基站输入端）;
话音传输质量：3至4级话音质量（信噪比≥20dB）。
2.2 隧道区间设计原理
相邻车站距离较长的区间，主要采用光直放站加漏泄同軸电缆（以下简称：漏缆）的覆盖方式。在车站的机房设置光直放站近端机，同时在车站临近上下行区间的适当位置设置光直放站远端机，隧道与高架区间的轨旁两侧各敷设一条漏缆实现信号覆盖。漏缆的覆盖区域指标取决于“载波最大辐射功率”“移动台最低接收电平”“移动台最大发射功率”和“基站接收端的最小载噪比”等四项参数。下行（基站到移动台）覆盖范围由前两个参数决定;上行（移动台到基站）覆盖范围则由后两个参数决定[2]。
下行最大允许传播损耗“”，移动台最低接收电平的关系为：
其中，是每载波功率，“”是从基站输出到漏缆输入之间的总分布式损耗，而“”是移动台最低接收电平，上行最大允许传播损耗“”。
移动台最大输出功率的关系为：
其中，“”是移动台的最大输出功率，“”是从基站输出到漏缆输入之间的总分布式损耗，而“”是基站接收机灵敏度，用来估算覆盖范围最大允许的传播损耗。“”是取下行和上行允许传播损耗之间的小者。
其中，“”是漏缆的耦合损耗;“”是漏缆信号注入端到终端的整个传输损耗（插入损耗）;“”是损耗的各项冗余，包括列车穿透损耗、天线及身体损耗等;“”是快衰落冗余;“”是慢衰落冗余;“”是元件的统计冗余。
另外，隧道内漏缆的安装环境、工艺也会对其插损和耦合损耗特性起到重要影响，特别是在隧道漏缆上的不同负荷和管道效应影响尤为明显。参考IEC1196-4国际测试标准，地铁隧道环境测量中值可选取50%、95%的耦合损耗数值，当漏缆长度为“”时可得出： 2.3 段场区域设计原理
光直放站在车辆段、停车场主要用于对铁塔天线无法覆盖到的车库内部信号的增补，以保证整个段场范围内的信号覆盖质量。车库中的股道多而密，会同时停放多列车辆，库房的高度有限且顶棚等建筑材料对无线信号有一定的屏蔽效应，所以为保证库内移动通话需求，都会采用室内分布系统的方案来满足。
通常车库采用天线阵的方式来完成信号的覆盖，对少部分库内的办公区域，还需要根据建筑结构来具体分析。光直放站远端机设置在库内的公共开阔区，并用无源器件再次将信号进行分配，可采用耦合器、功分器等进行组合设计。天线的覆盖距离与输入天线功率、天线自身增益及周边覆盖区域环境有关，为确保信号覆盖范围无盲区，一般要求每个天线的覆盖范围半径不大于30 m。链路场强可套用（5）信号空间传播损耗公式计算。
3 光直放站典型案例
3.1 案例分析
南京地铁3号线柳州东路站至上元门站为过江隧道区间，设计利用光直放站来解决超长区间的场强覆盖问题，可作为地铁行业较为典型的案例分析。
柳州东路站基站的收发信机分别通过射频分路器、合路器与双工器相连，其射频信号再经过定向耦合器、功分器、馈线等分别送至站厅天线和区间漏泄电缆。同时，基站的射频信号还通过定向耦合器分别送至光直放站近端机，经光电转换后，通过光纤送至相应区间的光直放站远端机。远端机作为中继将相应基站的射频信号通过功分器、馈线分别送至区间漏缆，并于区间约3/4长度附近处与相邻车站漏缆通过射频跳线连接，构成相邻基站的越区切换场强重叠区;另一端则与中继源基站所属的漏缆在区间约1/4长度附近处需断开，并连接终端负载，以避免形成同频干扰[3]，如图3所示。
3.2 柳上区间工程设计原理
光直放站区间场强覆盖计算需考虑末端场强切换余量、源基站漏缆末端与远端机漏缆末端电平的平衡、漏缆传输损耗、耦合损耗、附加损耗以及多普勒频移、多径效应引起的快衰落、慢衰落余量等等，较为复杂。
