淺析地鐵集群專用無線通信系統

黃鶴

摘 要：作為現代軌道交通最重要的通信手段，專用無線通信系統已經成為軌道交通建設項目中不可或缺的一部分。而TETRA系統也成為目前城市軌道交通專用無線通信系統的最廣泛選擇。TETRA除擁有一般的語音通信功能外，還具有廣泛的數據通信等功能，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系統的功能應用和組網方案也成為重要的課題。文章針對TETRA系統的功能應用、系統構成、組網方案等做了簡單的分析闡述，在保障城市軌道交通建設基本的語音、數據功能需求基礎上，通過網絡優化以達到系統的更加高效可靠。

關鍵詞：地鐵集群；專用；無線；通信系統

1 TETRA主要功能的應用

1.1 TETRA系統的主要功能

TETRA系統的主要功能如下：（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：控制中心調度員可以通過無線通信系統調度臺，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：當用戶發出呼叫時，位于控制中心的設備能存儲呼叫類型、呼叫狀態、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信息，必要時可輸出至打印機。（6）錄音功能。（7）系統網絡管理功能：系統具有完善的網絡管理功能，中心級網管終端應能夠監測系統各級設備如中心控制器模塊、音頻器接口、電源、音頻交換模塊、數據交換模塊、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、集群轉發器接口卡和系統管理終端通道等的運行狀態信息，如電源狀態、設備狀態等，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，出現故障時能夠發出聲光報警。（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，調度員具有最高的優先級，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，預占優先功能同樣可以給調度與及其他主要無線用戶提供強插和強拆功能。（10）動態重組功能：系統管理員可以動態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“風暴計劃”，一次執行多個動態重組的命令，動態重組功能是通過在空中接口向移動臺發送信息來實現的。（11）多級優先功能：每個無線用戶機被系統管理員分配一個范圍在2至10之間的優先級，每個通話組也有優先級別。每次組呼的優先級或者為發起用戶級的優先級，或者為通話組的優先級，以其中級別高的為準，如果信道資源不夠，系統會對呼叫進行排隊，保證高優先級的呼叫優先得到處理。（12）系統擴展功能：采用積木式、模塊化的結構便于擴容，全IP模塊化的結構支持系統平滑擴容。（13）狀態信息業務功能：狀態信息業務允許無線用戶發送預編碼狀態信息至調度臺。只有用戶機能發送狀態信息且僅主控制信道（MCCH）支持發送，狀態信息被傳送給用戶機組所屬的調度臺，且僅被送給調度臺，而不送給其它通話組成員。（14）短數據傳輸業務功能：短數據傳輸業務（SDTS或短信）是一種傳輸層承載服務。SDTS可支持文本消息、數據庫查詢、AVL（Automatic Vehicle Location，自動車輛定位）、遙控遙測等數據應用。SDTS同時支持“點到點”和“點到多點”TETRA短數據傳輸服務，SDTS支持信息多達140字節（中文70個漢字）。所有用戶終端都具有短數據傳送功能。（15）分組數據業務功能：分組數據技術的飛速發展使得各種服務，諸如話音、圖像和高速數據鏈接都可以采用IP技術實施。IP的簡單性和普遍性，以及互聯網客戶/服務器（資源分散）模式的推廣，為客戶承接數據服務的開發提供了先導，比如，為GSM蜂窩電話開發的多媒體應用可以移植到TETRA。（16）虛擬專網功能：在多條線共享一個MSO的情況下，從管理上又要能夠實現分線管理，這就需要借助于VPN技術，來實現設備、用戶、調度、數據等多方面的分線管理。

1.2 系統工作方式

除調度臺、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 系統方案的選定

地鐵無線通信系統網絡采用鏈狀覆蓋，車輛段和停車場所在地采用面狀覆蓋。系統設計必須符合本市軌道交通網的整體布局和現狀情況，同事考慮工程實施的可能性。

1.4 系統構成

基站加光纖直放站方案的系統設備包括設置在控制中心的集群交換控制設備、系統網絡管理設備、集群電話互聯設備、數據服務設備、調度臺網絡連接設備和各子系統調度臺；設置在車輛段、停車場的調度臺；設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、站內有關工作人員、維修人員配備的手持臺以及漏泄同軸電纜、天饋設備等。中心集群交換控制設備與基站以點對點方式星型連接，設置基站的車站，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，進行光電轉換后通過光纖傳至直放站主站再經光電轉換，恢復的電信號通過耦合器饋入基站。為控制系統噪聲和時延指標，光纖直放站不采用級聯方式。無線電信號的傳輸，地下隧道區間采用漏泄同軸電纜（LCX）方式，在隧道洞壁單側敷設。地上及高架段的基站通過室外天線（或漏泄同軸電纜）覆蓋各自的區段。在站間距離較長的區間根據需要設置光纖直放站遠端站，補償LCX的線路衰耗，或采用優化型漏纜以保證系統的通話質量和滿足越區切換要求。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 系統頻率配置

