鐵路公安數(shù)字無線通信系統(tǒng)的研究

張 斌

（朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司 科技信息部，肅寧 062350）

鐵路公安數(shù)字無線通信系統(tǒng)的研究

張 斌

（朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司 科技信息部，肅寧 062350）

介紹一種基于DMR數(shù)字集群通信技術的鐵路公安數(shù)字無線通信系統(tǒng)，重點介紹系統(tǒng)構成、系統(tǒng)功能、頻率配置、越區(qū)切換機制以及車載臺配置等關鍵技術。系統(tǒng)所采用的DMR技術可以有效提高頻譜利用率，節(jié)約頻率資源，同時其很強的抗信號衰落能力能夠實現(xiàn)高質量的遠距離通信。本系統(tǒng)可以滿足鐵路公安高質量語音通信需求外，還支持數(shù)據(jù)傳輸，具有強大的數(shù)據(jù)通信功能，有助于推動鐵路公安信息化建設。

DMR技術；集群語音通信；鐵路公安；無線通信系統(tǒng)

鐵路公安作為維護鐵路治安穩(wěn)定的重要部門，在確保鐵路運輸安全方面發(fā)揮著重大作用，建設一套功能完備、技術先進的鐵路公安調度通信系統(tǒng)有助于提高鐵路公安調度指揮通信能力，更好地發(fā)揮快速處置各種突發(fā)事件、高效配置警力的作用。

本文采用DMR（Digital Mobile Radio）數(shù)字集群通信技術設計鐵路公安數(shù)字無線通信系統(tǒng)。DMR數(shù)字集群通信標準是歐洲通信標準協(xié)會（ETSI）為了滿足中低端專業(yè)及商業(yè)用戶對移動通信的需要而設計、制訂的開放性標準。DMR標準采用雙時隙（TDMA）多址方式，在現(xiàn)有的全球已授權地面移動頻率波段所使用的12.5 kHz信道間隔運行，并滿足未來對6.25 kHz通道均衡的監(jiān)管要求、4FSK調制方式、數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6 kb/s。DMR具有高效利用頻譜資源，大區(qū)制組網(wǎng)方式，兼容模擬常規(guī)的優(yōu)點。其業(yè)務功能豐富，可擴展，向后兼容，同時系統(tǒng)和終端成本較低，網(wǎng)絡建設速度較快，總體運維成本較低。

主要目的是指定復雜程度低、可負擔得起的數(shù)字系統(tǒng)，提供語音、數(shù)據(jù)和其他輔助服務。此標準共分3個階段：免費頻段的數(shù)字標準,數(shù)字常規(guī)，集群階段。

DMR技術采用雙時隙時分多址（TDMA）方式，可使單個12.5 kHz信道支持2個同步或獨立的通話，有效提高頻譜利用率，節(jié)約頻率資源，同時其很強的抗信號衰落能力實現(xiàn)高質量的遠距離通信。系統(tǒng)能滿足鐵路公安高質量語音通信需求，還支持數(shù)據(jù)傳輸，具有強大的數(shù)據(jù)通信功能，實現(xiàn)鐵路公安通信手段的多樣化，進一步推動鐵路公安信息化建設。

1 現(xiàn)狀及需求分析

1.1 現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段，鐵路公安無線通信系統(tǒng)采用模擬常規(guī)轉信臺方式或模擬對講機直通的方式實現(xiàn)，目前我國的鐵路公安無線通信系統(tǒng)基本上采用400 MHz模擬無線系統(tǒng)，運用常規(guī)轉信臺方式或模擬對講機直通的方式實現(xiàn)。該系統(tǒng)存在著通信技術落后、頻率干擾嚴重、信道少、發(fā)起呼叫困難、覆蓋盲區(qū)多且語音不清晰等問題。且各個區(qū)間和路段進行孤立通信，功能單一，缺乏統(tǒng)一的設計和規(guī)劃，只能僅僅滿足區(qū)域通話需求，而無法實現(xiàn)派出所到派出所，派出所到上級機關，乘警與地面機關的互聯(lián)互通，同時在應對重大事件也無法實現(xiàn)對全路的調度指揮，難以發(fā)揮高效的協(xié)調作戰(zhàn)指揮能力。

根據(jù)《關于加強450～470 MHz頻段無線電發(fā)射設備管理的通知》和《工業(yè)和信息化部關于無線電臺站規(guī)范化管理若干問題的通知》，國家調整無線電頻率資源運用規(guī)劃，鐵路無線列調系統(tǒng)使用的450～470 MHz頻率將被收回。

目前新建鐵路一般均新設GSM-R無線通信系統(tǒng)，但由于GSM-R系統(tǒng)頻率資源及帶寬有限，只能保障鐵路行車調度作業(yè)的通信需求，鐵路公安的通信往往無法納入GSM-R系統(tǒng)。