光直放站区间段各站以沿线车载电台下行最低接收电平≥-85dBm;便携台下行最低接收电平需≥-87dBm;上行最低接收电平≥-90dBm计算（各区段中点位置为漏缆铺设的最末端点）。
柳州东路站至上元门站距离约3915 m，在上元门站设置光直放站近端机一套，经计算远端机设置在区间中间位置（远端机上下行各一套）。远端机距离两站约1957.5 m，并向两端各铺设1漏缆978.7 m，车站各向直放站远端机方向铺设1漏缆978.7 m，完成区间的场强覆盖。经计算，远端机至中点2区段对应的车载台下行最低接收电平约-77.96dBm;车载台上行最低接收电平约-73.96dBm;便携台上下行最低接收电平约-85.96dBm，均满足要求。同理，其他区段计算结果也满足标准要求，计算公式如表1所示。
4 结语
通过对无线光直放站的功能及原理的研究，能有效解决地铁环境中无线通信覆盖的弱场、盲区问题。分析南京地铁3号线无线系统的设计搭建方案，印证了使用的可行性。光直放站对地铁环境的无线网络信号的优化效果良好，尤其对较长隧道区间的信号延伸补盲起到关键作用。随着我国城市轨道交通的快速发展，地铁网络不断向周边延伸，城郊、跨地域线路的恶劣环境和超长区间等问题会不断增多，无线通信的网络优化工程是长期、艰巨和复杂的，需要在规划设计和建设维护等各个环节中积极的研究、探讨、改进，进一步完善地铁无线通信系统，确保运营服务质量，提高经济和社会效益。
参考文献
[1] 何方.地铁TETRA集群無线通信系统与政务网互联方案研讨[J].科技创新与应用，2014（21）：32-33.
[2] 李三江，蒋国华.城市轨道交通线网中心TETRA系统设计[J].计算机与网络，2017，43（13）：69-72.
[3] 周承吴.广州地铁无线集群系统互联互通解决方案[J].铁道通信信号，2014，50（04）：67-69.
关键词：光直放站;地铁行业;应用研究
中图分类号：U231.7 文献标识码：A
城市轨道交通发展至今，专网无线信号，主要利用中心集群交换机连接至基站，然后通过同轴泄露电缆和天线对隧道、车站及段场进行辐射传播实现。但鉴于地铁环境的特殊性和复杂性，都会造成一定的弱场甚至盲区，尤其较长的区间和广阔的场区，都难满足信号强度的需求。如直接增设基站，成本必然太高，基础设施也较为复杂。因此，架设简单的经济型直放站，是解决地铁无线通信网络延伸和覆盖能力的一种优选方案。其能满足地铁各种环境对信号的覆盖要求，有效提高通信质量，解决掉话等问题[1]。
1 光直放站结构特点及原理
光直放站利用光纤作为介质进行信号传输，其将接收到的电信号转换成光信号，并利用光纤传输后，再光电转换复原成电信号发出。光直放站由两个重要部分组成，即直接连接基站的近端机和覆盖区的远端机。其缆线敷设便利、传输损耗小，特别适合解决远距离的信号覆盖问题。
1.1 结构特点
光直放站的结构特点主要有：
可通过集群基站直接耦合输入信号，信源较为纯净;
光纤介质传输，布线方便，频带宽，远距离传输可达20km以上;
抗干扰能力强，且不对其他小区产生干扰;
一套近端机可挂接多套远端机，场景适应性强，资源利用率高;
信号传输不受环境、天气和施主基站覆盖范围的影响，工作稳定，覆盖效果好。
集中管理功能，方便维护，光直放站应用构成图如图1所示。
图1 光直放站应用构成图
1.2 设备原理
