淺析地鐵集群專用無線通信系統(tǒng)

黃鶴

摘 要：作為現(xiàn)代軌道交通最重要的通信手段，專用無線通信系統(tǒng)已經(jīng)成為軌道交通建設(shè)項目中不可或缺的一部分。而TETRA系統(tǒng)也成為目前城市軌道交通專用無線通信系統(tǒng)的最廣泛選擇。TETRA除擁有一般的語音通信功能外，還具有廣泛的數(shù)據(jù)通信等功能，為城市軌道交通能夠安全、高密度、高效運營起到了保障性作用。同時，TETRA系統(tǒng)的功能應(yīng)用和組網(wǎng)方案也成為重要的課題。文章針對TETRA系統(tǒng)的功能應(yīng)用、系統(tǒng)構(gòu)成、組網(wǎng)方案等做了簡單的分析闡述，在保障城市軌道交通建設(shè)基本的語音、數(shù)據(jù)功能需求基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以達到系統(tǒng)的更加高效可靠。

關(guān)鍵詞：地鐵集群；專用；無線；通信系統(tǒng)

1 TETRA主要功能的應(yīng)用

1.1 TETRA系統(tǒng)的主要功能

TETRA系統(tǒng)的主要功能如下：（1）通話功能（包括組呼、個呼、通播組呼叫、緊急呼叫等）。（2）編組功能。（3）通話組掃描功能。（4）廣播功能：控制中心調(diào)度員可以通過無線通信系統(tǒng)調(diào)度臺，選擇運行中的全部本線列車或部分列車進行廣播，車輛段/停車場調(diào)度員可對位于車輛段/停車場的全部列車或部分列車進行廣播。（5）存儲功能：當用戶發(fā)出呼叫時，位于控制中心的設(shè)備能存儲呼叫類型、呼叫狀態(tài)、被呼和主呼的移動臺標識碼和位置（以車站站名表示）、通話起止時間等有關(guān)信息，必要時可輸出至打印機。（6）錄音功能。（7）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理功能：系統(tǒng)具有完善的網(wǎng)絡(luò)管理功能，中心級網(wǎng)管終端應(yīng)能夠監(jiān)測系統(tǒng)各級設(shè)備如中心控制器模塊、音頻器接口、電源、音頻交換模塊、數(shù)據(jù)交換模塊、集群基站接口模塊、音頻交換器通道、遠端基站控制器、集群信道機、光纖直放站、基站通道、集群轉(zhuǎn)發(fā)器接口卡和系統(tǒng)管理終端通道等的運行狀態(tài)信息，如電源狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)等，可完成自動檢測、遙控檢測、故障定位、故障報警及遠端維護等，出現(xiàn)故障時能夠發(fā)出聲光報警。（8）故障弱化功能：包括中心控制器容錯、單站集群、控制信道備份、脫網(wǎng)呼叫等故障弱化功能。（9）強插功能：在一個小組的通話過程中，調(diào)度員具有最高的優(yōu)先級，可以隨時插入到一個小組的通話中，并打斷其他無線用戶的通話。除此之外，預(yù)占優(yōu)先功能同樣可以給調(diào)度與及其他主要無線用戶提供強插和強拆功能。（10）動態(tài)重組功能：系統(tǒng)管理員可以動態(tài)地對通話組進行重組，并通過RCM（Radio Control Manager，無線控制管理器軟件）實施“風(fēng)暴計劃”，一次執(zhí)行多個動態(tài)重組的命令，動態(tài)重組功能是通過在空中接口向移動臺發(fā)送信息來實現(xiàn)的。（11）多級優(yōu)先功能：每個無線用戶機被系統(tǒng)管理員分配一個范圍在2至10之間的優(yōu)先級，每個通話組也有優(yōu)先級別。每次組呼的優(yōu)先級或者為發(fā)起用戶級的優(yōu)先級，或者為通話組的優(yōu)先級，以其中級別高的為準，如果信道資源不夠，系統(tǒng)會對呼叫進行排隊，保證高優(yōu)先級的呼叫優(yōu)先得到處理。（12）系統(tǒng)擴展功能：采用積木式、模塊化的結(jié)構(gòu)便于擴容，全IP模塊化的結(jié)構(gòu)支持系統(tǒng)平滑擴容。（13）狀態(tài)信息業(yè)務(wù)功能：狀態(tài)信息業(yè)務(wù)允許無線用戶發(fā)送預(yù)編碼狀態(tài)信息至調(diào)度臺。只有用戶機能發(fā)送狀態(tài)信息且僅主控制信道（MCCH）支持發(fā)送，狀態(tài)信息被傳送給用戶機組所屬的調(diào)度臺，且僅被送給調(diào)度臺，而不送給其它通話組成員。（14）短數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)功能：短數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)（SDTS或短信）是一種傳輸層承載服務(wù)。SDTS可支持文本消息、數(shù)據(jù)庫查詢、AVL（Automatic Vehicle Location，自動車輛定位）、遙控遙測等數(shù)據(jù)應(yīng)用。SDTS同時支持“點到點”和“點到多點”TETRA短數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，SDTS支持信息多達140字節(jié)（中文70個漢字）。所有用戶終端都具有短數(shù)據(jù)傳送功能。（15）分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能：分組數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展使得各種服務(wù)，諸如話音、圖像和高速數(shù)據(jù)鏈接都可以采用IP技術(shù)實施。IP的簡單性和普遍性，以及互聯(lián)網(wǎng)客戶/服務(wù)器（資源分散）模式的推廣，為客戶承接數(shù)據(jù)服務(wù)的開發(fā)提供了先導(dǎo)，比如，為GSM蜂窩電話開發(fā)的多媒體應(yīng)用可以移植到TETRA。（16）虛擬專網(wǎng)功能：在多條線共享一個MSO的情況下，從管理上又要能夠?qū)崿F(xiàn)分線管理，這就需要借助于VPN技術(shù)，來實現(xiàn)設(shè)備、用戶、調(diào)度、數(shù)據(jù)等多方面的分線管理。

