無線集群通信在地鐵中的應用探討

余繼

（北京交通大學，北京 100044）

1 無線集群通信簡介

無線集群通信是一種智能化的無線頻率管理技術。集群系統的本質是允許大量用戶共享少量通信信道和虛擬專網技術。其工作方式與移動電話系統相似，由一個交換控制中心根據需要，自動為用戶指定無線信道。其不同點在于集群通信以組呼為主，用戶之間有嚴格的上下級關系，用戶根據不同的優先級占用或搶占無線信道，呼叫接續要快（300ms～500ms），且以單工、半雙工通信為主要通信方式。

2 無線集群的地鐵應用

2.1 概述

地鐵的無線集群通信系統為控制中心調度員、車輛段調度員、車站值班員等固定用戶與列車司機、防災、維修、公安等移動用戶之間提供通信手段。系統必須滿足行車安全、應急搶險的需要。目前，地鐵無線集群通信系統均采用TETRA數字集群通信系統組網。

在地鐵中的調度網通常包括行車調度網、維修調度網、環控調度網、車輛段調度網和防災調度網5個無線調度專網。

在TETRA數字集群系統中，各調度網以虛擬專網的方式存在，互相獨立，互不影響。各調度網共享頻點和基站設備，提高了頻率資源的利用率，節約了設備投資。地鐵中的無線數字集群系統還與信號系統（ATS）相配合，為調度臺與車載臺提供列車的位置與狀態信息。

TETRA分機間具有脫機對講功能（相當于對講機）。在司機與調度不能正常通話的緊急情況下，利用該功能，司機可直接呼叫車站值班員，起到應急通信的作用。

TETRA集群系統采用單工、半雙工為主要通信方式，只有按鍵講話（PTT－Push To Talk）時才占用無線信道，節約了無線資源和終端耗電。該系統具有選呼、組呼、列車廣播、優先呼叫、強拆、強插、調度通話錄音、后臺監聽等功能。

目前，我國地鐵所使用數字集群系統為MOTOROLA和歐洲宇航EADS（原NOKIA）的產品。

2.2 組網方式

在地鐵通信的一條線路中，可采用大區制、中區制、小區制組網。

2.2.1 大區制

全線路只在一個車站設置基站，全線其它車站均設置直放站。大區制的特點為：不存在越區切換問題、工程造價低。其缺點為：可靠性較低、存在多徑干擾的場點較多、單基站載頻有限、擴容受到限制。

2.2.2 中區制

在少數幾個車站設置基站，全線其它車站均設置直放站。中區制的特點為：頻率資源利用率較高、越區切換頻次較少、干擾較少、系統可靠性較高、工程造價較低、擴容靈活方便。

基站與直放站的鏈接，可以采用同軸漏泄電纜鏈接與利用地鐵傳輸網鏈接二種方式。

2.2.3 小區制

在每一個車站設置基站，地鐵中非相鄰基站載頻頻率一般允許進行空間復用。小區制的特點為：頻率資源利用率高、越區切換頻次多、干擾少、系統可靠性高、工程造價較高。

近年來，基站價格下降，開始接近直放站的價格，故目前新建地鐵的無線集群通信系統釆用小區制組網方案逐漸增多。

2.3 無線場強覆蓋范圍

地鐵集群通信系統的無線場強覆蓋范圍包括：地鐵運行線路全線各車站的站臺、站廳及區間隧道或地面及高架線路，以及整個車輛段地面區域（含檢修庫、運用庫等），可以采用如下方式進行場強覆蓋。

2.3.1 沿線隧道、地面及高架運行線路及沿線地下車站的站臺區主要采用漏泄同軸電纜輻射方式進行場強覆蓋。

2.3.2 沿線地下車站站廳區（含部分出入口通道）主要采用吸頂低廓天線進行場強覆蓋。

2.3.3 車輛段、停車場主要采用室外全向及低廓天線進行場強覆蓋。

2.4 地鐵對無線集群通信系統的功能需求

2.4.1 無線通信可以為地鐵內部固定工作人員與流動工作人員之間提供話音通信、短信息與分組數據通信。系統以組呼為主，也可以提供選呼。

2.4.2 根據業務需要，為中心調度員、車站值班員、車輛段/停車場值班員、列車司機以及各部門流動人員之間提供無線通信手段。

2.4.3 按使用部門或人員進行優先權排隊，當業務信道全部占用時，優先權級別高的呼叫可中斷優先權級別低的通話，以保證調度作業的正常進行，并確保緊急情況下的指揮、調度。