光直放站主要含有射频模块、光模块、合路器、双工器等。近端机通过光模块将基站射频模块发出的耦合信号转换成光信号（下行链路），并通过光纤传送给远端机，同时通过光电转换将远端机射频模块发回的光信号（上行链路）恢复为射频信号，再经过滤波、放大、控制处理发射给基站。同理，远端机则是通过光模块把接收到的下行链路光信号转变为射频信号，再对信号滤波、放大、控制、合路，最终信号通过重发天线发射对区域进行覆盖，同时将天线接收到的信号（上行链路）进行电光转换等处理，利用光纤传送至近端机处理，光直放站原理图如图2所示。
图2 光直放站原理图
2 直放站工程设计原理
目前，在地铁专网无线系统的设计中，常规方式是在沿线各车站、段场设置集群基站，并在长区间、段场车库等信号薄弱区域增设光直放站，以完成场强的覆盖加强。设计要求信号在满足边缘场强覆盖所需余量的同时，尽可能减小干扰。环境中需要考虑列车高速移动过程中的多普勒频移、多径效应引起的快衰落、慢衰落、隧道效应、特殊环境的附加损耗和各类参数配置的影响等。
2.1 地铁环境覆盖指标
边缘场强的最小接收电平门限主要是由“接收机的灵敏度”“95%时间、地点概率的场强瞬间衰落深度”以及“设计储备余量”等三项标准考量。接收机动态参考灵敏度一般基站上行值为-106dBm、移动终端下行值为-103dBm;信号场强瞬时衰落深度取值10dB，设计储备余量取值6dB。在满足信噪比和可靠性（时间、地点覆盖概率为95%）的前提要求下，无线覆盖的最小接收电平取以下标准作为设计参数：
下行（从基站至便携台）每载波不低于-87dBm（在便携台天线输入端）;
下行（从基站至车载电台）每载波不低于-85dBm（在车载电台天线输入端）;
上行（从便携台或车载台至基站）每载波不低于-90dBm（在基站输入端）;
话音传输质量：3至4级话音质量（信噪比≥20dB）。
2.2 隧道区间设计原理
相邻车站距离较长的区间，主要采用光直放站加漏泄同軸电缆（以下简称：漏缆）的覆盖方式。在车站的机房设置光直放站近端机，同时在车站临近上下行区间的适当位置设置光直放站远端机，隧道与高架区间的轨旁两侧各敷设一条漏缆实现信号覆盖。漏缆的覆盖区域指标取决于“载波最大辐射功率”“移动台最低接收电平”“移动台最大发射功率”和“基站接收端的最小载噪比”等四项参数。下行（基站到移动台）覆盖范围由前两个参数决定;上行（移动台到基站）覆盖范围则由后两个参数决定[2]。
下行最大允许传播损耗“”，移动台最低接收电平的关系为：
其中，是每载波功率，“”是从基站输出到漏缆输入之间的总分布式损耗，而“”是移动台最低接收电平，上行最大允许传播损耗“”。
移动台最大输出功率的关系为：
其中，“”是移动台的最大输出功率，“”是从基站输出到漏缆输入之间的总分布式损耗，而“”是基站接收机灵敏度，用来估算覆盖范围最大允许的传播损耗。“”是取下行和上行允许传播损耗之间的小者。
其中，“”是漏缆的耦合损耗;“”是漏缆信号注入端到终端的整个传输损耗（插入损耗）;“”是损耗的各项冗余，包括列车穿透损耗、天线及身体损耗等;“”是快衰落冗余;“”是慢衰落冗余;“”是元件的统计冗余。
另外，隧道内漏缆的安装环境、工艺也会对其插损和耦合损耗特性起到重要影响，特别是在隧道漏缆上的不同负荷和管道效应影响尤为明显。参考IEC1196-4国际测试标准，地铁隧道环境测量中值可选取50%、95%的耦合损耗数值，当漏缆长度为“”时可得出： 2.3 段场区域设计原理
光直放站在车辆段、停车场主要用于对铁塔天线无法覆盖到的车库内部信号的增补，以保证整个段场范围内的信号覆盖质量。车库中的股道多而密，会同时停放多列车辆，库房的高度有限且顶棚等建筑材料对无线信号有一定的屏蔽效应，所以为保证库内移动通话需求，都会采用室内分布系统的方案来满足。
