基于TETRA的輕軌無線通信系統設計

周瑋，董全德

(宿州學院 信息工程學院，安徽 宿州 234000)

基于TETRA的輕軌無線通信系統設計

周瑋，董全德

(宿州學院信息工程學院，安徽宿州234000)

為了解決軌道交通通信系統對無線通信的需求，對數字集群通信系統TETRA進行了研究，設計了基于TETRA網絡的無線通信系統。分析了輕軌無線通信模型，并設計了軟交換系統架構。為了解決輕軌速度過快信號頻繁切換帶來的問題，設計了AP無線切換模式，并通過冗余的STA設計了可靠的協同通信系統。基于TETRA的無線通信系統能夠滿足輕軌交通需求，有一定的實用價值。

TETRA；軌道交通；無線切換

隨著城市軌道交通系統的發展，輕軌作為方便、快捷的交通工具得到普及。由于輕軌運行速度快，越區切換頻繁，傳統的無線通信網絡無法滿足在輕軌無線通信系統的需求。WLAN覆蓋半徑短，AP干擾強[1]；GSM網絡延時大；McWill需要多個網絡中繼；因此本文采用TETRA技術搭建輕軌無線通信網絡。

TETRA數字集群通信系統源于TDMA[2]協議，采用數字時分多址接入可實現數據通信、語音話務等業務。TETRA承載業務廣，組網靈活，具有高保密性，高兼容性和高頻譜利用率等特性。數字集群通信系統能提供輕軌交通調度、數據傳輸和話務通信等功能，對城市輕軌通信系統的研究非常重要。

本文主要研究了基于TETRA的城市輕軌通信系統，能夠為國內輕軌系統的搭建提供靈活，可靠的通信控制。

1 TETRA系統模型

數字集群通信系統采用的是全IP網絡通信結構[3-4]，能夠滿足用戶需求組建移動專網，在很多網絡建設中都有應用需求[5]。TETRA具有數據轉發、語音通信、業務調度等功能。采用TETRA構建的網絡集群通信平臺不僅能實現基本的數字通信業務，如數據傳輸、短信收發和語音通信，還可以在集群中實現業務調度、通信指揮和身份鑒權等功能，能夠在集團內部搭建虛擬專用網絡平臺，符合軌道通信系統建設需求。

圖1是TETRA系統的結構模型，整個網絡結構分為BTS-BSC基站模塊、DAC-DAS調度模塊、VPN-VCC模塊和軟交換模塊[6]。

圖1 TETRA系統結構圖

BTS-BSC基站模塊負責基站信號的通信和轉換，實現BTS和移動臺之間通過空中接口的無線傳輸及控制。TETRA系統的開放標準化接口包括系統空中接口、終端設備接口、直通模式接口等[7]。信道傳輸調制比特率為24 kb/s，工作頻段在325 MHz～826 MHz范圍內。

DAC-DAS調度模塊包括集群調度服務器DAS和客戶端DAC。DAS服務器集成用戶調度操作，和DAS采用C/S架構。DAS與VPN-VCC模塊交互，互聯MSCe/VLR和HLR/AuC模塊。用戶數據接入采用ALOHA時隙[8]，支持網絡動態重組。

軟交換模塊提供對TETRA系統的軟交換，MSCe負責業務管理和控制網絡，HLR負責移動用戶管理，在呼叫業務中提供被叫用戶的網絡路由。軟交換模塊支持信令用戶切換[9]。TETRA無線通信系統支持用戶數據分組和電路交換，承載業務數據未保護的語音和數據比特率為7.2 kb/s～28.8 kb/s，高保護度的數據比特率為2.4 kb/s～9.6 kb/s。

