城市軌道交通窄帶集群調度向寬帶集群調度過渡的改造方案

李 潯

(上海申通地鐵集團有限公司, 201103, 上海∥工程師)

當前城市軌道交通線路的專用無線通信系統大多采用基于窄帶的TETRA(泛歐集群無線電)技術來實現對列車的調度。基于TETRA的窄帶通信技術成熟且產品穩定、可靠，已在上海、北京、廣州等城市的城市軌道交通無線列車調度領域中得以廣泛應用。隨著無線通信技術的發展，LTE-M(城市軌道交通用長期演進)寬帶集群技術越來越受到業內的關注。該技術具備了頻譜利用率高、低時延、帶寬靈活等諸多優點，不僅能滿足專業用戶對語音集群的需求，還能承載城市軌道交通行業對于高速數據疊加的視頻調度、視頻監控等寬帶業務的需求。由此，城市軌道交通專用無線集群系統采用LTE-M取代TETRA已成為行業共識，與寬帶集群系統相關的國家標準和行業規范已陸續發布并予以實施。

與此同時，TETRA技術在全國的應用范圍逐步萎縮，其產業供應與支撐能力的不足，正進一步推動了各城市軌道交通既有線路加快專用無線集群系統寬帶化改造的步伐。目前國內外城市軌道交通線路仍沒有窄帶集群改造為寬帶集群相關的理論研究以及實施案例，為此，本文通過介紹多種窄帶集群調度向寬帶集群調度過渡的常用改造方案，并對比各方案的優缺點，以期為未來城市軌道交通線路的無線寬帶集群改造提供參考。

1 寬帶集群改造的需求分析

自窄帶集群TETRA應用以來，城市軌道交通集群語音業務的需求比較穩定，將來也不會有太大變化[1]。城市軌道交通的集群調度通信系統改造一般可以劃分為服務層的改造、傳輸層的改造和終端應用層的改造3方面，如圖1所示。由于實施寬帶集群改造計劃的城市軌道交通線路為既有的運營線路，在窄帶集群改造為寬帶集群的全過程需要實現平穩過渡，即：在不改變既有TETRA網絡和系統架構的前提下，逐步改造使用寬帶集群應用的終端設備，盡量保證調度人員和列車司機不需要改變操作習慣，也不需要對人員進行過多的操作培訓，即可實現雙模融合的兼容調度操作。在改造過程中，應具備可以通過模擬演練確認寬帶集群系統的功能，以滿足日常調度的應用需求，此后再逐步使TETRA設備退網，使整個改造期的過渡平穩、順暢。

注：MSO——無線交換中心。

在窄帶集群向寬帶集群改造過程中，服務層由核心網、調度服務器以及調度坐席等地面設備組成，改造過程中可以通過分設獨立的寬帶集群服務器機柜安裝進行實現。調度大廳的調度設備因受限于調度坐席空間和使用習慣，一般需要通過技術改造來實現。

傳輸層的改造一般通過在既有TETRA網絡以外分設獨立的寬帶集群網絡系統的方式。可以在信號系統改造的同時分設BBU(基帶處理單元)、RRU(射頻拉遠單元)等設備，通過在軌旁新增1套漏纜實現信號覆蓋。

改造期間的終端層需要設計可平穩過渡的方案，一般車載設備因安裝空間的限制需要通過技術改造或整體更換來實現；對于站廳及站臺人員的業務需求，可通過配置窄帶終端和寬帶終端2部手持臺實現平穩過渡；車站控制室內的固定臺一般放置于桌面，不受安裝空間限制，可通過新設1臺寬帶集群固定臺進行過渡。調度員操作的調度終端和司機駕駛室的車載終端是運營管理用戶使用專用無線寬帶集群系統的直接界面，也是系統功能和實際運維作業的紐帶，直接影響列車的運行安全。因此，改造過程中實施方案的主要難點在于調度臺和車載臺的逐步改造。

2 寬帶集群改造的過渡方案

為滿足改造全過程平穩過渡的需求，本文就雙模調度臺、雙模車載臺和寬窄帶互聯互通3種過渡基礎方案進行介紹，并分析討論了不同方案間可能的優化組合方案。

2.1 雙模調度臺方案

調度臺設備一般為通用電腦工作站，運行的是定制的調度應用軟件，通過有線方式連接到集群核心網。調度臺是可以發起集群調度業務的特殊終端，其業務權限高于其他普通的終端設備。

如圖2所示，“LTE-M+TETRA”的雙模調度方案主要是在既有TETRA調度臺軟件內集成寬帶集群的調度軟件接口，以實現在同一個調度界面下的雙模調度應用，并逐步改造列車的車載臺設備。

注:LTE——長期演進。

該方案的特點在于：改造實施過程中窄帶集群車載臺和寬帶集群車載臺設備間具有良好的通用性；調度用戶的操作體驗好；改造施工作業的影響范圍小；調度臺的可靠性高；可方便地進行LTE-M寬帶集群模式運行的預演練。

2.2 雙模車載臺方案

車載臺是列車司機使用的集群通信終端設備，一般部署于列車兩端的司機室。通過在既有TETRA車載臺的基礎上新增接入LTE-M寬帶集群信號機，通過二次開發實現“LTE-M+TETRA”的雙模運行制式，以滿足OCC(運營控制中心)對列車的窄帶集群調度和寬帶集群調度呼叫需求，如圖3所示。

