无线集群通信在地铁中的应用探讨

余继

（北京交通大学，北京 100044）

1 无线集群通信简介

无线集群通信是一种智能化的无线频率管理技术。集群系统的本质是允许大量用户共享少量通信信道和虚拟专网技术。其工作方式与移动电话系统相似，由一个交换控制中心根据需要，自动为用户指定无线信道。其不同点在于集群通信以组呼为主，用户之间有严格的上下级关系，用户根据不同的优先级占用或抢占无线信道，呼叫接续要快（300ms～500ms），且以单工、半双工通信为主要通信方式。

2 无线集群的地铁应用

2.1 概述

地铁的无线集群通信系统为控制中心调度员、车辆段调度员、车站值班员等固定用户与列车司机、防灾、维修、公安等移动用户之间提供通信手段。系统必须满足行车安全、应急抢险的需要。目前，地铁无线集群通信系统均采用TETRA数字集群通信系统组网。

在地铁中的调度网通常包括行车调度网、维修调度网、环控调度网、车辆段调度网和防灾调度网5个无线调度专网。

在TETRA数字集群系统中，各调度网以虚拟专网的方式存在，互相独立，互不影响。各调度网共享频点和基站设备，提高了频率资源的利用率，节约了设备投资。地铁中的无线数字集群系统还与信号系统（ATS）相配合，为调度台与车载台提供列车的位置与状态信息。

TETRA分机间具有脱机对讲功能（相当于对讲机）。在司机与调度不能正常通话的紧急情况下，利用该功能，司机可直接呼叫车站值班员，起到应急通信的作用。

TETRA集群系统采用单工、半双工为主要通信方式，只有按键讲话（PTT－Push To Talk）时才占用无线信道，节约了无线资源和终端耗电。该系统具有选呼、组呼、列车广播、优先呼叫、强拆、强插、调度通话录音、后台监听等功能。

目前，我国地铁所使用数字集群系统为MOTOROLA和欧洲宇航EADS（原NOKIA）的产品。

2.2 组网方式

在地铁通信的一条线路中，可采用大区制、中区制、小区制组网。

2.2.1 大区制

全线路只在一个车站设置基站，全线其它车站均设置直放站。大区制的特点为：不存在越区切换问题、工程造价低。其缺点为：可靠性较低、存在多径干扰的场点较多、单基站载频有限、扩容受到限制。

2.2.2 中区制

在少数几个车站设置基站，全线其它车站均设置直放站。中区制的特点为：频率资源利用率较高、越区切换频次较少、干扰较少、系统可靠性较高、工程造价较低、扩容灵活方便。

基站与直放站的链接，可以采用同轴漏泄电缆链接与利用地铁传输网链接二种方式。

2.2.3 小区制

在每一个车站设置基站，地铁中非相邻基站载频频率一般允许进行空间复用。小区制的特点为：频率资源利用率高、越区切换频次多、干扰少、系统可靠性高、工程造价较高。

近年来，基站价格下降，开始接近直放站的价格，故目前新建地铁的无线集群通信系统釆用小区制组网方案逐渐增多。

2.3 无线场强覆盖范围

地铁集群通信系统的无线场强覆盖范围包括：地铁运行线路全线各车站的站台、站厅及区间隧道或地面及高架线路，以及整个车辆段地面区域（含检修库、运用库等），可以采用如下方式进行场强覆盖。

2.3.1 沿线隧道、地面及高架运行线路及沿线地下车站的站台区主要采用漏泄同轴电缆辐射方式进行场强覆盖。

2.3.2 沿线地下车站站厅区（含部分出入口通道）主要采用吸顶低廓天线进行场强覆盖。

2.3.3 车辆段、停车场主要采用室外全向及低廓天线进行场强覆盖。

2.4 地铁对无线集群通信系统的功能需求

2.4.1 无线通信可以为地铁内部固定工作人员与流动工作人员之间提供话音通信、短信息与分组数据通信。系统以组呼为主，也可以提供选呼。

2.4.2 根据业务需要，为中心调度员、车站值班员、车辆段/停车场值班员、列车司机以及各部门流动人员之间提供无线通信手段。

2.4.3 按使用部门或人员进行优先权排队，当业务信道全部占用时，优先权级别高的呼叫可中断优先权级别低的通话，以保证调度作业的正常进行，并确保紧急情况下的指挥、调度。