2 無線通信模型

2.1 通信模型設計

輕軌無線通信系統架構分成：終端接入層，中間交換層和控制應用層。實現統一平臺的車輛通信調度和監控，通過TETRA搭建輕軌交通的虛擬專網，整個架構如圖2所示，包括：

終端接入層：包括車輛、音頻、視頻等應用接入點。入網車輛、車載PC、交通控制等無線接入點在此接入無線網絡系統。輕軌專用無線網絡采用移動通信可視化系統，列車網絡接入延遲lt;120 ms，保障交通正常運行。終端接入層各終端設備接入采用自由頻段和額定頻段雙網通信方式，數據丟包率小于1%。當入網車輛、車載PC采用額定頻段進行通信時，需要對通信節點建立鑒權實現身份認證。節點接入安全策略還包括多層次訪問控制機制和動態密鑰加密機制。

中間交換層：輕軌無線通信核心網絡采用全IP網絡架構，由遠端射頻模塊RRU和基帶處理單元BBU和車載終端進行接入，采用2.5射頻信號，可以實現協議配置和數據業務接入等功能。軟交換基于TETRA網絡采用MGCP標準協議，配套媒體網關MGW和信令網關SS7。中間交換層承載軌道通信集群調度、PIS車輛監控通信和CBTC車輛數據通信等業務，能夠實現各系統在該網上的互聯和運行。

控制應用層：包括PIS車輛監控裝置和CBTC車輛自控裝置[10]，實現車-地之間的雙向通信。使用大于15 Mb/s下行速率，控制命令下行速率1 Mb/s，用戶在此可實現對輕軌無線通信系統的監控，包括車輛狀態、參數、運行切換、網絡信號等參數信息。

采用TETRA的輕軌無線通信平臺能夠給用戶提供安全的訪問控制機制，核心網的交換控制模塊是提供網絡訪問的關鍵。

圖2 輕軌無線通信網絡圖

2.2 交換控制設計

為了保證輕軌無線通信平臺的設計要求，本系統采用VxWorks開放的嵌入式平臺，使用Twisted軟件框架[8]，整個軟交換控制模塊包括列車調度，網絡控制和呼叫控制等。輕軌無線通信系統采用Tonado，遵循電信設備軟件標準。輕軌無線通信軟交換架構設計如圖3所示：

圖3 交換控制模塊設計

語音控制BCM為用戶提供車輛消息控制，業務流程轉換，基站交換處理等業務，上載32 MHz主頻，采用Ng通信接口完成主被叫信令的傳輸。控制單元完成語音呼叫，數據漫游，業務中繼等功能，數據中繼模塊連接數據網關和電話網關并對網絡進行管理，并實現與VDB/HDB,DCS等網元接口。交換控制模塊通過將下移的IP數據包轉發和交換實現輕軌無線通信的群組業務。

輕軌無線通信的交換控制模塊可以為用戶提供呼叫調度、調度臺主被叫控制、語音下放和數據漫游控制等功能，實現輕軌無線通信系統的交換控制設計。

3 詳細功能設計

3.1 無線切換設計

為了保障輕軌無線通信系統信號覆蓋范圍的完整性，必須計算輕軌無線信號AP切換頻率。列車中的感應器周期性的檢測無線信號強度，當信號強度小于閾值時，重新感應環境信號并將感應到的強度最大的AP作為新的AP接入點。鏈路信道切換過程如圖4所示，包括：

圖4 無線切換設計

(1)檢測當前信道強度階段，列車在運行時，通過車載STA系統周期性地判斷AP信號強度，信號強度RSSI根據電壓大小進行測量。為了精確測量結果，對t時刻信號強度RSSI值取連續n次測量的結果。

(2)AP選擇階段，當車載感應器檢測到當前AP信號強度低于閾值時，啟動AP選擇。設置AP閾值threshold0，計算t時刻RSSI1一直到RSSIn。當移動切換閾值threshold-diff達到門限時啟動鏈路切換過程。

(3)業務切換階段，在進行AP切換前，對收到的數據存儲在緩沖池中，以免在AP切換過程中帶來的數據丟失問題。

為了滿足網絡通信覆蓋和業務通信需求，PIS車輛監控通信和CBTC車輛數據通信采用低頻段速率，列車在線監控系統和視頻監控采用中低速制式，列車公用WIFI采用5 GHz 802.11ac協議。軌道信號在站點、室內采用射頻信號全天線覆蓋方式，列車和室外使用定向線纜進行輻射，列車區間使用漏纜進行雙網覆蓋以達到通信的全網覆蓋。

