TETRA系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用設(shè)計

摘要：根據(jù)地鐵線路的特點(diǎn)，給出了地鐵無線調(diào)度通信系統(tǒng)的組成，并對基于摩托羅拉的TETRA(陸地集群無線電)系統(tǒng)應(yīng)用做出了具體設(shè)計，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、隧道場強(qiáng)覆蓋方式的設(shè)計、射頻信號放大方式的設(shè)計。重點(diǎn)介紹了基于IP的TETRA(DIMETRA IP)系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)計，結(jié)合實際給出了可靠性設(shè)計的具體方案。為了更好的適應(yīng)地鐵通信系統(tǒng)發(fā)展，實現(xiàn)對DIMETRA IP系統(tǒng)的二次開發(fā)，本文著重介紹CAD服務(wù)器的二次開發(fā)，使其真正滿足地鐵用戶的需求。
關(guān)鍵詞：TETRA；地鐵無線調(diào)度通信系統(tǒng)；場強(qiáng)覆蓋；射頻信號；DIMETRA IP

    泛歐集群無線電(Trans European Trunked Radio，TETRA)是當(dāng)今世界上較為先進(jìn)的專用移動通信系統(tǒng)，它集調(diào)度呼叫、無線電話、短數(shù)據(jù)、分組數(shù)據(jù)傳輸于一體，具有共用頻率、共用設(shè)備、共享服務(wù)區(qū)、共享通信業(yè)務(wù)、分擔(dān)費(fèi)用等特點(diǎn)，在公安、消防、鐵路等數(shù)字集群通信網(wǎng)中有著廣泛應(yīng)用。TETRA系統(tǒng)的呼叫建立時間實際小于0．3 s，在緊急情況下具有快速反應(yīng)能力。TETRA具有多種指揮調(diào)度功能，可以單呼、組呼和廣播。TETRA還具備多種加密方式、安全抗毀性高，在脫網(wǎng)情況下，可采用直通通話模式，在高速及嘈雜的環(huán)境下仍能保持清晰的通話。

1 TETRA系統(tǒng)
    TETRA現(xiàn)在已改為陸上集群無線電，數(shù)字集群通信系統(tǒng)是基于數(shù)字時分多址(TDMA)技術(shù)的專業(yè)移動通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)是ETSI(歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會)為了滿足歐洲各國的專業(yè)部門對移動通信的需要而設(shè)計、制訂統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放性系統(tǒng)。于1988年開始投入，如今已成為歐洲的標(biāo)準(zhǔn)，同時也像GSM一樣．獲得包含美國在內(nèi)的歐洲以外國家及地區(qū)采用，相當(dāng)具有發(fā)展?jié)摿Α?br />     TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)可在同一技術(shù)平臺上提供指揮調(diào)度、數(shù)據(jù)傳輸和電話服務(wù)，它不僅提供多群組的調(diào)度功能，而且還可以提供短數(shù)據(jù)信息服務(wù)、分組數(shù)據(jù)服務(wù)以及數(shù)字化的全雙工移動電話服務(wù)。TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)還支持功能強(qiáng)大的移動臺脫網(wǎng)直通方式，可實現(xiàn)鑒權(quán)、空中接口加密和端對端加密。TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)同時還具有虛擬專網(wǎng)功能，可以使一個物理網(wǎng)絡(luò)為互不相關(guān)的多個組織機(jī)構(gòu)服務(wù)。TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)具有豐富的服務(wù)功能、更高的頻率利用率、高通信質(zhì)量、靈活的組網(wǎng)方式，許多新的應(yīng)用(如車輛定位、圖像傳輸、移動互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫查詢等)都已在TETRA中得到實現(xiàn)。因此，近兩年TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)在歐洲乃至世界得到了快速的發(fā)展。