1.2 系統(tǒng)工作方式

除調(diào)度臺、固定臺與車載臺及無線用戶與有線用戶為雙工通話外，其余用戶通信皆為半雙工或單工方式。

1.3 系統(tǒng)方案的選定

地鐵無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用鏈狀覆蓋，車輛段和停車場所在地采用面狀覆蓋。系統(tǒng)設(shè)計必須符合本市軌道交通網(wǎng)的整體布局和現(xiàn)狀情況，同事考慮工程實施的可能性。

1.4 系統(tǒng)構(gòu)成

基站加光纖直放站方案的系統(tǒng)設(shè)備包括設(shè)置在控制中心的集群交換控制設(shè)備、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備、集群電話互聯(lián)設(shè)備、數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)備、調(diào)度臺網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備和各子系統(tǒng)調(diào)度臺；設(shè)置在車輛段、停車場的調(diào)度臺；設(shè)置在各地鐵車站的集群基站（或光線直放站）和車站電臺、每列車的車載電臺、站內(nèi)有關(guān)工作人員、維修人員配備的手持臺以及漏泄同軸電纜、天饋設(shè)備等。中心集群交換控制設(shè)備與基站以點對點方式星型連接，設(shè)置基站的車站，由基站直接提供信號進行覆蓋，其他車站由光纖直放站進行覆蓋。光纖直放站主站（近端站）設(shè)置在有基站的車站，通過耦合器取很小一部分基站信號進行光電轉(zhuǎn)換，將信號通過光纖連接到鄰站的直放站（遠端站）上，直放站完成光電轉(zhuǎn)換后將信號放大后饋送至LCX輻射出去。直放站收到各移動用戶的信號，進行光電轉(zhuǎn)換后通過光纖傳至直放站主站再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，恢復(fù)的電信號通過耦合器饋入基站。為控制系統(tǒng)噪聲和時延指標，光纖直放站不采用級聯(lián)方式。無線電信號的傳輸，地下隧道區(qū)間采用漏泄同軸電纜（LCX）方式，在隧道洞壁單側(cè)敷設(shè)。地上及高架段的基站通過室外天線（或漏泄同軸電纜）覆蓋各自的區(qū)段。在站間距離較長的區(qū)間根據(jù)需要設(shè)置光纖直放站遠端站，補償LCX的線路衰耗，或采用優(yōu)化型漏纜以保證系統(tǒng)的通話質(zhì)量和滿足越區(qū)切換要求。地面的車輛段和停車場利用室外天線采用空間波方式進行電波傳播。