1.2 鐵路公安作業(yè)對無線系統(tǒng)的需求

1.2.1各類作業(yè)人員通信需求

通過調研，根據(jù)鐵路公安的作業(yè)模式及通信需求，鐵路公安系統(tǒng)作業(yè)人員主要可以分為3類：派出所執(zhí)勤民警、派出所巡警和乘警。

派出所執(zhí)勤民警的通信需求：派出所執(zhí)勤民警之間的語音通信以及他們和派出所值班臺之間的語音通信。

派出所巡警的通信需求：派出所巡警之間的語音通信、派出所巡警和執(zhí)勤民警以及他們和派出所值班臺之間的語音通信。

乘警的通信需求：乘警之間的語音通信、乘警和派出所巡警以及他們和派出所值班臺之間的語音通信。

1.2.2指揮調度需求

各派出所值班室設置無線調度臺，實現(xiàn)派出所值班調度臺對轄區(qū)內作業(yè)手持臺的呼叫管理，同時提供全網(wǎng)的通話錄音及監(jiān)聽。

1.2.3治安信息發(fā)送需求

各派出所值班室設置無線調度臺可以將人員作業(yè)分配、到發(fā)列車信息及相關安保等信息通過無線實時發(fā)送給相關分組作業(yè)人員的手持臺。

1.2.4應急通信需求

考慮到諸如地震、火災及大規(guī)模群體性事件等突發(fā)性事件時有發(fā)生，在緊急情況下，可啟動全路范圍內的應急組通信，并能通過設置在公安派出所值班室內的無線調度臺實現(xiàn)統(tǒng)一指揮，統(tǒng)一調度，參與應急作業(yè)。

1.2.5無線覆蓋需求

實現(xiàn)沿線鐵路公安工作區(qū)域以及各個車站范圍內的無線通信全覆蓋。

因此，根據(jù)鐵路公安系統(tǒng)作業(yè)現(xiàn)狀及以上的需求，建設一套專用于重載鐵路管理的數(shù)字無線通信系統(tǒng)勢在必行。

1.3 系統(tǒng)功能

語音功能包括組呼、個呼、緊急呼叫、遲后進入、通話錄音等。數(shù)據(jù)功能包括任務管理、位置管理、數(shù)據(jù)查詢等。網(wǎng)絡管理功能包括網(wǎng)絡監(jiān)控、配置管理、故障管理以及安全管理等。

2 鐵路公安數(shù)字無線通信系統(tǒng)

本系統(tǒng)結合數(shù)字無線通信技術和IP網(wǎng)絡技術設計鐵路公安數(shù)字無線通信系統(tǒng)，空口傳輸采用DMR數(shù)字無線通信技術，其TDMA傳輸方式有效地提高了頻譜利用率，同時其糾錯編碼等數(shù)字信號處理技術，具有很強的抗信號衰落的能力，實現(xiàn)了高質量的遠距離傳輸；有線通信網(wǎng)絡采用IP網(wǎng)絡技術，其通用性使得系統(tǒng)具有良好的互聯(lián)互通、擴展升級能力，實現(xiàn)了多信道共用和多區(qū)域聯(lián)網(wǎng)。

2.1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)以派出所為基本單位，采用集中式控制方式的單區(qū)多基站系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由控制中心服務器、無線調度臺、數(shù)字基站、車載臺（通話和中繼）和便攜臺等構成。派出所安裝控制中心服務器和無線調度臺，派出所轄區(qū)內的鐵路沿線安裝基站，警車安裝車載臺，巡警和乘警配置便攜臺?？刂浦行姆掌骱突局g采用基于IP網(wǎng)絡的星型拓撲結構組網(wǎng)，通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)字化語音和數(shù)字信令。有線操作臺、基站、車載臺和便攜臺之間采用無線方式傳送數(shù)字化語音和信令。

系統(tǒng)構成圖如圖1所示。

圖1 鐵路公安數(shù)字無線通信系統(tǒng)構成圖

（1）控制中心服務器是系統(tǒng)的核心單元，主要負責通信系統(tǒng)的交換、控制與管理，實現(xiàn)用戶終端的鑒權、注冊、呼叫（語音呼叫、數(shù)據(jù)呼叫）的建立和接續(xù)控制提供呼叫路由器、語音交換和安全性能管理、錄音等基本功能；提供有線接口，能連接至鐵路公安調度通信系統(tǒng)，實現(xiàn)無線通信和有線通信系統(tǒng)的互聯(lián)；提供豐富的數(shù)據(jù)功能，其任務管理系統(tǒng)和位置管理系統(tǒng)實現(xiàn)對派出所成員的任務管理和位置管理；提供數(shù)據(jù)傳輸通道，可通過本地鐵路公安局信息中心訪問至公安網(wǎng)相關系統(tǒng)（包括常住人口系統(tǒng)、暫住人口系統(tǒng)、流動人口信息系統(tǒng)、網(wǎng)上抓逃系統(tǒng)、出入境信息系統(tǒng)、交通管理系統(tǒng)、印章管理系統(tǒng)等）實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢功能；提供網(wǎng)絡管理終端，實現(xiàn)對系統(tǒng)的網(wǎng)絡監(jiān)控、配置管理、故障管理和安全管理。

