400 MHz數(shù)字無線列調(diào)系統(tǒng)信道擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)方案研究

摘要：針對400 MHz 數(shù)字無線列調(diào)（digital radio communication system for train dispatching，DRTD）系統(tǒng)面臨的樞紐站語音呼叫業(yè)務(wù)量增大，以及模擬無線列調(diào)到數(shù)字無線列調(diào)過渡階段存在的450 MHz 語音呼叫干擾問題，提出了一種DRTD 系統(tǒng)信道擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)方案。通過分析DRTD 系統(tǒng)信道擴(kuò)展的必要性，總結(jié)信道擴(kuò)展的功能需求，構(gòu)建了一種控制面與用戶面分離的系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)由控制面負(fù)責(zé)信令控制和信道管理，包括建立呼叫、終止呼叫以及管理多路呼叫等環(huán)節(jié)；而用戶面則負(fù)責(zé)語音流的傳送工作。該信道擴(kuò)展方案有利于提高系統(tǒng)的效率、靈活性和可擴(kuò)展能力。

關(guān)鍵詞：DRTD 系統(tǒng)；數(shù)字無線列調(diào)；信道擴(kuò)展

中圖分類號：TP311.5；TN914.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

我國普速鐵路支線和貨運(yùn)專線普遍采用模擬制式的450 MHz 無線列調(diào)系統(tǒng)，然而該頻段正面臨騰退問題，且模擬無線列調(diào)系統(tǒng)技術(shù)相對落后，設(shè)備也亟須更新?lián)Q代。而數(shù)字無線列調(diào)（digital radiocommunication system for train dispatching，DRTD）系統(tǒng)能夠解決原有模擬列調(diào)系統(tǒng)存在的語音質(zhì)量差、功能單一以及數(shù)據(jù)無法上車等技術(shù)問題[1-3]，并且其系統(tǒng)建設(shè)成本低、項(xiàng)目周期短、管理維護(hù)方便，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場空間。目前，DRTD 系統(tǒng)已基本完成裝備研發(fā)和現(xiàn)場試用，技術(shù)日趨成熟。

1 DRTD系統(tǒng)簡介

DRTD 系統(tǒng)作為新一代鐵路制式產(chǎn)品，其無線傳輸遵循GB/T 32659 —2016《專用數(shù)字對講設(shè)備技術(shù)要求和測試方法》第6.2 節(jié)規(guī)定的體制A 空中接口（簡稱“空口”）協(xié)議，有線通信則采用會話初始協(xié)議（session initiation protocol，SIP），可實(shí)現(xiàn)列車與地面用戶之間的調(diào)度語音和數(shù)據(jù)通信功能，滿足了調(diào)度員和車站值班員指揮列車運(yùn)營的需求?；谡Z音通信功能需求，DRTD 系統(tǒng)的語音業(yè)務(wù)涵蓋語音個(gè)呼、語音組呼和語音全呼3 種類型，而語音通話范圍則包括調(diào)度員—車站值班員—列車司機(jī)之間的“大三角”通信，以及車站值班員—列車司機(jī)—列車長之間的“小三角”通信。在數(shù)據(jù)通信方面，DRTD 系統(tǒng)能夠提供列車無線車次號校核信息上報(bào)、調(diào)度命令/ 進(jìn)路預(yù)告下發(fā)以及在途監(jiān)測信息傳送等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[4-8]。

DRTD 系統(tǒng)采用分布式的組網(wǎng)架構(gòu)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)、應(yīng)用程序和硬件設(shè)備分別布置在各個(gè)車站節(jié)點(diǎn)，而車站與車站之間、車站與調(diào)度中心之間均相互獨(dú)立，其他路徑上的通信中斷不影響本車站內(nèi)的通信。這種設(shè)計(jì)賦予了系統(tǒng)更好的可用性和更強(qiáng)的擴(kuò)展性。

DRTD 系統(tǒng)主要由數(shù)字列調(diào)接口服務(wù)器、固定電臺控制設(shè)備、調(diào)度操作臺、固定電臺、車站操作臺、機(jī)車綜合無線通信設(shè)備（cab integrated radiocommunication equipment，CIR）、對講設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備構(gòu)成。除固定用戶設(shè)備（調(diào)度操作臺、車站操作臺）和移動(dòng)終端（CIR、對講設(shè)備）外，其他設(shè)備均采用冗余配置。DRTD 系統(tǒng)具備故障弱化功能，擁有良好的容災(zāi)能力。