1.5 系統(tǒng)頻率配置

TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)的標準規(guī)定載波干擾比為，以地點概率95%的要求，對于地面帶狀服務(wù)區(qū)來說，通過國際和國內(nèi)的試驗和實測數(shù)據(jù)均表明，對于中等起伏的地形，兩個地面同頻基站之間間隔2個小區(qū)的保護距離是足夠的，因此地面應(yīng)采用三頻率組以滿足工程設(shè)計和實際運用的要求。隧道區(qū)段因采用漏纜覆蓋，地下車站可采用二頻組隔站服用的方式。TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)采用共信道的運用方式，自動、動態(tài)地指配給系統(tǒng)全部用戶使用。每個載波能容納4個邏輯信道，其中1個信道為控制信道。當基站載頻數(shù)量不超過2個時，載頻配置可采用雙機雙頻模式?；静捎?個收發(fā)信機各自采用一對頻點?？稍O(shè)置成不同載頻的信道機互為熱備用，以提高在單載頻工作條件下的抗干擾性能。當基站載頻數(shù)量只有1個時，載頻配置可采用雙機單頻模式?；镜?個收發(fā)信機采用同一對頻點。平時一個收發(fā)信機工作，當這個收發(fā)信機故障時，另一個收發(fā)信機投入使用?？稍O(shè)置成相同載頻的信道機互為備用。

1.6 無線電信號的覆蓋方式及場強設(shè)計

（1）無線電信號的覆蓋方式：列車運行沿線的隧道區(qū)段、地面線路（含高架區(qū)段）和沿線車站站臺區(qū)敷設(shè)漏泄同軸電纜，場強比較穩(wěn)定，對外界也不會造成干擾。根據(jù)具體情況，當頻率資源比較豐富時，地面線路（含高架區(qū)段）也可采用天線覆蓋方式。（2）基站和從屬直放站區(qū)間漏纜的截斷間距。在漏纜覆蓋區(qū)間，為使信號場強分布盡量均勻，一般從兩相鄰基站（或直放站）分別相向引出漏纜。如果是從基站和從屬直放站分別相向引出漏纜L1，L2來傳送同一射頻信號，此時為避免產(chǎn)生共道干擾，L1，L2不能直接相連，應(yīng)在切換點把漏纜斷開，保持一定的距離，并在斷點兩邊加裝終端負載。如果漏纜兩邊為不同基站信號，此時漏纜切換點將不被斷開。應(yīng)在其匯接處通過轉(zhuǎn)換接頭用跳線連接，以保持場強的連續(xù)性。（3）越區(qū)切換的重疊區(qū)。一般情況下，LCX的越區(qū)切換損耗余量可由本小區(qū)與相鄰小區(qū)各負擔(dān)一半。根據(jù)TETRA標準的要求以及所采用的系統(tǒng)設(shè)備的特點，廠家對越區(qū)切換有不同的換算法。為保證系統(tǒng)的通信概率可靠性指標，在系統(tǒng)場強設(shè)計時，需留有一定的系統(tǒng)余量。（4）場強覆蓋設(shè)計需考慮的主要因素。a.在滿足邊緣場強覆蓋所需余量的同時盡可能減小干擾（含本系統(tǒng)內(nèi)部的共道、互調(diào)等干擾；與其它系統(tǒng)的相互干擾）及滿足電磁環(huán)境衛(wèi)生要求（室內(nèi)天線端口功率≤15dBm）；b.移動臺越區(qū)切換所需的場強重迭區(qū)；c.不同覆蓋區(qū)域的無線傳播模型、路徑損耗模型；d.列車高速移動過程中的多普勒頻移、多徑效應(yīng)引起的快衰落、慢衰落、隧道效應(yīng)；e.車廂車體屏蔽、建筑物及結(jié)構(gòu)、隔墻、門窗、安全門屏蔽等所帶來的附加損耗；f.人體（含列車滿載乘客時）屏蔽所帶來的附加損耗等；g.基站、直放站射頻技術(shù)參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整；h.通過漏泄同軸電纜、天線、射頻電纜的選型（各類損耗及增益）及安裝位置的選擇來滿足邊緣場強覆蓋要求；i.采用不同參數(shù)的功分器及定向耦合器，以優(yōu)化基站射頻能量往不同覆蓋區(qū)域的分配及余量的平衡；j.考慮留有適當?shù)脑O(shè)計余量；k.考慮未來無線網(wǎng)絡(luò)的擴容需求等；l.列車滿載乘客以最高時速行走或靜止時及安全門影響。（5）場強覆蓋的指標要求。a.信噪比：在場強覆蓋區(qū)內(nèi)，無線接收機音頻輸出端的信號噪聲比不小于20dB。b.可靠性：在滿足信噪比的要求下，場強覆蓋的地點、時間可靠概率在漏泄同軸電纜區(qū)段不小于98%，在天線區(qū)段不小于95%。c.最低接收（場強）電平：下行鏈路的每載頻信號場強，在要求的覆蓋區(qū)內(nèi)應(yīng)滿足≥-85dBm。（6）TETRA系統(tǒng)地鐵項目的一般性場強覆蓋的計算公式及參數(shù)取值。

