浅析地铁集群专用无线通信系统

黄鹤

摘 要：作为现代轨道交通最重要的通信手段，专用无线通信系统已经成为轨道交通建设项目中不可或缺的一部分。而TETRA系统也成为目前城市轨道交通专用无线通信系统的最广泛选择。TETRA除拥有一般的语音通信功能外，还具有广泛的数据通信等功能，为城市轨道交通能够安全、高密度、高效运营起到了保障性作用。同时，TETRA系统的功能应用和组网方案也成为重要的课题。文章针对TETRA系统的功能应用、系统构成、组网方案等做了简单的分析阐述，在保障城市轨道交通建设基本的语音、数据功能需求基础上，通过网络优化以达到系统的更加高效可靠。

关键词：地铁集群；专用；无线；通信系统

1 TETRA主要功能的应用

1.1 TETRA系统的主要功能

TETRA系统的主要功能如下：（1）通话功能（包括组呼、个呼、通播组呼叫、紧急呼叫等）。（2）编组功能。（3）通话组扫描功能。（4）广播功能：控制中心调度员可以通过无线通信系统调度台，选择运行中的全部本线列车或部分列车进行广播，车辆段/停车场调度员可对位于车辆段/停车场的全部列车或部分列车进行广播。（5）存储功能：当用户发出呼叫时，位于控制中心的设备能存储呼叫类型、呼叫状态、被呼和主呼的移动台标识码和位置（以车站站名表示）、通话起止时间等有关信息，必要时可输出至打印机。（6）录音功能。（7）系统网络管理功能：系统具有完善的网络管理功能，中心级网管终端应能够监测系统各级设备如中心控制器模块、音频器接口、电源、音频交换模块、数据交换模块、集群基站接口模块、音频交换器通道、远端基站控制器、集群信道机、光纤直放站、基站通道、集群转发器接口卡和系统管理终端通道等的运行状态信息，如电源状态、设备状态等，可完成自动检测、遥控检测、故障定位、故障报警及远端维护等，出现故障时能够发出声光报警。（8）故障弱化功能：包括中心控制器容错、单站集群、控制信道备份、脱网呼叫等故障弱化功能。（9）强插功能：在一个小组的通话过程中，调度员具有最高的优先级，可以随时插入到一个小组的通话中，并打断其他无线用户的通话。除此之外，预占优先功能同样可以给调度与及其他主要无线用户提供强插和强拆功能。（10）动态重组功能：系统管理员可以动态地对通话组进行重组，并通过RCM（Radio Control Manager，无线控制管理器软件）实施“风暴计划”，一次执行多个动态重组的命令，动态重组功能是通过在空中接口向移动台发送信息来实现的。（11）多级优先功能：每个无线用户机被系统管理员分配一个范围在2至10之间的优先级，每个通话组也有优先级别。每次组呼的优先级或者为发起用户级的优先级，或者为通话组的优先级，以其中级别高的为准，如果信道资源不够，系统会对呼叫进行排队，保证高优先级的呼叫优先得到处理。（12）系统扩展功能：采用积木式、模块化的结构便于扩容，全IP模块化的结构支持系统平滑扩容。（13）状态信息业务功能：状态信息业务允许无线用户发送预编码状态信息至调度台。只有用户机能发送状态信息且仅主控制信道（MCCH）支持发送，状态信息被传送给用户机组所属的调度台，且仅被送给调度台，而不送给其它通话组成员。（14）短数据传输业务功能：短数据传输业务（SDTS或短信）是一种传输层承载服务。SDTS可支持文本消息、数据库查询、AVL（Automatic Vehicle Location，自动车辆定位）、遥控遥测等数据应用。SDTS同时支持“点到点”和“点到多点”TETRA短数据传输服务，SDTS支持信息多达140字节（中文70个汉字）。所有用户终端都具有短数据传送功能。（15）分组数据业务功能：分组数据技术的飞速发展使得各种服务，诸如话音、图像和高速数据链接都可以采用IP技术实施。IP的简单性和普遍性，以及互联网客户/服务器（资源分散）模式的推广，为客户承接数据服务的开发提供了先导，比如，为GSM蜂窝电话开发的多媒体应用可以移植到TETRA。（16）虚拟专网功能：在多条线共享一个MSO的情况下，从管理上又要能够实现分线管理，这就需要借助于VPN技术，来实现设备、用户、調度、数据等多方面的分线管理。

