無線集群通信在地鐵中的應(yīng)用探討

余繼

（北京交通大學(xué)，北京 100044）

1 無線集群通信簡介

無線集群通信是一種智能化的無線頻率管理技術(shù)。集群系統(tǒng)的本質(zhì)是允許大量用戶共享少量通信信道和虛擬專網(wǎng)技術(shù)。其工作方式與移動(dòng)電話系統(tǒng)相似，由一個(gè)交換控制中心根據(jù)需要，自動(dòng)為用戶指定無線信道。其不同點(diǎn)在于集群通信以組呼為主，用戶之間有嚴(yán)格的上下級(jí)關(guān)系，用戶根據(jù)不同的優(yōu)先級(jí)占用或搶占無線信道，呼叫接續(xù)要快（300ms～500ms），且以單工、半雙工通信為主要通信方式。

2 無線集群的地鐵應(yīng)用

2.1 概述

地鐵的無線集群通信系統(tǒng)為控制中心調(diào)度員、車輛段調(diào)度員、車站值班員等固定用戶與列車司機(jī)、防災(zāi)、維修、公安等移動(dòng)用戶之間提供通信手段。系統(tǒng)必須滿足行車安全、應(yīng)急搶險(xiǎn)的需要。目前，地鐵無線集群通信系統(tǒng)均采用TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)組網(wǎng)。

在地鐵中的調(diào)度網(wǎng)通常包括行車調(diào)度網(wǎng)、維修調(diào)度網(wǎng)、環(huán)控調(diào)度網(wǎng)、車輛段調(diào)度網(wǎng)和防災(zāi)調(diào)度網(wǎng)5個(gè)無線調(diào)度專網(wǎng)。

在TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)中，各調(diào)度網(wǎng)以虛擬專網(wǎng)的方式存在，互相獨(dú)立，互不影響。各調(diào)度網(wǎng)共享頻點(diǎn)和基站設(shè)備，提高了頻率資源的利用率，節(jié)約了設(shè)備投資。地鐵中的無線數(shù)字集群系統(tǒng)還與信號(hào)系統(tǒng)（ATS）相配合，為調(diào)度臺(tái)與車載臺(tái)提供列車的位置與狀態(tài)信息。

TETRA分機(jī)間具有脫機(jī)對(duì)講功能（相當(dāng)于對(duì)講機(jī)）。在司機(jī)與調(diào)度不能正常通話的緊急情況下，利用該功能，司機(jī)可直接呼叫車站值班員，起到應(yīng)急通信的作用。

TETRA集群系統(tǒng)采用單工、半雙工為主要通信方式，只有按鍵講話（PTT－Push To Talk）時(shí)才占用無線信道，節(jié)約了無線資源和終端耗電。該系統(tǒng)具有選呼、組呼、列車廣播、優(yōu)先呼叫、強(qiáng)拆、強(qiáng)插、調(diào)度通話錄音、后臺(tái)監(jiān)聽等功能。

目前，我國地鐵所使用數(shù)字集群系統(tǒng)為MOTOROLA和歐洲宇航EADS（原NOKIA）的產(chǎn)品。

2.2 組網(wǎng)方式

在地鐵通信的一條線路中，可采用大區(qū)制、中區(qū)制、小區(qū)制組網(wǎng)。

2.2.1 大區(qū)制

全線路只在一個(gè)車站設(shè)置基站，全線其它車站均設(shè)置直放站。大區(qū)制的特點(diǎn)為：不存在越區(qū)切換問題、工程造價(jià)低。其缺點(diǎn)為：可靠性較低、存在多徑干擾的場點(diǎn)較多、單基站載頻有限、擴(kuò)容受到限制。

2.2.2 中區(qū)制

在少數(shù)幾個(gè)車站設(shè)置基站，全線其它車站均設(shè)置直放站。中區(qū)制的特點(diǎn)為：頻率資源利用率較高、越區(qū)切換頻次較少、干擾較少、系統(tǒng)可靠性較高、工程造價(jià)較低、擴(kuò)容靈活方便。

