地鐵專用無線通信降級備用系統的應用

陳東伐

（蘇州軌道交通有限公司，215006，蘇州／／工程師）

地鐵運行控制設備一般位于地鐵公司控制中心大樓。在地鐵控制中心遭遇恐怖襲擊、災害等突發情況下，有可能影響包括無線通信在內的設備系統的運行，進而影響整個地鐵線路的運行。因此，有必要設置備用設施以減少突發情況對地鐵運營系統的影響。

近年來，業內提出了相對于控制中心大樓（主用）而言的備用中心的概念。備用中心一般設置于車輛段，對一些事關列車運行的重要中心控制設備進行備用。在控制中心（主用）發生突發情況之下，啟用備用中心設備，以確保列車的正常運行，最大限度地減少對運營線路的影響。

地鐵專用無線通信系統是地鐵運營調度指揮及維護管理的重要設施，是地鐵運行列車與車下運營管理機構之間唯一的通信手段，擔負著提高運營效率和管理水平、保證行車安全及地鐵乘客生命安全的重要使命。鑒于地鐵專用無線通信系統的重要作用，有必要對其采用備用方案，因此地鐵專用無線通信系統一般是備用中心考慮的系統之一。本文以中國電子科技集團第54研究所研制開發的降級備用系統產品為例，著重闡述地鐵專用無線通信降級備用系統的原理、構建與實現。

1 地鐵專用無線通信系統概述

目前，地鐵專用無線通信系統普遍采用800 MHz TETRA（陸地數字集群無線系統）通信方式。系統主要由交換控制中心設備、調度臺、集中網管系統、調度管理服務器等設備，以及基站、直放站、列車車載臺、固定電臺、便攜臺、天饋系統（包括漏泄同軸電纜、天線、射頻電纜、功分器、耦合器等）和傳輸通道等構成，以實現對地鐵線路的統一無線調度通信和管理。

地鐵專用無線通信系統一般采用單中心控制交換機加多基站小區制組網方案。在控制中心設置集群交換機，在地鐵沿線各車站、車輛段和控制中心設置集群基站。各基站通過有線傳輸通道與控制中心集群交換機相連，采用星型方式組網，一般設置行車調度臺、防災環控調度臺等。

地鐵專用TETRA無線通信系統主要實現以下功能：通話服務，數據服務，調度臺功能及管理等。此外，TETRA無線通信系統還設計故障弱化的功能，即單站集群功能、直通模式功能。

2 專用無線通信系統備用模式的比較

迄今，國內外對于專用無線通信系統的備用方案，存在三種模式。

1）完全備份模式：即對主用系統完全備份。其優點是系統可靠性很高，缺點是建設成本較高。這種模式采用較少。

2）故障弱化模式：即利用TETRA無線通信系統的故障弱化功能，包括單站集群功能、直通模式功能。其優點是，不用增加投資，可實現單基站下的呼叫功能和短距離對講功能；缺點是，無法實現中心調度功能，不能進行統一調度。

3）降級備用系統模式：即基于TETRA無線通信系統，在備用中心通過一套備用控制設備和備用調度臺終端，以一種遠程控制基站接入電臺（Site Access Radio，以下簡為SAR）的方式接入到TETRA基站，實現備用情況下對各基站下用戶的呼叫、指揮。其優點是：相對于第一種模式，可以節約很多建設成本；相對于第二種模式，既可以建設功能弱化的備用集群中心系統，又增強了單站集群功能，可以實現中心調度員對各基站下用戶的統一調度指揮。

通過以上比較分析不難看出，降級備用系統具有一定的經濟、技術優勢，因此其應用亦越來越多。目前，該系統在北京地鐵5號線、10號線得到成功應用。

3 降級備用系統的實現原理

在主用系統條件下，各個TETRA集群基站均通過有線傳輸鏈路連接到集群交換控制中心。在降級備用系統條件下，不存在集群交換控制中心，所有集群基站都工作在單站集群模式下；若要接入TETRA基站，常見的方式是通過有線方式直接連接和控制基站，但是控制中心與基站通信采用的協議為私有協議，不向第三方公開的。因此，有線接入方式在降級備用系統設計時不可行。降級備用系統通過SAR接入基站，降級備用中心設備通過有線傳輸鏈路連接到SAR，然后通過SAR以無線方式接入基站，進而建立各基站下移動臺的通信（如圖1所示）。

在降級備用系統中，SAR是降級備用中心與各基站下的車載臺，以及手持臺通信的中繼轉發設備。物理連接方面，SAR通過RS422數據接口及4線音頻接口，經傳輸系統連接到降級備用中心的設備；在編組方面，SAR內部需編入降級備用系統專用通話組，并啟動通話組掃描；在接收外部控制管理方面，下行方向接收備用控制中心的控制命令完成轉組、開關掃描、PTT（一按就通話）鍵操作等動作，上行方向將接收到的同基站下用戶呼叫信息發送給備用控制中心。

圖1 降級備用系統接入基站原理示意圖

SAR接入集群基站方式避開了分析基站接口私有協議的大量工作，直接通過空中接口接入TETRA集群基站，而該空中接口是符合TETRA標準的，也是TETRA的內部接口。

SAR需要在降級備用系統的控制下才能完成中繼轉發工作。為了接收命令，SAR是在集群標準電臺（設置于車控室的固定電臺）上開發實現的。在電臺上，集群廠家向第三方開放了一種稱為SB 9600的接口和協議。通過該接口可以實現對電臺的多種操作和控制。SAR通過一套固件程序與SB9600接口進行通信。