1.2 系统工作方式

除调度台、固定台与车载台及无线用户与有线用户为双工通话外，其余用户通信皆为半双工或单工方式。

1.3 系统方案的选定

地铁无线通信系统网络采用链状覆盖，车辆段和停车场所在地采用面状覆盖。系统设计必须符合本市轨道交通网的整体布局和现状情况，同事考虑工程实施的可能性。

1.4 系统构成

基站加光纤直放站方案的系统设备包括设置在控制中心的集群交换控制设备、系统网络管理设备、集群电话互联设备、数据服务设备、调度台网络连接设备和各子系统调度台；设置在车辆段、停车场的调度台；设置在各地铁车站的集群基站（或光线直放站）和车站电台、每列车的车载电台、站内有关工作人员、维修人员配备的手持台以及漏泄同轴电缆、天馈设备等。中心集群交换控制设备与基站以点对点方式星型连接，设置基站的车站，由基站直接提供信号进行覆盖，其他车站由光纤直放站进行覆盖。光纤直放站主站（近端站）设置在有基站的车站，通过耦合器取很小一部分基站信号进行光电转换，将信号通过光纤连接到邻站的直放站（远端站）上，直放站完成光电转换后将信号放大后馈送至LCX辐射出去。直放站收到各移动用户的信号，进行光电转换后通过光纤传至直放站主站再经光电转换，恢复的电信号通过耦合器馈入基站。为控制系统噪声和时延指标，光纤直放站不采用级联方式。无线电信号的传输，地下隧道区间采用漏泄同轴电缆（LCX）方式，在隧道洞壁单侧敷设。地上及高架段的基站通过室外天线（或漏泄同轴电缆）覆盖各自的区段。在站间距离较长的区间根据需要设置光纤直放站远端站，补偿LCX的线路衰耗，或采用优化型漏缆以保证系统的通话质量和满足越区切换要求。地面的车辆段和停车场利用室外天线采用空间波方式进行电波传播。

1.5 系统频率配置

TETRA数字集群系统的标准规定载波干扰比为，以地点概率95%的要求，对于地面带状服务区来说，通过国际和国内的试验和实测数据均表明，对于中等起伏的地形，两个地面同频基站之间间隔2个小区的保护距离是足够的，因此地面应采用三频率组以满足工程设计和实际运用的要求。隧道区段因采用漏缆覆盖，地下车站可采用二频组隔站服用的方式。TETRA数字集群系统采用共信道的运用方式，自动、动态地指配给系统全部用户使用。每个载波能容纳4个逻辑信道，其中1个信道为控制信道。当基站载频数量不超过2个时，载频配置可采用双机双频模式。基站采用2个收发信机各自采用一对频点。可设置成不同载频的信道机互为热备用，以提高在单载频工作条件下的抗干扰性能。当基站载频数量只有1个时，载频配置可采用双机单频模式。基站的2个收发信机采用同一对频点。平时一个收发信机工作，当这个收发信机故障时，另一个收发信机投入使用。可设置成相同载频的信道机互为备用。

