CN108566239A - 一种gsm-r铁路移动通信系统中继站及其应用 - Google Patents

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刘芯宏
钟选明
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    • H04B7/155—Ground-based stations
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    • G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link
    • G08C17/02—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link using a radio link

Abstract

本发明公开了一种GSM‑R铁路移动通信系统中继站及其应用，包括依次连接的接收天线、信号中继放大器和发送天线；还包括感应取电及储能装置；所述感应取电及储能装置连接到所述信号中继放大器；所述接收天线和发送天线为高增益定向天线。所述中继站用于替代铁路隧道及山区地形布设的漏缆；所述接收天线和发送天线设置在接触网的腕臂上；所述感应取电及储能装置设置在腕臂的远端且靠近承力索。本发明的有益效果是，通过从接触网感应取电获取工作电源，通过无线中继方式传输信号，实现信号在铁路隧道及山区地形中的有效传输，低成本、高质量地完成无线信号在铁路沿线的完全覆盖。

Description

一种GSM-R铁路移动通信系统中继站及其应用
技术领域
本发明涉及轨道交通无线通信领域，特别是一种GSM-R铁路移动通信系统中继站及其应用。
背景技术
铁路移动通信系统是铁路运输重要基础设施，铁路移动通信承载业务有较高的安全性和时效性要求，对铁路运输的安全、正常运行起着至关重要的作用。当前铁路移动通信系统主要为GSM-R系统，已经在全国新建铁路得到广泛应用和大规模建设，信号传输方式与公网相同，但由于铁路存在直线延伸、高路堑、隧道(群)等自身地形特点，铁路的应用场景与公网大不相同，这也就导致在GSM-R系统建设中存在一定的限制和问题。
对新建的高铁线路而言，GSM-R系统通过在铁路隧道及地形复杂山区等信号较差地段设置漏缆，完成铁路沿线信号的全覆盖。但漏缆成本高昂，每100米需要投资1万元，且漏缆传输距离短，需要设置大量的直放站，同时需要为直放站提供工作电源，投资成本巨大。目前，全国大量的既有线已计划全部更改为GSM-R系统，如按照新建铁路隧道内全部设置漏缆同轴电缆的方案，会造成工程投资大、维护困难、偷盗严重等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种GSM-R铁路移动通信系统中继站及其应用。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种GSM-R铁路移动通信系统中继站，包括依次连接的接收天线、信号中继放大器和发送天线；还包括感应取电及储能装置；所述感应取电及储能装置连接到所述信号中继放大器；所述接收天线和发送天线为高增益定向天线。
上述GSM-R铁路移动通信系统中继站的应用，所述中继站用于替代铁路隧道及山区地形布设的漏缆；所述接收天线和发送天线设置在接触网的腕臂上；所述感应取电及储能装置设置在腕臂的远端且靠近承力索。
本发明的有益效果是，在接触网的腕臂上设置小型中继站，以天线替代漏缆，以适应铁路线状分布特点的高增益定向天线替代现有的公网天线，通过从接触网感应取电获取工作电源，通过无线中继方式传输信号，实现信号在铁路隧道及山区地形中的有效传输，低成本、高质量地完成无线信号在铁路沿线的完全覆盖。并且，中继站通过接触网感应取电获取工作电源，不需要在铁路沿线设置电源，不需要建立直放站，节约了土地与设备成本。小型中继站设置在接触网的腕臂上，与接触网基本等电位，安全便捷，不会发生象漏缆那样的偷盗现象。
附图说明
图1是安装于接触网腕臂上的小型中继站示意图；其中，1是接触网支柱，2是腕臂，3是接收天线，4是信号中继放大器，5是发送天线，6是感应取电及储能装置，7是承力索，8是接触线。
图2是螺旋天线结构示意图。
图3是螺旋天线远场方向图；其中，图3(a)是螺旋天线E面远场方向图，图3(b)是螺旋天线H面远场方向图。