4 降級備用系統的構成與實現

4.1 降級備用系統的構成

降級備用系統由備用中心設備和若干套SAR、車載臺（含備用功能）、手持臺，以及若干個單站集群模式下的MTS基站等組成。其中，備用中心設備包括：中心控制機，服務器（包括軟、硬件），備用調度臺（包括軟、硬件），音頻接口設備，RS422接口轉換設備，網絡設備等。降級備用系統的組網結構如圖2所示。其中主要設備的功能如下。

1）中心控制機功能：話音接續，接收服務器控制命令并處理。

2）服務器功能：對SAR、中心控制機進行控制，監視設備狀態，為備用調度臺提供信息服務。

3）SAR功能：在服務器人工遠程操作控制下轉入備用通話組，啟動通話組掃描；接收和處理調度臺指令，并對調度臺指令作出回應；向調度臺發送所屬基站下手持臺、車載臺的呼叫信息；接收調度臺語音，并通過無線鏈路發送給基站下的手持臺、車載臺；通過無線鏈路接收基站下手持臺、車載臺的語音，并傳送給相應調度臺。

圖2 地鐵專用無線通信降級備用系統組網結構示意圖

4）音頻接口設備功能：采用插卡方式安裝在調度臺計算機主機內，提供調度員操作接口；通過MIC（話筒）接收調度員話音，并發送給中心控制機；接收中心控制機的上行話音，并通過選中（或非選中）喇叭播放給調度員；提供錄音輸出接口，將MIC輸入音頻，選中喇叭音頻輸出給錄音設備；向調度臺計算機發送PTT按鍵信息。

5）調度臺設備功能：為備用系統調度員提供人機界面，供調度員完成對列車、移動作業人員的基本調度指揮。

4.2 降級備用系統功能的實現

降級備用系統在主用中心集群交換設備癱瘓或控制中心不能按時投入使用時啟用。

主用控制中心與備用控制中心采用人工切換。正常情況下，備用控制中心處于關閉狀態。當主用控制中心設備出現故障無法使用時，可人工開啟備用系統，啟用備用控制中心；當主用控制中心恢復正常后，可人工關閉備用系統，重新開啟主用控制中心系統。地鐵專用無線通信系統中的車載臺、手持臺在人工控制下完成主、備模式切換，SAR在備用系統服務器人工遠程操作控制下完成主、備模式切換。下面重點闡述降級備用呼叫功能的實現過程。

1）上行呼叫（移動臺呼叫調度臺）過程：在移動臺上直接按下PTT鍵，將移動臺呼叫使用的通話組、移動臺ID首先通過無線鏈路發送給所屬基站下的SAR；SAR獲取這些信息后進行協議轉換再轉發給服務器；服務器分析上行呼叫信息，然后同時將信息下發給中心控制機和相關調度臺；中心控制機立即建立相關SAR到調度臺的話音通道，調度臺收到服務器的信息后在界面上顯示出主叫方信息。在移動臺上按下PTT鍵后無需等待系統確認信息即可通話，產生話音流，話音首先通過無線鏈路發給所屬基站下的SAR；SAR再通過中心控制機已經建立的話音通道傳送給相關調度臺。上行呼叫過程示意圖見圖3所示。

圖3 上行呼叫過程示意圖

2）下行呼叫（調度臺呼叫移動臺）過程（見圖4）：調度臺首先發送下行呼叫指令給服務器，服務器進行指令解析后同時將指令下達給中心控制機及所有SAR；中心控制機負責完成調度臺到所有SAR的音頻通道建立，所有SAR根據指令中的通話組信息轉組到該通話組，關閉組掃描，中心控制機和所有SAR完成指令要求的工作后，回復確認信息給服務器；服務器進而將信息轉給調度臺，然后調度臺即可按下PTT鍵講話，產生話音流，調度臺話音首先傳送給中心控制機；中心控制機通過前面已建立的話音通道將調度臺話音轉發給所有SAR；然后SAR即可將話音下發給指定移動臺。

圖4 下行呼叫過程示意圖

值得一提的是，與主用系統相比較，備用系統不提供派接呼叫功能、多選呼叫功能、私密呼叫功能、有線電話互聯功能，以及與短數據通信相關的功能等。

5 結語

降級備用系統通過遠程控制SAR接入集群基站的方式，使技術實現上相對簡單，以較少的代價有效彌補了TETRA故障弱化功能的不足，提高了地鐵無線調度指揮的可靠性；同時也為地鐵運營單位應對危機突發情況、反恐、防災等提供了重要技術保證。因此，降級備用系統具有較高的實際應用價值。

［1］GB 15539—1995集群移動通信系統技術體制［S］.

［2］SJ／T 11228—2000數字集群移動通信系統體制［S］.

［3］GB 50157—2003地鐵設計規范［S］.

［4］沙學軍，譚學治，陳娟.數字集群網系統總體方案的探討［J］.移動通信，2001（4）：19.

［5］鄭祖輝，陸錦華，鄭嵐.數字集群移動通信系統［M］.北京：電子工業出版社，2005.

［6］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.北京：國防工業出版社，2008.

［7］國剛，周峰，孫更新.軟件工程統一建模原理與實踐教程［M］.北京：電子工業出版社，2007.

［8］李保田.地鐵無線通信降級備用系統呼叫控制子系統的實現［D］.西安：西安電子科技大學，2009.