通常车库采用天线阵的方式来完成信号的覆盖，对少部分库内的办公区域，还需要根据建筑结构来具体分析。光直放站远端机设置在库内的公共开阔区，并用无源器件再次将信号进行分配，可采用耦合器、功分器等进行组合设计。天线的覆盖距离与输入天线功率、天线自身增益及周边覆盖区域环境有关，为确保信号覆盖范围无盲区，一般要求每个天线的覆盖范围半径不大于30 m。链路场强可套用（5）信号空间传播损耗公式计算。
3 光直放站典型案例
3.1 案例分析
南京地铁3号线柳州东路站至上元门站为过江隧道区间，设计利用光直放站来解决超长区间的场强覆盖问题，可作为地铁行业较为典型的案例分析。
柳州东路站基站的收发信机分别通过射频分路器、合路器与双工器相连，其射频信号再经过定向耦合器、功分器、馈线等分别送至站厅天线和区间漏泄电缆。同时，基站的射频信号还通过定向耦合器分别送至光直放站近端机，经光电转换后，通过光纤送至相应区间的光直放站远端机。远端机作为中继将相应基站的射频信号通过功分器、馈线分别送至区间漏缆，并于区间约3/4长度附近处与相邻车站漏缆通过射频跳线连接，构成相邻基站的越区切换场强重叠区;另一端则与中继源基站所属的漏缆在区间约1/4长度附近处需断开，并连接终端负载，以避免形成同频干扰[3]，如图3所示。
3.2 柳上区间工程设计原理
光直放站区间场强覆盖计算需考虑末端场强切换余量、源基站漏缆末端与远端机漏缆末端电平的平衡、漏缆传输损耗、耦合损耗、附加损耗以及多普勒频移、多径效应引起的快衰落、慢衰落余量等等，较为复杂。
光直放站区间段各站以沿线车载电台下行最低接收电平≥-85dBm;便携台下行最低接收电平需≥-87dBm;上行最低接收电平≥-90dBm计算（各区段中点位置为漏缆铺设的最末端点）。
柳州东路站至上元门站距离约3915 m，在上元门站设置光直放站近端机一套，经计算远端机设置在区间中间位置（远端机上下行各一套）。远端机距离两站约1957.5 m，并向两端各铺设1漏缆978.7 m，车站各向直放站远端机方向铺设1漏缆978.7 m，完成区间的场强覆盖。经计算，远端机至中点2区段对应的车载台下行最低接收电平约-77.96dBm;车载台上行最低接收电平约-73.96dBm;便携台上下行最低接收电平约-85.96dBm，均满足要求。同理，其他区段计算结果也满足标准要求，计算公式如表1所示。
4 结语
通过对无线光直放站的功能及原理的研究，能有效解决地铁环境中无线通信覆盖的弱场、盲区问题。分析南京地铁3号线无线系统的设计搭建方案，印证了使用的可行性。光直放站对地铁环境的无线网络信号的优化效果良好，尤其对较长隧道区间的信号延伸补盲起到关键作用。随着我国城市轨道交通的快速发展，地铁网络不断向周边延伸，城郊、跨地域线路的恶劣环境和超长区间等问题会不断增多，无线通信的网络优化工程是长期、艰巨和复杂的，需要在规划设计和建设维护等各个环节中积极的研究、探讨、改进，进一步完善地铁无线通信系统，确保运营服务质量，提高经济和社会效益。
参考文献
[1] 何方.地铁TETRA集群無线通信系统与政务网互联方案研讨[J].科技创新与应用，2014（21）：32-33.
[2] 李三江，蒋国华.城市轨道交通线网中心TETRA系统设计[J].计算机与网络，2017，43（13）：69-72.
[3] 周承吴.广州地铁无线集群系统互联互通解决方案[J].铁道通信信号，2014，50（04）：67-69.