2 DRTD系統(tǒng)信道擴(kuò)展必要性

在交叉線路的樞紐站，站內(nèi)和相鄰車站的列車數(shù)量較多，導(dǎo)致車地聯(lián)控業(yè)務(wù)較為繁忙，地面與列車之間可能同時(shí)存在多路調(diào)度語音通話。例如，當(dāng)列車要駛?cè)胲囌菊九_時(shí)，車站值班員需呼叫列車司機(jī)，告知其進(jìn)入本站站臺時(shí)應(yīng)?？吭谀囊粭l軌道。當(dāng)駛?cè)肓熊囕^多時(shí)，車站值班員需同時(shí)與多位列車司機(jī)進(jìn)行個(gè)呼語音通話。

此外，在400 MHz 和450 MHz 無線列調(diào)共存的線路上，由于450 MHz 無線列調(diào)的呼叫類型均為語音組呼，其發(fā)出的所有呼叫都會激活車站操作臺。此時(shí)若僅有一路語音信道可用，其他400 MHz移動(dòng)終端向車站操作臺發(fā)起的語音呼叫將因信道資源被占用而無法建立。另一種情況是，450 MHz 無線列調(diào)的無線覆蓋采用同頻方式。當(dāng)450 MHz 模式下的CIR 或?qū)χv設(shè)備發(fā)起對平原車站或隧道車站的呼叫時(shí)，不僅本車站的操作臺會接收到呼叫，鄰站的操作臺也會接收到該呼叫并被占用一段時(shí)間。

倘若僅部署單一語音信道，在此期間鄰站操作臺將無法接聽其他400 MHz 語音呼叫。若話務(wù)量過大，車站操作臺將被長時(shí)間占用，進(jìn)而影響鄰站正常的車地聯(lián)控和列車運(yùn)行。因此，亟須對語音信道進(jìn)行擴(kuò)展，以有效改善車站語音業(yè)務(wù)較為繁忙的現(xiàn)狀，為列車的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的通信保障。

3 DRTD系統(tǒng)信道擴(kuò)展原理及功能需求

3.1 信道擴(kuò)展原理

DRTD 系統(tǒng)的無線通信遵循專用數(shù)字對講設(shè)備的體制A 空中接口協(xié)議，采用雙時(shí)隙時(shí)分多址（time division multiple access，TDMA） 技術(shù)將每個(gè)頻點(diǎn)上的射頻載波按照時(shí)間劃分成互不重合的TDMA 幀，再將每個(gè)幀進(jìn)一步細(xì)分為互不重合的時(shí)隙，此時(shí)每個(gè)時(shí)隙是一個(gè)獨(dú)立信道。每個(gè)時(shí)隙所對應(yīng)的經(jīng)過數(shù)據(jù)流調(diào)制的射頻載波稱為突發(fā)，一個(gè)TDMA 幀由兩個(gè)突發(fā)組成，每個(gè)TDMA 突發(fā)的總時(shí)長為30 ms，信道間隔為12.5 kHz。體制A 的TDMA 幀結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

突發(fā)作為物理信道能夠承載多種數(shù)據(jù)類型，根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同，體制A 空口協(xié)議的邏輯信道可分為承載語音與數(shù)據(jù)信息的業(yè)務(wù)信道以及承載信令的控制信道。DRTD 系統(tǒng)通過控制信道傳輸控制信令塊（control signalling block，CSBK）。這些控制信令塊承擔(dān)著呼叫請求信令和呼叫應(yīng)答信令的收發(fā)工作，以此實(shí)現(xiàn)地面與移動(dòng)終端之間的呼叫建立、釋放和打斷。同時(shí)，DRTD 系統(tǒng)通過業(yè)務(wù)信道傳輸語音流實(shí)現(xiàn)語音個(gè)呼、語音組呼和語音全呼等多種類型的語音業(yè)務(wù)功能。當(dāng)有空閑的業(yè)務(wù)信道存在時(shí)，數(shù)據(jù)傳送主要由業(yè)務(wù)信道負(fù)責(zé)。