（2）無線調度臺用于派出所執(zhí)勤值班民警通過全呼與組呼負責派出所管轄范圍內所有移動終端的作業(yè)調度。

（3）數(shù)字通信基站由信道機和天饋單元組成。每個信道機使用單個 12.5 kHz 信道，支持2個同步或獨立的通話。數(shù)字信道機數(shù)量根據(jù)鐵路公安作業(yè)覆蓋需求進行配置，主要用于在控制中心和便攜臺之間、控制中心和車載臺之間、便攜臺和便攜臺之間轉發(fā)語音和數(shù)字信令。

（4）車載臺既能用于在基站和便攜臺之間轉發(fā)語音和數(shù)字信令，又能作為便攜臺用于通話。

（5）移動手持臺可按照需求進行分組，每個手持臺有唯一的ID號碼且可以有多組ID號，通過不同的分組，手持臺可以實現(xiàn)不同分組內的呼叫和數(shù)據(jù)接收功能。

2.2 系統(tǒng)功能

2.2.1作業(yè)分組

根據(jù)鐵路公安作業(yè)人員的作業(yè)模式，將所有鐵路公安按作業(yè)分工的不同分成若干個小組，每個小組分配一個組ID號碼。同時每個手持終端均有唯一的ID號碼，手持終端可以分配多個組ID號碼，以便實現(xiàn)加入不同的分組，參與分組作業(yè)。

2.2.2語音通信

系統(tǒng)采用集群方式，支持全呼、組呼和私密呼叫等語音通信功能。在進行組呼時，只有同一個小組的人員才可以接聽，不在同一個小組的成員即使在同一個頻道也無法接聽，從而解決了以往客運站無線通信系統(tǒng)用戶不能分組帶來的一呼百應問題，通過按專業(yè)將使用對講機的用戶分成更細的小組，可充分滿足鐵路公安作業(yè)今后業(yè)務發(fā)展的需要。

2.2.3數(shù)據(jù)通信

系統(tǒng)控制中心服務器提供有線接口，能連接至鐵路公安調度通信系統(tǒng)，提供數(shù)據(jù)傳輸通道，可通過本地鐵路公安局信息中心訪問至公安網(wǎng)相關系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢功能。通過系統(tǒng)控制中心服務器將常住人口系統(tǒng)、暫住人口系統(tǒng)、流動人口信息系統(tǒng)、網(wǎng)上抓逃系統(tǒng)、出入境信息系統(tǒng)、交通管理系統(tǒng)、印章管理系統(tǒng)等信息發(fā)送到各個作業(yè)分組人員手持臺，發(fā)送方式為組發(fā)或選發(fā)。

2.2.4網(wǎng)絡管理功能

提供網(wǎng)絡管理終端，實現(xiàn)對系統(tǒng)的網(wǎng)絡監(jiān)控、配置管理、故障管理和安全管理。

2.3 組網(wǎng)方式

系統(tǒng)的有線網(wǎng)絡采用IP網(wǎng)絡技術，所有網(wǎng)元使用同類型的網(wǎng)絡接口，并以同樣的方式分配地址，每增加一個網(wǎng)元都可看作分配一個有效IP地址的客戶端，易于網(wǎng)絡擴展維護；從互操作角度來看，采用IP網(wǎng)路協(xié)議能夠便捷地連接不同的網(wǎng)絡系統(tǒng)，例如：派出所到派出所、派出所到公安處、派出所到公安局等，有效地實現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享。

系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡拓撲接口，以控制中心作為中央節(jié)點，各個基站作為子節(jié)點，子節(jié)點通過點到點的鏈路連接至中央節(jié)點，中央節(jié)點執(zhí)行集中式通信控制策略，管理維護整個通信網(wǎng)絡。星型拓撲結構具有網(wǎng)絡接口簡單、組網(wǎng)與擴展靈活、便于集中管理和控制、網(wǎng)絡延時較短、故障診斷方便、子節(jié)點故障不會影響整個網(wǎng)絡工作、使用簡單的訪問協(xié)議等優(yōu)點。

