簡(jiǎn)述數(shù)字集群通信系統(tǒng)在地鐵通信中的應(yīng)用

王永明（中國(guó)鐵路通信信號(hào)上海工程局集團(tuán)有限公司，上海 200436）

隨著國(guó)內(nèi)各大城市軌道交通的發(fā)展，城市軌道交通建設(shè)在全國(guó)各大城市如火如荼的進(jìn)行。地鐵交通處在一個(gè)復(fù)雜及特殊的工作環(huán)境，因此地鐵通信也有許多特殊功能要求。無線通信作為地鐵通信的重要組成部分，具有自身的特點(diǎn)及特殊性。而數(shù)字集群通信是一種共享資源、向用戶提供優(yōu)良服務(wù)的多用途、高效能的先進(jìn)無線電指揮、調(diào)度系統(tǒng)，其在軌道交通無線調(diào)度中得到了廣泛應(yīng)用。本文以北京地鐵五號(hào)線通信系統(tǒng)工程為例，簡(jiǎn)單論述數(shù)字集群通信系統(tǒng)在地鐵通信中的應(yīng)用。

1 工程概況

北京地鐵五號(hào)線全長(zhǎng)27.78?km，設(shè)車站23座。其中地下線車站16座（宋家莊站—惠新西街北口站）；地面線車站1座（立水橋站）；高架線車站6座（大屯路東站—天通苑北站）。本線設(shè)控制中心（小營(yíng)）一座，車輛段（太平莊）1處和停車場(chǎng)（宋家莊）1處。無線通信系統(tǒng)為地鐵行車提供通話、呼叫、數(shù)據(jù)傳送、輔助業(yè)務(wù)的功能及網(wǎng)絡(luò)管理功能。

地鐵五號(hào)線無線系統(tǒng)覆蓋范圍為全部地下車站和隧道區(qū)間、全部地上車站及線路、車輛段及停車場(chǎng)區(qū)域。地下車站的站廳、出入口采用室內(nèi)天線進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋，地下車站的站臺(tái)及隧道區(qū)間采用漏泄同軸電纜（簡(jiǎn)稱漏纜）進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。地上車站及線路、區(qū)域采用室外天線進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。

2 應(yīng)用方案

本工程無線通信系統(tǒng)采用800?M頻段陸地集群無線電（TETRA）數(shù)字集群設(shè)備，TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)是一種基于數(shù)字時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)的專業(yè)移動(dòng)通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在同一技術(shù)平臺(tái)上提供指揮調(diào)度、數(shù)據(jù)傳輸和電話服務(wù)。該系統(tǒng)包括5個(gè)子系統(tǒng)：行車調(diào)度、防災(zāi)調(diào)度、車輛段值班調(diào)度、停車場(chǎng)值班調(diào)度和維修調(diào)度。系統(tǒng)采用摩托羅拉公司的TETRA設(shè)備。本工程無線通信系統(tǒng)在沿線的16個(gè)地下車站設(shè)置16套集群基站，地面區(qū)域設(shè)置3套集群基站，即宋家莊停車場(chǎng)、立水橋站、太平莊車輛段各設(shè)置一套集群基站。全線共設(shè)置19套集群基站，完成對(duì)全線車站、區(qū)間、車輛段及停車場(chǎng)的無線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。因立水橋站基站覆蓋區(qū)域較大，經(jīng)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試將一對(duì)光纖直放站設(shè)置在立水橋站（近端機(jī)）及大屯路東站（遠(yuǎn)端機(jī)），利用光纖傳輸信號(hào)至大屯東路，信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后通過天線對(duì)此區(qū)間進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。

數(shù)字集群移動(dòng)臺(tái)在通話過程中從一個(gè)基站覆蓋區(qū)進(jìn)入另一個(gè)基站覆蓋區(qū)時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行越區(qū)切換。列車從一端開出，從一個(gè)站駛向另一個(gè)站時(shí)，機(jī)車車載臺(tái)也會(huì)面臨越區(qū)切換，越區(qū)切換時(shí)間不大于500?ms，由于時(shí)間很短從而不會(huì)使通話中斷。從始發(fā)站到終點(diǎn)站將經(jīng)歷多次越區(qū)切換。因此，無線通信系統(tǒng)如何保障快速可靠的越區(qū)切換過程，使話音通信和數(shù)據(jù)通信能夠不中斷，這對(duì)于行車調(diào)度的順利進(jìn)行將是至關(guān)重要的因素。

TETRA標(biāo)準(zhǔn)定義了5種切換類型，分別為：非聲明型切換、非通知型切換、3類通知型切換、2類通知型切換、1類通知型切換。在3類通知型切換中，TETRA標(biāo)準(zhǔn)采用2個(gè)門限值，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)需要轉(zhuǎn)換基站時(shí)，在比較高的門限值，基站被認(rèn)為是可以改善的，如果無線移動(dòng)臺(tái)找到另一個(gè)基站提供的信號(hào)高于這個(gè)門限值一個(gè)事先選定的值，它會(huì)轉(zhuǎn)換到新的基站。在低門限值，基站被認(rèn)為是必須放棄的，無線移動(dòng)臺(tái)必須轉(zhuǎn)換基站來避免由于信號(hào)進(jìn)一步惡化而帶來的通信質(zhì)量損失。