3.2 協同通信建立

為了確保輕軌無線通信系統的可靠性，需要對系統軟交換通信系統設置容災備份保護。本文設計了無線系統的協同通信機制，在車載STA(移動站點系統)中搭建傳感器模塊，檢測錯誤狀態。當系統中存在突發告警時檢測網絡狀況并判斷啟用備份設備，雙系統協同通信設計如圖5所示。

圖5 協同通信設計

通信系統采用冗余的雙STA系統，主STA負責主業務調度和與交換中心進行數據接入，主STA和主通信網關處于工作模式。當發生對端設備故障，主STA將IP和MAC地址分別設置為輔STA地址，STA向通信網關發送上行數據。通過增加接入網關和備用設備實現系統通信可靠傳輸，并且能夠實現電路交換的向上兼容。STA系統采用熱備份模式，設置接入主通信網關接入數據服務器。車載PC和接入子節點通過H.248協議接入到主STA并能夠雙向接入，當主STA處于故障模式時，車載PC和接入子節點自動注冊到備份STA并進行接入。

4 結語

通過研究數字集群通信系統模型，結合輕軌無線通信存在的問題，設計了基于TETRA網絡的無線通信系統。給出了輕軌無線通信模型，并設計了軟交換系統架構。結合輕軌無線通信的信道切換需求，設計了車輛無線切換系統，并給出了系統協同通信的設計。通過分析，基于協同通信的STA能保障無線通信的可靠運行，并保證了切換的無縫對接。

[1]唐超.TETRA協議分析儀空中接口協議棧處理軟件的研究和開發[D].北京：北京交通大學，2014.

[2]王相輝.基于TETRA的石家莊軌道交通無線通信調度系統的研究與實現[D].天津：天津大學，2012.

[3]趙焱.基于TETRA終端產品的自動化檢測系統設計[D].廣州：華南理工大學，2012.

[4]桑健.基于TETRA系統的一種端到端加密系統的設計與實現[D].沈陽：東北大學，2008.

[5]馮濤.南京地鐵二號線中TETRA系統的設計與實施[D].北京：北京郵電大學，2011.

[6]李永芳.基于Dimetra-IP的地鐵無線通信系統互聯互通方案[J].信息通信，2013(7)：183-84.

[7]蔡昌俊.城市軌道交通CBTC系統無線同頻干擾應對策略[J].鐵道通信信號.2013，49(7)：74-76.

[8]宋政育，侯舒娟，吳嗣亮.TETRA專業移動無線通信系統隨機接入時延分析[J].北京理工大學學報，2013，33(4)：408-412.

[9]唐超.TETRA協議分析儀空中接口協議棧處理軟件的研究和開發[D].北京：北京交通大學，2014.

[10]謝凡.城市軌道交通CBTC系統的數據傳輸子系統的研究[D].北京：北京交通大學，2007.

2017-07-11

[責任編輯姚勝勛]

ResearchonLightRailCommunicationProblemBasedonTETRA

ZHOUWei，DONGQuande

(SchoolofInformationEngineering，SuzhouUniversity，Suzhou，Anhui234000，China)

In order to solve the demand for wireless communication problem，a wireless communication system based on TETRA is designed.The light rail wireless communication model was analyzed and the architecture of the flexible exchange system was designed.Light rail is too fast and frequently switching its signal.In order to solve the problem，the wireless AP switching mode is designed，and through the redundancy of the STA，a reliable cooperative communication system is designed.Wireless communication system based on TETRA’s can meet the demand of light rail transportation and has certain practical value.

TETRA；rail transit；wireless switch

TP393.2

A

1672-9021(2017)05-00093-06

周瑋(1985-)，女，湖南永順人，宿州學院信息工程學院助教，碩士，主要研究方向：計算機網絡。

宿州學院重點科研項目(2016YZD10)；安徽省教育廳自然科學項目(KJ2016A769)；安徽省教育廳自然科學研究項目(KJ20142D31)。