3 關鍵技術設計

3.1 頻率配置

同一派出所轄區(qū)內基站的接收頻率均為f4，發(fā)射頻率按f1、f2、f3交替配置,實現(xiàn)網(wǎng)絡覆蓋，同一派出所轄區(qū)內基站都統(tǒng)一使用相同的色碼，相鄰派出所轄區(qū)內基站使用不同的色碼進行分組，有效防止巡警在轄區(qū)邊界執(zhí)行任務時所持便攜臺發(fā)生越區(qū)切換，影響正常通話。巡警所持的便攜臺采用相同的發(fā)射頻率f4，對接收頻率采用f1/f2/f3自動掃描的方式實現(xiàn)頻率配置，發(fā)生信道切換時需判斷色碼，保證只在本派出所轄區(qū)內切換信道；乘警所持的便攜臺采用相同的發(fā)射頻率f4，對接收頻率采用f1/f2/ f3自動掃描的方式實現(xiàn)頻率配置，發(fā)生信道切換時不需要判斷色碼。頻率配置方案如圖2所示。

圖2 頻率配置方案

3.2 越區(qū)切換機制

由于同一派出所轄區(qū)內基站的接收頻率采用f4,發(fā)射頻率采用f1、f2、f3交替配置，移動終端在工作過程中采用以下越區(qū)切換策略：移動終端預設閾值，當移動終端判斷當前鎖定基站的RSSI信號值低于閾值，自動進入信道掃描狀態(tài)，當掃描到高于門限值的基站信號時，停止掃描并鎖定該信道完成越區(qū)切換。

3.3 車載臺配置

當巡警執(zhí)行任務時，實際需要通話的地點有可能超出了基站信號的覆蓋范圍，導致便攜臺無法接收到基站信號，例如鐵路沿線的村莊、樹林等。為使巡警在這些地點也能與派出所執(zhí)勤民警正常通話，需要為巡邏警車配備具有通話和中繼功能的車載臺，在便攜臺和基站之間轉發(fā)信號。

本系統(tǒng)中車載臺由兩部電臺組成，如圖3所示。電臺A與基站通信，發(fā)送頻率為f4，接收頻率采用f1/f2/f3自動掃描切換的方式實現(xiàn)頻率配置。電臺B以直通模式與便攜臺通信，發(fā)射和接收頻率均為f4'。

圖3 車載臺配置方案

巡警使用便攜臺在網(wǎng)絡模式下無法建立通話時，應手動切換到直通模式。在直通模式下，便攜臺的發(fā)射和接收頻率均為f4'，通過具有中繼功能的車載臺與基站保持通信，實現(xiàn)通話功能。

4 結束語

本文介紹一種基于DMR數(shù)字集群通信技術的鐵路公安數(shù)字無線通信系統(tǒng)，重點介紹了系統(tǒng)構成、系統(tǒng)功能、頻率配置、越區(qū)切換機制以及車載臺配置等關鍵技術，系統(tǒng)能夠滿足鐵路公安集群語音通信需求，具有組呼、個呼、緊急呼叫、遲后進入、通話錄音等功能，還具有數(shù)據(jù)功能和網(wǎng)絡管理功能，包括任務管理、位置管理、數(shù)據(jù)查詢、網(wǎng)絡監(jiān)控、配置管理、故障管理以及安全管理等。

[1] 徐小濤．數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)原理與應用[M]．北京：人民郵電出版社，2008．

[2] 海能達通信股份有限公司．DMR技術白皮書[Z]．深圳：海能達通信股份有限公司，2010．

[3] 李樹廣．數(shù)字通信與網(wǎng)絡技術[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2009．

[4] 鄭祖輝．數(shù)字集群移動通信系統(tǒng)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2008．

[5] 謝永軍．基于DMR數(shù)字集群通信技術的研究[D] ．北京：北京郵電大學，2009．

責任編輯 陳 蓉

Digital Wireless Communication System for railway public security

ZHANG Bin
( Department of Science and Technology Management, Shuohuang Railway Development Co. Ltd., Suning 062350, China )

This article introduced the Digital Wireless Communication System for railway public security based on DMR digital cluster communication technology, focused on the key technologies such as system structure, system function, frequency allocation, handoff mechanism, and vehicle conf i guration. The DMR technology used in the system could effectively improve the spectrum utilization rate, saved the precious frequency resources, and implemented the high quality long distance communication. This System could meet the needs of high quality voice communication, support data transmission, be powerful for data communication function.

DMR technology; cluster voice communication; railway public security; Wireless Communication System

U285.2∶TP39

A

1005-8451（2015）12-0054-05

2015-04-27

張 斌，工程師。