圖3 雙模車載臺改造方案示意圖

該改造方案的特點在于：改造過程平穩可靠，調度用戶無需區分所呼叫的列車是否處于改造狀態；改造期間司機的使用體驗好；車載臺設備既可以接入LTE-M網絡，也可以接入TETRA無線網絡，實現雙網的冗余備份；可提前進行LTE-M模式的運行預演練操作。該方案也適用于TETRA窄帶集群建設LTE-M寬帶集群延伸線的使用場景。

2.3 寬窄帶互聯互通方案

由于目前主流的TETRA系統不開放有線的互聯互通接口，因此寬窄帶互聯互通網關設備可通過寬帶集群的有線網關接口與多臺TETRA終端進行空口接入，以實現2個不同制式的通話組互相關聯，實現語音調度的互聯互通功能。圖4為寬窄帶互聯互通方案的技術路線示意圖。該改造方案的特點在于：可逐列改造列車的LTE-M車載臺設備；改造過程中調度臺與車載臺設備的改造進度不受限制。由于TETRA系統只能通過空口接入，為了避免對TETRA基站的信道占用造成影響，對互聯互通設備的部署位置有一定的要求。此外，互聯互通后的調度臺在TETRA系統內不具備調度的高優先級權限，因此存在通話搶權的問題。

圖4 寬窄帶互聯互通方案的技術路線示意圖

2.4 3種改造過渡方案的對比分析

上述3種改造過渡方案的特點如表1所示。

表1 3種寬帶集群改造過渡方案的對比

如表1所示，通過對3種方案的特點進行比較后發現，若在改造時采用組合的應用方案，可達到優勢互補的效果。如表2所示，可采用組合方案1或組合方案2，并采用專家評分法，對寬帶集群過渡改造的前期、中期、后期階段及運營后這4個階段的風險進行評估。

表2 寬帶集群改造不同方案的風險系數對比

對于既有運營的線路改造，應重點關注技術方案的可靠性和可實施性。從表3中可知，對于既有線路的集群通信系統改造，組合方案2(雙模調度臺+雙模車載臺)能有效結合2個基礎方案各自的優勢，不僅整個改造過程中風險最低，還能有效地將改造過程中的風險前置，適用于運營壓力較大的線路。為此，下文將詳細介紹組合方案2的關鍵技術和實施方案。

3 雙模調度臺與雙模車載臺結合方案

3.1 雙模調度臺的技術實現

雙模調度臺的開發主要是在既有調度界面基礎上，集成LTE-M集群的軟件接口API(應用程序接口)，如圖5所示，在調度界面內新增是否優選LTE-M呼叫的模式切換功能。當調度按下PTT(Press to Talk，即按即說)按鍵發起呼叫或申請話語權時，若當前為LTE-M優選模式且當前車載臺支持LTE-M呼叫，則調用LTE-M的API接口，向LTE-M集群核心網發起LTE-M的集群呼叫。反之，則選擇既有TETRA的調度API接口，向TETRA集群核心網發起呼叫。雙模調度臺的呼叫接收則通過各自集群功能的API回調函數自動接聽處理。雙模調度臺的關鍵技術在于對2套集群軟件接口程序的選擇調用及集群應用接口的編程實現，通過是否優選LTE-M呼叫的模式切換功能，能夠有效地實現呼叫模式的選定。

圖5 雙模調度臺的技術改造方案示意圖

3.2 雙模車載臺的技術實現

雙模車載臺的開發是在既有TETRA集群車載臺的基礎上新增LTE-M的空口接入信號機(如圖6所示)，既有TETRA信號機通過串口使用AT(Attention)指令進行數據控制，新增的LTE-M信號機通過以太網使用AT指令進行數據控制。調度呼叫發出的LTE-M下行音頻信號或TETRA下行音頻信號，將在車載臺主機的控制單元進行音頻疊加處理，再傳送給車載臺操作終端進行播放。司機呼叫的音頻通過操作終端采集后，由車載臺的控制單元進行音頻分路，分別送往2種信號機端口，僅通過控制信號機的發射來控制上行音頻的發送。雙模車載臺的技術要點是音頻的疊加處理，雙模車載臺可以在TETRA和LTE-M 2種制式下待機工作，同時接收任意制式的呼叫音頻，也可以根據情況選擇特定的制式發起呼叫。

圖6 雙模車載臺的技術改造方案示意圖

“雙模調度臺+雙模車載臺”組合改造方案的優勢在于：可以通過搭建“雙模調度臺+雙模車載臺”的模擬測試平臺，對雙模調度臺是否工作在優選LTE-M模式的運行場景進行測試。在確認雙模調度臺的功能完整性和可靠性后，可正式使用雙模調度臺設備。隨后可以開展雙模車載臺改造，在改造線路每日結束運營后模擬優選LTE-M模式對全線進行運行演練，演練內容包括對已經完成改造的車載臺設備采用LTE-M制式呼叫，以及對未改造的車載臺設備采用TETRA制式呼叫。在模擬運行測試結束后，將雙模調度臺切換回非優選LTE-M模式，確保正常運營時段的TETRA調度業務功能。待該信號改造線路的全部列車均完成改造后，再逐步使TETRA設備退網，以確保整個改造期平穩過渡。

4 結語

本文研究和探討了窄帶集群向寬帶集群過渡的幾種常用解決方案，分析了不同方案的優缺點。在寬帶集群系統日漸成為主流無線列車調度系統的趨勢下，既有線路集群調度改造過渡方案的選擇需要結合實際的改造需求、運營壓力及投資情況等進行綜合分析。將不同的基礎改造方案相結合，達到優勢互補，能夠有效降低改造過程中的風險。對于運營壓力大、對可靠性要求高的既有運營線路，推薦使用“LTE-M+TETRA”雙模調度臺與雙模車載臺相結合的方式。