北京地鐵五號(hào)線工程采用兩根漏纜在隧道中間直接連通的連接方式，此種方案的優(yōu)點(diǎn)：在越區(qū)切換前后信號(hào)均較強(qiáng)，越區(qū)切換平穩(wěn)；缺點(diǎn)：切換點(diǎn)不可控。地鐵五號(hào)線曾出現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)在下一站車站進(jìn)行越區(qū)切換的現(xiàn)象，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)為隧道區(qū)間較短，上一站信號(hào)經(jīng)直通漏纜傳輸至下一站車站后才降低至切換門限電平以下，最終采用降低基站發(fā)射功率、調(diào)高切換門限電平值的方式將切換點(diǎn)調(diào)整至隧道中部。還有一點(diǎn)需要注意，在使用隧道間漏纜直接連通的方式時(shí)，依次排列的A、B、C三站中，除B站與A、C兩站信號(hào)不能相同外，A、C兩站信號(hào)也不能相同。否則，當(dāng)A、C兩站信號(hào)相同時(shí)，如果基站發(fā)射信號(hào)較大，容易在B站造成越站或同頻干擾。

數(shù)字集群系統(tǒng)為提高系統(tǒng)的可靠性和性能，摩托羅拉TETRA系統(tǒng)基站間采用全球定位系統(tǒng)（GPS）同步方式。本工程地下集群基站采用3點(diǎn)引入GPS信號(hào)、通過GPS光收發(fā)模塊向附近其他地下站傳送GPS同步信號(hào)。16個(gè)地下無線基站從3個(gè)點(diǎn)集中引入GPS信號(hào)，分別是天壇東門站、東單站、雍和宮站。每個(gè)GPS信號(hào)引入點(diǎn)為4～5個(gè)地下無線基站提供同步信號(hào)，其中天壇東門站負(fù)責(zé)宋家莊站、劉家窯站、蒲黃榆站、磁器口站GPS信號(hào)的傳送，東單站負(fù)責(zé)崇文門站、燈市口站、東四站、張自忠路站、北新橋站GPS信號(hào)的傳送，雍和宮站負(fù)責(zé)和平里北街站、和平西橋站、惠新西街南口站、惠新西街北口站GPS信號(hào)的傳送。

在小營(yíng)控制中心設(shè)置集群移動(dòng)通信系統(tǒng)無線交換控制設(shè)備，無線交換控制設(shè)備與基站采用星型連接，完成不同基站覆蓋區(qū)內(nèi)用戶的交換和接續(xù)。小營(yíng)控制中心同時(shí)設(shè)置集群網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備，以完成系統(tǒng)參數(shù)和用戶參數(shù)的設(shè)置管理及系統(tǒng)設(shè)備故障告警、事件存檔記錄的功能。全系統(tǒng)共需調(diào)度臺(tái)5臺(tái)：在小營(yíng)控制中心設(shè)置1臺(tái)行車調(diào)度臺(tái)，1臺(tái)防災(zāi)調(diào)度臺(tái)和1臺(tái)維修調(diào)度臺(tái)；?在車輛段設(shè)1臺(tái)車輛段值班調(diào)度臺(tái)；在停車場(chǎng)設(shè)置1臺(tái)停車場(chǎng)值班調(diào)度臺(tái)。值班員通過調(diào)度臺(tái)實(shí)現(xiàn)以下功能：組呼、私密呼叫（即單呼）、緊急呼叫、緊急呼叫、遇忙排隊(duì)和回叫等基本功能，以及系統(tǒng)管理、錄音管理等。

3 降級(jí)備用

本工程的無線通信降級(jí)備用系統(tǒng)是首次在城市軌道交通線路上使用，無線通信降級(jí)備用系統(tǒng)安裝在太平莊車輛段信號(hào)樓通信設(shè)備室，備用行車調(diào)度臺(tái)和備用維修調(diào)度臺(tái)安裝在該信號(hào)樓備用中心的調(diào)度室內(nèi)。其系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理：利用數(shù)字集群系統(tǒng)基站的單站集群模式，備用通信方案采用單站集群模式下的降級(jí)工作系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠滿足行車調(diào)度對(duì)列車司機(jī)的基本通話需求及維修調(diào)度的基本通話需求。降級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

降級(jí)系統(tǒng)的工作模式：當(dāng)交換中心不能正常工作或無交換中心時(shí),所有基站將進(jìn)入單站集群工作狀態(tài),在每個(gè)基站的覆蓋區(qū)內(nèi)設(shè)置一部特殊的用戶臺(tái)（稱作基站接入電臺(tái)）,從基站側(cè)來看這個(gè)用戶臺(tái)具有與其他用戶臺(tái)相同的功能，能夠與同一基站下的用戶進(jìn)行通信；從操控角度來看,接入電臺(tái)的所有操作都能在備用中心進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和控制。這樣，在備用控制中心就能與所有基站覆蓋區(qū)內(nèi)的用戶進(jìn)行通信。

在降級(jí)集群模式下，為了使調(diào)度員了解線路上列車的運(yùn)行狀況，提高行車安全和工作效率，在備用中心配置了一套計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）計(jì)算機(jī)調(diào)度系統(tǒng)。CAD調(diào)度系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器模式，是一套由硬件設(shè)備和軟件構(gòu)成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。CAD服務(wù)器為主機(jī)，各個(gè)調(diào)度臺(tái)為客戶機(jī)，主機(jī)與客戶機(jī)之間通過局域網(wǎng)連接。CAD調(diào)度系統(tǒng)可以向調(diào)度員提供一個(gè)降級(jí)集群模式下的直觀、簡(jiǎn)便、操作性強(qiáng)的中文操作界面，結(jié)合音頻接口設(shè)備完成調(diào)度指揮工作；另外，CAD系統(tǒng)還可以接收自動(dòng)列車監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）提供的列車位置信息和時(shí)鐘系統(tǒng)提供的統(tǒng)一時(shí)間信息，可實(shí)現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)的增強(qiáng)功能。

4 結(jié)束語

上述通信設(shè)備及功能實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成了地鐵無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)總調(diào)、車站值班員、列車司機(jī)等多方通信，為地鐵安全運(yùn)營(yíng)提供了有力保障。

[1]鄭祖輝.數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.