基站與直放站的鏈接，可以采用同軸漏泄電纜鏈接與利用地鐵傳輸網(wǎng)鏈接二種方式。

2.2.3 小區(qū)制

在每一個(gè)車站設(shè)置基站，地鐵中非相鄰基站載頻頻率一般允許進(jìn)行空間復(fù)用。小區(qū)制的特點(diǎn)為：頻率資源利用率高、越區(qū)切換頻次多、干擾少、系統(tǒng)可靠性高、工程造價(jià)較高。

近年來，基站價(jià)格下降，開始接近直放站的價(jià)格，故目前新建地鐵的無線集群通信系統(tǒng)釆用小區(qū)制組網(wǎng)方案逐漸增多。

2.3 無線場強(qiáng)覆蓋范圍

地鐵集群通信系統(tǒng)的無線場強(qiáng)覆蓋范圍包括：地鐵運(yùn)行線路全線各車站的站臺(tái)、站廳及區(qū)間隧道或地面及高架線路，以及整個(gè)車輛段地面區(qū)域（含檢修庫、運(yùn)用庫等），可以采用如下方式進(jìn)行場強(qiáng)覆蓋。

2.3.1 沿線隧道、地面及高架運(yùn)行線路及沿線地下車站的站臺(tái)區(qū)主要采用漏泄同軸電纜輻射方式進(jìn)行場強(qiáng)覆蓋。

2.3.2 沿線地下車站站廳區(qū)（含部分出入口通道）主要采用吸頂?shù)屠炀€進(jìn)行場強(qiáng)覆蓋。

2.3.3 車輛段、停車場主要采用室外全向及低廓天線進(jìn)行場強(qiáng)覆蓋。

2.4 地鐵對(duì)無線集群通信系統(tǒng)的功能需求

2.4.1 無線通信可以為地鐵內(nèi)部固定工作人員與流動(dòng)工作人員之間提供話音通信、短信息與分組數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)以組呼為主，也可以提供選呼。

2.4.2 根據(jù)業(yè)務(wù)需要，為中心調(diào)度員、車站值班員、車輛段/停車場值班員、列車司機(jī)以及各部門流動(dòng)人員之間提供無線通信手段。

2.4.3 按使用部門或人員進(jìn)行優(yōu)先權(quán)排隊(duì)，當(dāng)業(yè)務(wù)信道全部占用時(shí)，優(yōu)先權(quán)級(jí)別高的呼叫可中斷優(yōu)先權(quán)級(jí)別低的通話，以保證調(diào)度作業(yè)的正常進(jìn)行，并確保緊急情況下的指揮、調(diào)度。

2.4.4 具有緊急呼叫功能，緊急呼叫的優(yōu)先權(quán)高于所有的呼叫。

2.4.5 中心調(diào)度員可插入列車廣播，對(duì)列車乘客進(jìn)行選呼廣播和全呼廣播。

2.4.6 中心調(diào)度員可監(jiān)聽本部門調(diào)度用戶的通話，并對(duì)所有通話可以自動(dòng)或人工錄音。

2.4.7 控制中心的無線調(diào)度核心網(wǎng)設(shè)備具有呼叫記錄功能，存儲(chǔ)主呼和被呼號(hào)碼、位置、類型、日期和時(shí)間，必要時(shí)，可打印輸出。

2.4.8 具有設(shè)備的自檢和中心檢測功能。

2.4.9 地面線路和地面車站、車輛段/停車場，采用基站和空間波天線完成工作區(qū)域的場強(qiáng)覆蓋；地下線路和地下車站采用基站（或直放站）和漏泄同軸電纜（或隧道天線）完成工作區(qū)域的場強(qiáng)覆蓋。