2.4.4 具有紧急呼叫功能，紧急呼叫的优先权高于所有的呼叫。

2.4.5 中心调度员可插入列车广播，对列车乘客进行选呼广播和全呼广播。

2.4.6 中心调度员可监听本部门调度用户的通话，并对所有通话可以自动或人工录音。

2.4.7 控制中心的无线调度核心网设备具有呼叫记录功能，存储主呼和被呼号码、位置、类型、日期和时间，必要时，可打印输出。

2.4.8 具有设备的自检和中心检测功能。

2.4.9 地面线路和地面车站、车辆段/停车场，采用基站和空间波天线完成工作区域的场强覆盖；地下线路和地下车站采用基站（或直放站）和漏泄同轴电缆（或隧道天线）完成工作区域的场强覆盖。

2.4.10 整个系统由位于控制中心的核心网设备，位于车站的基站设备，以及列车台、各部门便携台和传输通道等组成。

2.4.11 在话音质量为三级的保证条件下，边缘覆盖概率为：系统空间波覆盖的地点概率不小于90%，漏泄同轴电缆辐射电波覆盖的地点概率不小于95%。

3 TETRA数字集群系统

TETRA（Trans European Trunked Radio）是由ETSI推荐的一个数字集群标准，该标准是个公开的标准。TETRA标准采用TDMA与FDD技术，将一个载频的25KHz带宽分为4个时隙（信道）。TETRA系统集调度、移动电话、移动数传和短消息业务于一体，非常适合专网无线调度使用。

3.1 TETRA标准

TETRA标准描述了TETRA系统的空中接口与各种外围接口。核心网与基站之间的接口尚未标准化，故TETRA系统的标准化程度，低于公众移动通信系统，造成了一定的设备垄断性。

3.2 TETRA空中接口

TETRA系统在我国使用 806～821MHz（上行）和851～866MHz（下行）频段，和现有的模拟集群通信系统所使用的频段是一致的。该系统采用π/4 DQPSK调制方式，其最大相位变化不超过180O，调制频带窄，接收端无需基准相位振荡。

在TETRA系统中，每一个无线电载波，无论是上行或下行链路均划分为4个时隙。每一时隙构成一个无线信道。可用于承载话音/数据业务、控制信令，或两者混合进行传输（随路信令）。

4 无线集群终端

4.1 车载台

地铁列车前后两端驾驶室各安装一台车载台。该车载台主要由无线收发信机、控制及接口电路、控制面板、话筒、天线等组成。其中无线收发信机、控制和接口电路安装在一个固定的机壳内，控制面板和话筒分别安装在驾驶员座位的左方与右方，天线安装在车顶。驾驶员可以通过操作控制面板的按键，发出通信请求，并通过话筒发话，通过扬声器收听。通过系统与ATS的连接，控制面板显示屏上会显示当前列车位置与车次等信息。

4.2 车站台

车站台为固定台，配置在每个车站的车控室。车站值班站长可通过车站台与控制中心的行车调度员进行联系，经行车调度台转接可与司机通话。

4.3 手持台

手持台主要配备给站务人员、维修人员、保安等不固定地点的作业人员。使他们可与相关调度员通话或发起组呼。

这些集群终端的通信功能主要有一般呼叫、紧急呼叫、短信收发、组呼以及调度员通过车载台对列车进行广播等。

[1]郑祖辉等，数字集群移动通信系统，电子工业出版社，2005.

[2]胡兴军等，数字集群通信三大标准及前景[J].中国信息导报,2004.