TETRA數字集群系統的標準規定載波干擾比為，以地點概率95%的要求，對于地面帶狀服務區來說，通過國際和國內的試驗和實測數據均表明，對于中等起伏的地形，兩個地面同頻基站之間間隔2個小區的保護距離是足夠的，因此地面應采用三頻率組以滿足工程設計和實際運用的要求。隧道區段因采用漏纜覆蓋，地下車站可采用二頻組隔站服用的方式。TETRA數字集群系統采用共信道的運用方式，自動、動態地指配給系統全部用戶使用。每個載波能容納4個邏輯信道，其中1個信道為控制信道。當基站載頻數量不超過2個時，載頻配置可采用雙機雙頻模式。基站采用2個收發信機各自采用一對頻點。可設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。當基站載頻數量只有1個時，載頻配置可采用雙機單頻模式。基站的2個收發信機采用同一對頻點。平時一個收發信機工作，當這個收發信機故障時，另一個收發信機投入使用。可設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計

（1）無線電信號的覆蓋方式：列車運行沿線的隧道區段、地面線路（含高架區段）和沿線車站站臺區敷設漏泄同軸電纜，場強比較穩定，對外界也不會造成干擾。根據具體情況，當頻率資源比較豐富時，地面線路（含高架區段）也可采用天線覆蓋方式。（2）基站和從屬直放站區間漏纜的截斷間距。在漏纜覆蓋區間，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，此時為避免產生共道干擾，L1，L2不能直接相連，應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。應在其匯接處通過轉換接頭用跳線連接，以保持場強的連續性。（3）越區切換的重疊區。一般情況下，LCX的越區切換損耗余量可由本小區與相鄰小區各負擔一半。根據TETRA標準的要求以及所采用的系統設備的特點，廠家對越區切換有不同的換算法。為保證系統的通信概率可靠性指標，在系統場強設計時，需留有一定的系統余量。（4）場強覆蓋設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（含本系統內部的共道、互調等干擾；與其它系統的相互干擾）及滿足電磁環境衛生要求（室內天線端口功率≤15dBm）；b.移動臺越區切換所需的場強重迭區；c.不同覆蓋區域的無線傳播模型、路徑損耗模型；d.列車高速移動過程中的多普勒頻移、多徑效應引起的快衰落、慢衰落、隧道效應；e.車廂車體屏蔽、建筑物及結構、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、直放站射頻技術參數的設定和調整；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.采用不同參數的功分器及定向耦合器，以優化基站射頻能量往不同覆蓋區域的分配及余量的平衡；j.考慮留有適當的設計余量；k.考慮未來無線網絡的擴容需求等；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：在場強覆蓋區內，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段不小于98%，在天線區段不小于95%。c.最低接收（場強）電平：下行鏈路的每載頻信號場強，在要求的覆蓋區內應滿足≥-85dBm。（6）TETRA系統地鐵項目的一般性場強覆蓋的計算公式及參數取值。

2 設計及計算說明

（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、高架區間，車載臺場強覆蓋余量在同一地點優于手持臺，故在以下部分進行場強設計計算時，主要考慮手持臺的場強覆蓋設計、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，區別主要在基站與移動臺的發射功率、接收靈敏度不同。（3）互調、雜散發射等噪聲的影響。由于在系統方案設計、設備技術參數選擇方面，已嚴格控制互調產物、雜散發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）系統載干比。由于在系統方案設計、設備技術參數選擇方面，已嚴格控制互調產物、雜散發射電平等電磁干擾指標，因此，在移動終端滿載條件時，系統下行干擾電平可控制在-120dBm以下；而系統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切換設計中，需考慮無線場強越區切換重迭區（在最高車速下）的要求。在滿足信噪比的要求下，區間覆蓋應符合在以下條件下任何100米連續區段內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/車輛段無線覆蓋應符合任何40米連續區段內場強無縫覆蓋時間及地點概率為98%的要求；在系統手持臺、車載電臺無線場強測試時，應滿足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。