图4是隧道及坐标轴示意图。
图5是隧道内电场分布示意图。
具体实施方式
如图1所示，在靠近承力索的腕臂的远端设置感应取电与储能装置，装置利用高压输电线路周围感应的电磁能量获取电能，通过超级电容组及锂电池存储电能，为小型中继站提供所需工作电源，装置由感应取电模块与储能模块两部分组成。感应取电模块包括取能电路、整流滤波电路、取能功率调节电路、超级电容及锂电池存能电路、稳压输出电路等。取能互感器从输电线上获得感应电流，感应电流经由滤波整流电路滤去杂波，再经取能功率调节提取所需电能，存储至超级电容及锂电池。
腕臂上分别安装有两个螺旋天线，一个用于接收信号，一个用于发送信号。螺旋天线的结构如图2所示，天线底板尺寸为375.92×375.92mm2的矩形，馈出线内径长度为7.71mm，外径长度为25.84mm，馈针长度为4.7mm，天线左向旋转，线径为18.8mm，螺旋天线的直径为106.01mm，螺距为73.87mm，共有13.302个螺旋，天线长为982.6mm。天线的工作频率为900MHz，其远场方向图如图3所示，主瓣增益为16dB。接收天线收到信号后，将其传输给信号中继放大器，经功率放大后通过发送天线发送，实现无线中继的目的。
由于信号在隧道环境中传输的特殊性，我们将通过模式理论仿真信号在隧道环境中的传播，从而验证算法的可行性。在计算过程中，模式理论将空间场分解为数个平面波对，每一对平面波形成正弦或者余弦函数，成为本征模，模式(平面波对)的分解和综合由快速傅里叶变换实现。
建立如图4所示的坐标轴，其中在隧道延伸方向设置z轴。对于模式理论而言，矩形隧道环境中的各个场分量的计算公式如下：
其中横向场分量沿两个方向分别为正弦型或者余弦型，其中三个方向波数分量的平方和等于自由空间波数平方。由于隧道环境由介质构成，其反射系数和导体边界的反射不同，需要分析不同介质参数和不同入射角的反射系数及透射所产生的特征损耗。设下标i代表入射角，t代表折射角，s代表掠射角(入射角的余角)，垂直极化电场激励时，其垂直于入射面Ex极化入射纵向隧道壁(y＝0,y＝ymax)的反射系数为：
电场平行于入射面Ex极化入射横向隧道壁(x＝0,x＝xmax)的反射系数为：
隧道边界的反射系数写成统一的形式:
在介质边界上反射一次所产生的损耗L为：
对每种本征模式而言，根据欧拉定理可以将其展为两种平面波的叠加，边界条件为第一类对应奇对称，镜像场为负场，而第二类边界条件对应偶对称，镜像场为正场。因此，将矩形隧道环境进行两次镜像之后，原计算域扩展为四倍。根据各模式的本征函数计算出其对应的入射角，再依据得到的入射角计算出隧道内反射一次前行的距离，即
因此，当隧道尺寸确定后，隧道的特征模式、模式的单次反射损耗、单次反射前行距离等都已经完全确定。当传播距离z时，平面波在介质波导壁上的等效反射次数分别为z/dx和z/dy，损耗近似为
|Γ|＝1-L＝eln(1-L)≈e-L
在宽12m、高8m的隧道中，设置参数xmax＝8m、ymax＝12m、f＝900MHz、z＝3000m，得到前8阶TEmn模式对应的损耗如表1所示：
表1:TEmn模式对应的特征损耗，单位dB/km
从表1可以看出，高阶模式的损耗大于低阶模式，模式越高，损耗越大。因此，在隧道环境中，仅考虑低阶模式在信道中的传输是比较合理的。为了更准确的描述的隧道传播特性，横向两个方向上至少考虑前11阶模式，将各模式沿隧道方向在同一地点、相同方向的电场与磁场分别迭加，得到信号在隧道中的分布情况，如图5所示。由图可知，在1500m以内，隧道内的电场强度均大于-110dB，不会影响通信质量。因此，只要每隔1500m在隧道内接触网腕臂上设置无线中继站，就可实现远距离的隧道无线通信。

Claims (2)

1.一种GSM-R铁路移动通信系统中继站，其特征在于，包括依次连接的接收天线(3)、信号中继放大器(4)和发送天线(5)；还包括感应取电及储能装置(6)；所述感应取电及储能装置(6)连接到所述信号中继放大器(4)；所述接收天线(3)和发送天线(5)为高增益定向天线。
2.一种如权利要求1所述的中继站的应用，其特征在于，所述中继站用于替代铁路隧道及山区地形布设的漏缆；所述接收天线(3)和发送天线(5)设置在接触网的腕臂(2)上；所述感应取电及储能装置(6)设置在腕臂(2)的远端且靠近承力索。
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