2 TETRA應(yīng)用設(shè)計
2．1 地鐵無線通信系統(tǒng)組成
    地鐵無線通信系統(tǒng)的組成如圖1所示。

    根據(jù)地鐵線路的特點(diǎn)，TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)按基站設(shè)置方式采用小區(qū)制結(jié)構(gòu)。即在控制中心設(shè)置交換控制設(shè)備，在地鐵沿線各車站設(shè)置基站，交換控制設(shè)備與各基站之間通過有線傳輸通道連接，地鐵沿線架設(shè)漏泄同軸電纜，實現(xiàn)全線場強(qiáng)覆蓋。小區(qū)制的缺點(diǎn)是投資高，列車司機(jī)和行車調(diào)度員之間存在較多的越區(qū)切換；優(yōu)點(diǎn)是，信道利用率高，系統(tǒng)的弱化故障能力較強(qiáng)，尤其可貴的是能夠?qū)崿F(xiàn)車站值班員與接近列車司機(jī)之間無須撥號就能建立的通信聯(lián)系。
2．2 地鐵隧道內(nèi)場強(qiáng)覆蓋方式設(shè)計
    地鐵區(qū)間隧道內(nèi)射頻場強(qiáng)的覆蓋方式無外乎兩種：采用隧道天線作為輻射源的空間波覆蓋方式，以及采用漏泄電纜作為傳輸線和分布天線的覆蓋方式。前者投資省、安裝工程量小，但場強(qiáng)覆蓋難以控制，會對隧道內(nèi)的電磁環(huán)境產(chǎn)生不良影響，無法為控制越區(qū)切換、降低同頻干擾等具體問題進(jìn)行針對性的場強(qiáng)分布精確設(shè)計，實際使用先例很少；而后者盡管造價昂貴、施工工程量大，但由于采用漏泄電纜，能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁波傳播和輻射的嚴(yán)密控制，既保證了自身系統(tǒng)的抗干擾能力，又能降低對其他無線系統(tǒng)干擾的可能性，因此在國內(nèi)外地鐵的建設(shè)中均得到了廣泛的應(yīng)用。
2．3 地鐵長大區(qū)間射頻信號放大方式的設(shè)計
    采用漏泄電纜實現(xiàn)區(qū)間隧道射頻信號的場強(qiáng)覆蓋，當(dāng)區(qū)間太長時，需在漏纜中間增加放大器對射頻信號進(jìn)行放大。常用的放大器有兩種類型：射頻直放中繼器和采用光纖作為傳輸媒介的光纖直放站。通過對比兩者下行載噪比、上行噪聲、可靠性、信號傳輸時延、延伸距離、級聯(lián)放大互調(diào)影響等，綜合考慮實際工作情況，一般采用多基站光纖直放站的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是頻率資源利用率較高，話務(wù)分布較為均勻，能較好地滿足群組通信的需求，干擾較少，系統(tǒng)可靠性較高，系統(tǒng)擴(kuò)容靈活方便。

3 DIMETRA IP系統(tǒng)
3．1 DIMETRA IP系統(tǒng)簡介
    DIMETRA IP是MOTO公司推出的最新為軌道交通服務(wù)的TETRA通信系統(tǒng)。DIMETRA IP系統(tǒng)采用全新的IP核心交換平臺。采用IP核心交換的最大優(yōu)勢是順應(yīng)目前最先進(jìn)的技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展趨勢，并且在一個IP交換平臺實現(xiàn)對話音、數(shù)據(jù)、控制、網(wǎng)管信息的統(tǒng)一處理，簡化了不同功能模塊設(shè)備之間的連接方式和接口協(xié)議。更為重要的是，所采用的基于IP的交換設(shè)備可以跟蹤最新的IP技術(shù)和設(shè)備，便于系統(tǒng)擴(kuò)展和更新。  DIMETRA IP系統(tǒng)引入了將TETRA服務(wù)集成到一個基于內(nèi)部IP的“TETRA over IP”與IP連接使外部應(yīng)用能夠發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)包的“IP over TETRA”的新概念。所有類型的TETRA信息被放置于IP數(shù)據(jù)包中，并通過IP網(wǎng)絡(luò)傳送：話音、用戶數(shù)據(jù)(短數(shù)據(jù)，分組數(shù)據(jù)，狀態(tài)信息)、控制信息、網(wǎng)絡(luò)管理信息等；IP over TETRA需要共享的分組數(shù)據(jù)信道，如同固定IP網(wǎng)絡(luò)，不同的用戶和他們的數(shù)據(jù)同時共享相同的信道?；贗P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具備很多性能和組網(wǎng)靈活性、可以采用相同的方式承載多種類型信息等方面的優(yōu)勢，使鏈路交換升級為在交換機(jī)內(nèi)部的IP數(shù)據(jù)交換。簡單快速地建立呼叫、網(wǎng)絡(luò)的廣域覆蓋使多條線路可以共享一個DIMETRA IP系統(tǒng)。
3．2 基站和移動臺配置
    地鐵按小區(qū)制配置，在DIMETRA IP系統(tǒng)，此基站稱為“進(jìn)階型中繼站臺系統(tǒng)”。每一個基站為個別地點(diǎn)提供無線覆蓋，并且每一個車站自成一個小區(qū)，無線用戶使用TETRA移動臺，并通過TETRA空中接口協(xié)議與各基站連接。在本系統(tǒng)內(nèi)摩托方提供MTS4型號基站。在單機(jī)柜的配置下可提供最多16個通信頻道；在雙機(jī)柜配置下此基站可提供最多32個通信頻道。基站工作頻率為800 MHz。同時每一個基站也配置備份基站控制器作為熱備份。基站、遠(yuǎn)端調(diào)度臺、網(wǎng)管與傳輸連接每個基站和常規(guī)信道模擬網(wǎng)關(guān)(CCGW)需要通過傳輸系統(tǒng)提供的一條E1(2 m)鏈路連接至交換中心MSO。
3．3 DIMETRA IP系統(tǒng)配置
    DIMETRA IP系統(tǒng)包括下列功能模塊：核心子系統(tǒng)(Core Subsystem)、虛擬私有網(wǎng)絡(luò)(VPN)網(wǎng)關(guān)路由器、TETRA無線基站、MCC7500調(diào)度設(shè)備、網(wǎng)管終端等。在此系統(tǒng)內(nèi)再增配一些選項并自成系統(tǒng)，如：核心冗余備份子系統(tǒng)(Core Redundancy Subsystem)、電話子系統(tǒng)(Telephony Subsystem)、和分組數(shù)據(jù)子系統(tǒng)(Packet Data Subsystem)等。
3．4 DIMETRA IP系統(tǒng)的可靠性設(shè)計
    為了提高DIMETRA IP系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)行如下設(shè)計：
    1)分散式結(jié)構(gòu)  DIMETRA IP的MSO采用分散式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，它由各種不同的功能模塊所構(gòu)成，包括控制、交換、話音、數(shù)據(jù)、管理。這種分散式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)避免了任何可能的單點(diǎn)故障，由于不同的設(shè)備均具備自己的電源單元，相對于整機(jī)插卡式機(jī)筐的設(shè)計來說，具有更高的系統(tǒng)可靠性。
    2)系統(tǒng)級可靠性功能  系統(tǒng)級可靠性由單站集群、控制信道備、信道干擾檢測3個功能來實現(xiàn)。
    3)基站的冗余配置  MTS4配備有2個收發(fā)信機(jī)(BR)，任何一個BR發(fā)生故障，不會中斷MTS4的工作，但容量降低。如果主控制信道(MCCH)停留在有故障的BR上，則控制信道輪換到其它BR。同時每個基站配置2個TSC(基站控制器)，如果主用TSC出現(xiàn)故障，備用TSC會自動切換并取代故障TSC的工作。