2.4.4 具有緊急呼叫功能，緊急呼叫的優先權高于所有的呼叫。

2.4.5 中心調度員可插入列車廣播，對列車乘客進行選呼廣播和全呼廣播。

2.4.6 中心調度員可監聽本部門調度用戶的通話，并對所有通話可以自動或人工錄音。

2.4.7 控制中心的無線調度核心網設備具有呼叫記錄功能，存儲主呼和被呼號碼、位置、類型、日期和時間，必要時，可打印輸出。

2.4.8 具有設備的自檢和中心檢測功能。

2.4.9 地面線路和地面車站、車輛段/停車場，采用基站和空間波天線完成工作區域的場強覆蓋；地下線路和地下車站采用基站（或直放站）和漏泄同軸電纜（或隧道天線）完成工作區域的場強覆蓋。

2.4.10 整個系統由位于控制中心的核心網設備，位于車站的基站設備，以及列車臺、各部門便攜臺和傳輸通道等組成。

2.4.11 在話音質量為三級的保證條件下，邊緣覆蓋概率為：系統空間波覆蓋的地點概率不小于90%，漏泄同軸電纜輻射電波覆蓋的地點概率不小于95%。

3 TETRA數字集群系統

TETRA（Trans European Trunked Radio）是由ETSI推薦的一個數字集群標準，該標準是個公開的標準。TETRA標準采用TDMA與FDD技術，將一個載頻的25KHz帶寬分為4個時隙（信道）。TETRA系統集調度、移動電話、移動數傳和短消息業務于一體，非常適合專網無線調度使用。

3.1 TETRA標準

TETRA標準描述了TETRA系統的空中接口與各種外圍接口。核心網與基站之間的接口尚未標準化，故TETRA系統的標準化程度，低于公眾移動通信系統，造成了一定的設備壟斷性。

3.2 TETRA空中接口

TETRA系統在我國使用 806～821MHz（上行）和851～866MHz（下行）頻段，和現有的模擬集群通信系統所使用的頻段是一致的。該系統采用π/4 DQPSK調制方式，其最大相位變化不超過180O，調制頻帶窄，接收端無需基準相位振蕩。

在TETRA系統中，每一個無線電載波，無論是上行或下行鏈路均劃分為4個時隙。每一時隙構成一個無線信道。可用于承載話音/數據業務、控制信令，或兩者混合進行傳輸（隨路信令）。

4 無線集群終端

4.1 車載臺

地鐵列車前后兩端駕駛室各安裝一臺車載臺。該車載臺主要由無線收發信機、控制及接口電路、控制面板、話筒、天線等組成。其中無線收發信機、控制和接口電路安裝在一個固定的機殼內，控制面板和話筒分別安裝在駕駛員座位的左方與右方，天線安裝在車頂。駕駛員可以通過操作控制面板的按鍵，發出通信請求，并通過話筒發話，通過揚聲器收聽。通過系統與ATS的連接，控制面板顯示屏上會顯示當前列車位置與車次等信息。

4.2 車站臺

車站臺為固定臺，配置在每個車站的車控室。車站值班站長可通過車站臺與控制中心的行車調度員進行聯系，經行車調度臺轉接可與司機通話。

4.3 手持臺

手持臺主要配備給站務人員、維修人員、保安等不固定地點的作業人員。使他們可與相關調度員通話或發起組呼。

這些集群終端的通信功能主要有一般呼叫、緊急呼叫、短信收發、組呼以及調度員通過車載臺對列車進行廣播等。

[1]鄭祖輝等，數字集群移動通信系統，電子工業出版社，2005.

[2]胡興軍等，數字集群通信三大標準及前景[J].中國信息導報,2004.