TDMA 技術(shù)基于體制A 空中接口協(xié)議，利用軟件控制雙時(shí)隙交替?zhèn)鬏斢脩魯?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基本的單路語音通信和數(shù)據(jù)通信功能。當(dāng)一個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙不能滿足語音通信需求時(shí)，可以通過擴(kuò)充系統(tǒng)頻點(diǎn)、增加業(yè)務(wù)時(shí)隙來滿足不同用戶在不同時(shí)隙進(jìn)行通信的需求，從而實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)通話功能。

3.2 功能需求

為實(shí)現(xiàn)信道擴(kuò)展功能，要先分析其功能需求。

（1）支持多路語音同步通話。該功能主要提供地面與列車之間的多路語音通信，可根據(jù)用戶需求設(shè)定支持的語音通信類型，包括點(diǎn)對點(diǎn)的個(gè)呼、本站或鄰站范圍內(nèi)的組呼。各路通話之間互相獨(dú)立，通話流程和語音質(zhì)量不受其他通話干擾。為實(shí)現(xiàn)該功能，需擴(kuò)展系統(tǒng)頻點(diǎn)、增加業(yè)務(wù)信道，并對多路語音通話的呼叫狀態(tài)、信道狀態(tài)和語音流流向進(jìn)行管理。

（2）語音呼叫優(yōu)先級高于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳送。當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳送占用業(yè)務(wù)信道且無其他空閑業(yè)務(wù)信道可用時(shí)，應(yīng)結(jié)束當(dāng)前信道上的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳送，將該信道用于語音呼叫。但當(dāng)語音呼叫占用業(yè)務(wù)信道且無空閑業(yè)務(wù)信道時(shí)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)應(yīng)等待語音呼叫結(jié)束后再重新發(fā)送。為實(shí)現(xiàn)該功能，除需正確管理語音通話的呼叫狀態(tài)、信道狀態(tài)和語音流流向外，還需對業(yè)務(wù)優(yōu)先級進(jìn)行管理，并且允許高優(yōu)先級業(yè)務(wù)打斷低優(yōu)先級業(yè)務(wù)。

4 DRTD系統(tǒng)信道擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)方案

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于DRTD 系統(tǒng)架構(gòu)，并結(jié)合信道擴(kuò)展的實(shí)際功能需求，設(shè)計(jì)信道擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)方案。具體方法為采用控制面與用戶面分離的系統(tǒng)架構(gòu)，分別對語音流和信令進(jìn)行管理、控制，如圖2 所示。為提升車站多用戶語音通話的能力，需要對固定電臺的硬件和軟件進(jìn)行升級。

在硬件方面，通過增加地面基地臺數(shù)量來保證多路語音通話的物理信道資源。根據(jù)車站話務(wù)量評估車站需要支持的多用戶同時(shí)通話數(shù)量，從而設(shè)置用于語音流與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳送的業(yè)務(wù)信道和控制信道數(shù)量。假設(shè)總信道數(shù)量為N（N ≥ 2），信道編號為[0，N-1]。此處以設(shè)置1 個(gè)控制信道為例，則車站總共支持N-1 個(gè)業(yè)務(wù)信道。固定電臺部署M 個(gè)基地臺，通常滿足M=N/2，基地臺頻率分別設(shè)置為f1，f2，…，fM。

固定電臺的軟件部分按照功能可以劃分為信道狀態(tài)管理模塊、空口呼叫管理模塊、空口語音管理模塊、虛擬電話終端、SIP 服務(wù)器和媒體服務(wù)器，并且配置車站操作臺以實(shí)現(xiàn)界面顯示與操作功能。各模塊功能如下。

信道狀態(tài)管理模塊用于存儲本站所有信道的狀態(tài)信息，包括信道編號、信道占用狀態(tài)、頻對編號以及時(shí)隙編號等。該模塊將信道狀態(tài)信息傳遞給空口呼叫管理模塊和空口語音管理模塊，并根據(jù)各信道的呼叫狀態(tài)修改信道狀態(tài)信息，以此來表明移動(dòng)終端信道的狀態(tài)是占用狀態(tài)還是空閑狀態(tài)。此外，該模塊還負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)傳輸?shù)膬?yōu)先級管理，根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級判斷當(dāng)前業(yè)務(wù)是否允許被傳送。