4 無線二次開發(fā)的應(yīng)用
    地鐵運(yùn)營系統(tǒng)是一個專用系統(tǒng)，具有專用系統(tǒng)特殊的一些功能需求。DIMETRA IP系統(tǒng)是一個符合TETRA標(biāo)準(zhǔn)的通用數(shù)字集群系統(tǒng)。但是，軌道交通類項目要求系統(tǒng)具備很強(qiáng)的專業(yè)調(diào)度功能，對于這些功能要求，僅采用標(biāo)準(zhǔn)的TETRA數(shù)字集群通信功能是不便于實現(xiàn)簡單、快捷和符合實際需求的操作模式的，因此必須通過二次開發(fā)，對DIMETRA系統(tǒng)作適應(yīng)性的改動，才能真正滿足地鐵用戶的需求。
    二次開發(fā)子系統(tǒng)主要包含：二次開發(fā)CAD服務(wù)器、二次開發(fā)調(diào)度臺、二次開發(fā)按鍵式控制臺、二次開發(fā)車載臺、二次開發(fā)固定臺、二次開發(fā)網(wǎng)管等。這里只重點(diǎn)介紹二次開發(fā)CAD服務(wù)器。
    CAD服務(wù)器是二次開發(fā)調(diào)度子系統(tǒng)的核心部分，它和調(diào)度臺是服務(wù)器／客戶端配置。調(diào)度CAD服務(wù)器一方面為調(diào)度臺提供集中接入服務(wù)，接收信號系統(tǒng)ATS信息和時鐘信息，為所有應(yīng)用提供集中的車次號、列車位置等數(shù)據(jù)，并保持計算機(jī)終端之間的時間同步：另一方面作為各類調(diào)度信息的數(shù)據(jù)庫，供各調(diào)度臺使用。運(yùn)行過程中，行車調(diào)度、車輛段調(diào)度和停車場調(diào)度需要與調(diào)度CAD服務(wù)器交換行車信息。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高可靠性，調(diào)度CAD服務(wù)器采用雙機(jī)冗余熱備形式，具備防死機(jī)功能。在功能相對簡單的移動臺上便捷的實現(xiàn)了調(diào)度臺的基本功能，從而既降低了項目配置成本，同時保證了調(diào)度臺的冗余需求，為TETRA系統(tǒng)在調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用上提供了一個新的思路和方向。CAD調(diào)度子系統(tǒng)的組成如圖2所示。

5 結(jié)束語
    TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)是國際上先進(jìn)的專用數(shù)字調(diào)度通信系統(tǒng)，也是我國推薦采用的數(shù)字集群通信制式之一，符合未來專用調(diào)度系統(tǒng)的發(fā)展方向。本文給出的TETRA無線集群通信系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用設(shè)計既借鑒了以往同類項目的成功經(jīng)驗，同時在如何將系統(tǒng)功能更好的應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域提出了新的需求和實踐。