2 設(shè)計及計算說明

（1）車載臺與手持臺差異。由于列車車載臺與手持臺相比，列車車載臺天線有一定的增益，天線架設(shè)于機車頂部，位置較高，距漏泄同軸電纜的直線距離較近，且不受車廂、車體屏蔽及人體屏蔽的影響。因此，在車載臺和手持臺均需覆蓋的所有車站、停車場/車輛段、隧道及地面、高架區(qū)間，車載臺場強覆蓋余量在同一地點優(yōu)于手持臺，故在以下部分進行場強設(shè)計計算時，主要考慮手持臺的場強覆蓋設(shè)計、計算。（2）下行與上行差異。由于在無線覆蓋的下行鏈路計算與上行鏈路計算中，區(qū)別主要在基站與移動臺的發(fā)射功率、接收靈敏度不同。（3）互調(diào)、雜散發(fā)射等噪聲的影響。由于在系統(tǒng)方案設(shè)計、設(shè)備技術(shù)參數(shù)選擇方面，已嚴格控制互調(diào)產(chǎn)物、雜散發(fā)射電平等電磁干擾指標，因此，此類噪聲電平對場強覆蓋的影響可忽略不計。（4）系統(tǒng)載干比。由于在系統(tǒng)方案設(shè)計、設(shè)備技術(shù)參數(shù)選擇方面，已嚴格控制互調(diào)產(chǎn)物、雜散發(fā)射電平等電磁干擾指標，因此，在移動終端滿載條件時，系統(tǒng)下行干擾電平可控制在-120dBm以下；而系統(tǒng)上行干擾電平可控制在-125dBm以下。（5）無縫覆蓋。由于在無線場強越區(qū)切換設(shè)計中，需考慮無線場強越區(qū)切換重迭區(qū)（在最高車速下）的要求。在滿足信噪比的要求下，區(qū)間覆蓋應(yīng)符合在以下條件下任何100米連續(xù)區(qū)段內(nèi)場強無縫覆蓋時間及地點概率為95%的要求：a.當列車以最高速度運行時；b.在列車車廂內(nèi)中心線；在滿足信噪比的要求下，控制中心、車站、停車場/車輛段無線覆蓋應(yīng)符合任何40米連續(xù)區(qū)段內(nèi)場強無縫覆蓋時間及地點概率為98%的要求；在系統(tǒng)手持臺、車載電臺無線場強測試時，應(yīng)滿足98%任意時間及任意地點無縫覆蓋要求，在其測試范圍中必須無固定盲點。