空口呼叫管理模塊負(fù)責(zé)處理來自有線通信側(cè)或空中接口的呼叫信令。其根據(jù)本站的信道狀態(tài)控制呼叫開始或終止，并通過與呼叫信令交互來完成呼叫建立與釋放流程。同時(shí)，該模塊還負(fù)責(zé)管理各個(gè)信道的呼叫狀態(tài)信息，包括呼叫編號、呼叫狀態(tài)、主叫用戶號碼以及被叫用戶號碼等。

空口語音管理模塊用于管理空口與有線側(cè)之間的語音流傳輸。該模塊維護(hù)空口信道與虛擬電話終端語音端口的映射關(guān)系，并在處理語音流時(shí)，通過查詢該映射關(guān)系來確定目標(biāo)端口或信道。同時(shí)，結(jié)合信道狀態(tài)管理模塊提供的信道狀態(tài)信息以及空口呼叫管理模塊的呼叫狀態(tài)信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整語音流的發(fā)送時(shí)機(jī)，確保語音流在空口與有線側(cè)之間高效、可靠地傳輸。

虛擬電話終端作為移動(dòng)終端映射到有線側(cè)的虛擬終端，負(fù)責(zé)處理與空口呼叫管理模塊之間的呼叫信令，以及與SIP 服務(wù)器之間的SIP 信令。在呼叫成功建立后，該模塊還承擔(dān)在無線側(cè)與媒體服務(wù)器之間收發(fā)語音流的任務(wù)。

SIP 服務(wù)器負(fù)責(zé)處理來自各SIP 終端的SIP 信令，同時(shí)負(fù)責(zé)在有線網(wǎng)絡(luò)中建立、修改和終止語音通信。

媒體服務(wù)器負(fù)責(zé)處理來自各SIP 終端的媒體流，并對媒體流的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行協(xié)商。

4.2 呼叫相關(guān)流程

以CIR 個(gè)呼車站操作臺為例，介紹信道擴(kuò)展方案中固定電臺的呼叫建立和呼叫結(jié)束流程。通過以下流程，車站操作臺能夠在信道擴(kuò)展情況下實(shí)現(xiàn)多路語音通話和語音業(yè)務(wù)優(yōu)先功能。

4.2.1 呼叫建立

固定電臺呼叫建立流程如下：

（1）當(dāng)空口呼叫管理模塊接收到來自空口的個(gè)呼請求信令時(shí)，會先對信令進(jìn)行校驗(yàn)，判斷其準(zhǔn)確無誤且撥號合法后，會向信道狀態(tài)管理模塊查詢當(dāng)前是否有空閑的業(yè)務(wù)信道可供使用。若存在空閑的業(yè)務(wù)信道，該模塊則允許繼續(xù)處理此次呼叫，并將此次呼叫與相應(yīng)的業(yè)務(wù)信道進(jìn)行綁定，此時(shí)流程將轉(zhuǎn)至步驟（2）。若不存在空閑的業(yè)務(wù)信道，該模塊將查詢是否存在被數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占用的業(yè)務(wù)信道，若存在則打斷此數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，隨后將流程轉(zhuǎn)至步驟（2）；若不存在則結(jié)束此次呼叫并向移動(dòng)終端返回失敗的呼叫結(jié)果，此時(shí)流程將轉(zhuǎn)至步驟（11）。

（2）空口呼叫管理模塊向信道狀態(tài)管理模塊查詢呼叫編號對應(yīng)的信道信息，包括頻對編號和時(shí)隙編號，并將這些信道信息通過空口信令告知移動(dòng)終端。

（3）呼叫請求信令依次經(jīng)由空口呼叫管理模塊、虛擬電話終端的信令端口、SIP 服務(wù)器，最終傳送至車站操作臺。

（4）若車站操作臺及時(shí)應(yīng)答，振鈴及呼叫成功信令會依次通過虛擬電話終端、空口呼叫管理模塊和空口，流程轉(zhuǎn)至步驟（5）；否則，流程轉(zhuǎn)至步驟（11）。