1.6 无线电信号的覆盖方式及场强设计

（1）无线电信号的覆盖方式：列车运行沿线的隧道区段、地面线路（含高架区段）和沿线车站站台区敷设漏泄同轴电缆，场强比较稳定，对外界也不会造成干扰。根据具体情况，当频率资源比较丰富时，地面线路（含高架区段）也可采用天线覆盖方式。（2）基站和从属直放站区间漏缆的截断间距。在漏缆覆盖区间，为使信号场强分布尽量均匀，一般从两相邻基站（或直放站）分别相向引出漏缆。如果是从基站和从属直放站分别相向引出漏缆L1，L2来传送同一射频信号，此时为避免产生共道干扰，L1，L2不能直接相连，应在切换点把漏缆断开，保持一定的距离，并在断点两边加装终端负载。如果漏缆两边为不同基站信号，此时漏缆切换点将不被断开。应在其汇接处通过转换接头用跳线连接，以保持场强的连续性。（3）越区切换的重叠区。一般情况下，LCX的越区切换损耗余量可由本小区与相邻小区各负担一半。根据TETRA标准的要求以及所采用的系统设备的特点，厂家对越区切换有不同的换算法。为保证系统的通信概率可靠性指标，在系统场强设计时，需留有一定的系统余量。（4）场强覆盖设计需考虑的主要因素。a.在满足边缘场强覆盖所需余量的同时尽可能减小干扰（含本系统内部的共道、互调等干扰；与其它系统的相互干扰）及满足电磁环境卫生要求（室内天线端口功率≤15dBm）；b.移动台越区切换所需的场强重迭区；c.不同覆盖区域的无线传播模型、路径损耗模型；d.列车高速移动过程中的多普勒频移、多径效应引起的快衰落、慢衰落、隧道效应；e.车厢车体屏蔽、建筑物及结构、隔墙、门窗、安全门屏蔽等所带来的附加损耗；f.人体（含列车满载乘客时）屏蔽所带来的附加损耗等；g.基站、直放站射频技术参数的设定和调整；h.通过漏泄同轴电缆、天线、射频电缆的选型（各类损耗及增益）及安装位置的选择来满足边缘场强覆盖要求；i.采用不同参数的功分器及定向耦合器，以优化基站射频能量往不同覆盖区域的分配及余量的平衡；j.考虑留有适当的设计余量；k.考虑未来无线网络的扩容需求等；l.列车满载乘客以最高时速行走或静止时及安全门影响。（5）场强覆盖的指标要求。a.信噪比：在场强覆盖区内，无线接收机音频输出端的信号噪声比不小于20dB。b.可靠性：在满足信噪比的要求下，场强覆盖的地点、时间可靠概率在漏泄同轴电缆区段不小于98%，在天线区段不小于95%。c.最低接收（场强）电平：下行链路的每载频信号场强，在要求的覆盖区内应满足≥-85dBm。（6）TETRA系统地铁项目的一般性场强覆盖的计算公式及参数取值。

2 设计及计算说明

（1）车载台与手持台差异。由于列车车载台与手持台相比，列车车载台天线有一定的增益，天线架设于机车顶部，位置较高，距漏泄同轴电缆的直线距离较近，且不受车厢、车体屏蔽及人体屏蔽的影响。因此，在车载台和手持台均需覆盖的所有车站、停车场/车辆段、隧道及地面、高架区间，车载台场强覆盖余量在同一地点优于手持台，故在以下部分进行场强设计计算时，主要考虑手持台的场强覆盖设计、计算。（2）下行与上行差异。由于在无线覆盖的下行链路计算与上行链路计算中，区别主要在基站与移动台的发射功率、接收灵敏度不同。（3）互调、杂散发射等噪声的影响。由于在系统方案设计、设备技术参数选择方面，已严格控制互调产物、杂散发射电平等电磁干扰指标，因此，此類噪声电平对场强覆盖的影响可忽略不计。（4）系统载干比。由于在系统方案设计、设备技术参数选择方面，已严格控制互调产物、杂散发射电平等电磁干扰指标，因此，在移动终端满载条件时，系统下行干扰电平可控制在-120dBm以下；而系统上行干扰电平可控制在-125dBm以下。（5）无缝覆盖。由于在无线场强越区切换设计中，需考虑无线场强越区切换重迭区（在最高车速下）的要求。在满足信噪比的要求下，区间覆盖应符合在以下条件下任何100米连续区段内场强无缝覆盖时间及地点概率为95%的要求：a.当列车以最高速度运行时；b.在列车车厢内中心线；在满足信噪比的要求下，控制中心、车站、停车场/车辆段无线覆盖应符合任何40米连续区段内场强无缝覆盖时间及地点概率为98%的要求；在系统手持台、车载电台无线场强测试时，应满足98%任意时间及任意地点无缝覆盖要求，在其测试范围中必须无固定盲点。