2.4.10 整個(gè)系統(tǒng)由位于控制中心的核心網(wǎng)設(shè)備，位于車站的基站設(shè)備，以及列車臺(tái)、各部門便攜臺(tái)和傳輸通道等組成。

2.4.11 在話音質(zhì)量為三級(jí)的保證條件下，邊緣覆蓋概率為：系統(tǒng)空間波覆蓋的地點(diǎn)概率不小于90%，漏泄同軸電纜輻射電波覆蓋的地點(diǎn)概率不小于95%。

3 TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)

TETRA（Trans European Trunked Radio）是由ETSI推薦的一個(gè)數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是個(gè)公開的標(biāo)準(zhǔn)。TETRA標(biāo)準(zhǔn)采用TDMA與FDD技術(shù)，將一個(gè)載頻的25KHz帶寬分為4個(gè)時(shí)隙（信道）。TETRA系統(tǒng)集調(diào)度、移動(dòng)電話、移動(dòng)數(shù)傳和短消息業(yè)務(wù)于一體，非常適合專網(wǎng)無線調(diào)度使用。

3.1 TETRA標(biāo)準(zhǔn)

TETRA標(biāo)準(zhǔn)描述了TETRA系統(tǒng)的空中接口與各種外圍接口。核心網(wǎng)與基站之間的接口尚未標(biāo)準(zhǔn)化，故TETRA系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，低于公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)，造成了一定的設(shè)備壟斷性。

3.2 TETRA空中接口

TETRA系統(tǒng)在我國使用 806～821MHz（上行）和851～866MHz（下行）頻段，和現(xiàn)有的模擬集群通信系統(tǒng)所使用的頻段是一致的。該系統(tǒng)采用π/4 DQPSK調(diào)制方式，其最大相位變化不超過180O，調(diào)制頻帶窄，接收端無需基準(zhǔn)相位振蕩。

在TETRA系統(tǒng)中，每一個(gè)無線電載波，無論是上行或下行鏈路均劃分為4個(gè)時(shí)隙。每一時(shí)隙構(gòu)成一個(gè)無線信道?？捎糜诔休d話音/數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、控制信令，或兩者混合進(jìn)行傳輸（隨路信令）。

4 無線集群終端

4.1 車載臺(tái)

地鐵列車前后兩端駕駛室各安裝一臺(tái)車載臺(tái)。該車載臺(tái)主要由無線收發(fā)信機(jī)、控制及接口電路、控制面板、話筒、天線等組成。其中無線收發(fā)信機(jī)、控制和接口電路安裝在一個(gè)固定的機(jī)殼內(nèi)，控制面板和話筒分別安裝在駕駛員座位的左方與右方，天線安裝在車頂。駕駛員可以通過操作控制面板的按鍵，發(fā)出通信請(qǐng)求，并通過話筒發(fā)話，通過揚(yáng)聲器收聽。通過系統(tǒng)與ATS的連接，控制面板顯示屏上會(huì)顯示當(dāng)前列車位置與車次等信息。

4.2 車站臺(tái)

車站臺(tái)為固定臺(tái)，配置在每個(gè)車站的車控室。車站值班站長可通過車站臺(tái)與控制中心的行車調(diào)度員進(jìn)行聯(lián)系，經(jīng)行車調(diào)度臺(tái)轉(zhuǎn)接可與司機(jī)通話。

4.3 手持臺(tái)

手持臺(tái)主要配備給站務(wù)人員、維修人員、保安等不固定地點(diǎn)的作業(yè)人員。使他們可與相關(guān)調(diào)度員通話或發(fā)起組呼。

這些集群終端的通信功能主要有一般呼叫、緊急呼叫、短信收發(fā)、組呼以及調(diào)度員通過車載臺(tái)對(duì)列車進(jìn)行廣播等。

[1]鄭祖輝等，數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)，電子工業(yè)出版社，2005.

[2]胡興軍等，數(shù)字集群通信三大標(biāo)準(zhǔn)及前景[J].中國信息導(dǎo)報(bào),2004.