（5）虛擬電話終端為各個(gè)呼叫動(dòng)態(tài)分配接收語音流的端口。

（6）空口語音管理模塊將虛擬電話終端的語音流端口與信道信息綁定。

（7）當(dāng)信道狀態(tài)管理模塊檢測到呼叫開始時(shí)，會立即存儲當(dāng)前呼叫所使用的信道信息并修改信道狀態(tài)。具體而言，先將信道與呼叫綁定，并將信道狀態(tài)由空閑改為占用，然后通過空口信令向移動(dòng)終端發(fā)送通知，告知其當(dāng)前信道已處于占用狀態(tài)。

（8）空口呼叫管理模塊執(zhí)行呼叫信息的存儲工作。這些信息涵蓋了呼叫編號、主叫用戶號碼、被叫用戶號碼以及呼叫狀態(tài)等。

（9）當(dāng)空口語音管理模塊接收到來自基地臺的語音流時(shí)，會根據(jù)語音流的源端口來確定對應(yīng)的信道，進(jìn)而獲取該信道所對應(yīng)的虛擬電話終端的語音流端口，隨后將語音流發(fā)送給虛擬電話終端；當(dāng)空口語音管理模塊接收到來自虛擬電話終端的語音流時(shí)，將根據(jù)語音流的源端口獲取對應(yīng)信道信息，并向?qū)?yīng)的基地臺端口發(fā)送語音流。

（10）當(dāng)主叫或被叫掛機(jī)，或者因其他原因?qū)е峦ㄔ捊Y(jié)束時(shí)，當(dāng)前流程終止，轉(zhuǎn)至4.2.2 節(jié)。

（11）空口呼叫管理模塊清除此次呼叫的呼叫信息，虛擬電話終端和空口語音管理模塊清除此次呼叫相關(guān)的端口信息。

4.2.2 呼叫結(jié)束

固定電臺呼叫結(jié)束流程如下：

（1）當(dāng)空口呼叫管理模塊接收到來自空口的結(jié)束個(gè)呼請求信令時(shí)，先對信令進(jìn)行校驗(yàn)，判斷其準(zhǔn)確無誤后查詢是否存在對應(yīng)呼叫，若存在，則流程轉(zhuǎn)至步驟（2）；若不存在，將忽略此信令，當(dāng)前流程終止。

（2）結(jié)束個(gè)呼請求信令依次經(jīng)空口呼叫管理模塊、虛擬電話終端的信令端口、SIP 服務(wù)器，最終傳送至車站操作臺。

（3）車站操作臺應(yīng)答掛斷后，結(jié)束個(gè)呼應(yīng)答信令依次經(jīng)虛擬電話終端、空口呼叫管理模塊和空口。

（4）當(dāng)信道狀態(tài)管理模塊檢測到呼叫結(jié)束時(shí)，會將信道狀態(tài)由占用改為空閑，并通過空口信令向移動(dòng)終端發(fā)送通知，告知其當(dāng)前信道處于空閑狀態(tài)。

（5）空口呼叫管理模塊清除此次呼叫的呼叫信息，虛擬電話終端和空口語音管理模塊清除此次呼叫相關(guān)的端口信息。

5 結(jié)論

DRTD 系統(tǒng)利用數(shù)字制式的優(yōu)勢，打破了模擬制式無線列調(diào)系統(tǒng)語音呼叫形式單一的局限，適用場景更為豐富，系統(tǒng)功能也更易優(yōu)化和擴(kuò)展。本文通過分析DRTD 系統(tǒng)信道擴(kuò)展的必要性，介紹了無線通信體制A 的TDMA 原理，提出了多路語音通話以及語音業(yè)務(wù)優(yōu)先級高于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的功能需求。針對上述需求，設(shè)計(jì)了控制面與用戶面分離的系統(tǒng)架構(gòu)，借此實(shí)現(xiàn)對語音流和信令的獨(dú)立管理與控制。該方案通過在硬件上增設(shè)基地臺，在軟件上整合信道狀態(tài)管理、空口呼叫管理和空口語音管理三大模塊來實(shí)現(xiàn)信道擴(kuò)展，并描述了呼叫建立和呼叫結(jié)束的一般流程。本文所提出的信道擴(kuò)展方案對DRTD 系統(tǒng)的工程實(shí)踐和大規(guī)模推廣應(yīng)用具有顯著的指導(dǎo)意義。

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