福州地鐵1號線專用無線通信系統(tǒng)的設(shè)計

【摘要】根據(jù)福州地鐵1號線無線指揮調(diào)度通信的需求，設(shè)計了福州地鐵1號線專用無線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并對設(shè)備性能、系統(tǒng)功能以及技術(shù)特點進行了詳細分析。

【關(guān)鍵詞】福州地鐵專用無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TN929.52文獻標識碼：B文章編號：1006-1010（2014）-16-

[Abstract]According to the requirements of radio control and command communication for Fuzhou Metro Line1， the network structure of the dedicated radio communication system for Fuzhou Metro Line1 is designed in this paper， and the equipment characteristics， system functions and technical features are described in detail.

[Key words]Fuzhou metro dedicated radio communication system network structure

1 引言

近年來，國內(nèi)地鐵發(fā)展和建設(shè)非常迅速。作為福建省的行政中心和省會城市，福州規(guī)劃了9條地鐵線路，其中軌道交通1號線已經(jīng)開工建設(shè)，并將于2015年底投入試運營。

地鐵通信系統(tǒng)是整個地鐵建設(shè)中必不可少的一個環(huán)節(jié)，而專用無線通信系統(tǒng)作為地鐵中列車調(diào)度、車輛調(diào)度、防災(zāi)調(diào)度、環(huán)控調(diào)度必不可少的無線通信手段，在整個地鐵的無線調(diào)度中承擔(dān)著至關(guān)重要的任務(wù)，決定了地鐵無線調(diào)度是否能夠穩(wěn)定有序地進行。

2 福州地鐵專用無線通信系統(tǒng)的用戶需求

福州市軌道交通1號線專用無線通信系統(tǒng)采用800MHz TETRA（Terrestrial Trunked Radio，陸地集群無線電）數(shù)字集群調(diào)度系統(tǒng)，為地鐵運營的固定用戶（控制中心及車輛段調(diào)度員、車站值班員等）和移動用戶（列車司機、防災(zāi)人員、維修人員）之間的語音、數(shù)據(jù)信息交換提供可靠的通信手段，對行車安全、提高運輸效率和管理水平、改善服務(wù)質(zhì)量提供了重要保證；同時，當(dāng)?shù)罔F運營出現(xiàn)異常情況、有線通信出現(xiàn)故障時，亦能迅速提供防災(zāi)救援和事故處理等指揮所需要的通信手段。

2.1 通信功能需求

福州軌道交通1號線專用無線通信系統(tǒng)應(yīng)具有語音呼叫、數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)調(diào)度控制以及系統(tǒng)安全功能。

（1）語音呼叫功能主要包括組呼、個呼、系統(tǒng)全呼、緊急呼叫、呼叫優(yōu)先、預(yù)占優(yōu)先呼叫、有線/無線互聯(lián)呼叫、背景組/通播組呼叫、調(diào)度授權(quán)呼叫、語音優(yōu)先、呼叫保持、PABX電話組呼、快速呼叫、超出服務(wù)區(qū)指示、呼入呼出限制（呼叫限制）、呼叫提示、優(yōu)先級排隊、用戶級別、發(fā)射禁止（發(fā)射關(guān)閉）、直通模式等功能。

（2）數(shù)據(jù)傳輸功能主要包括狀態(tài)信息傳輸、SDS（Short Data Service，短數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)）傳輸、IP分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋顟B(tài)信息傳輸用于發(fā)送頻繁使用的某些信息，狀態(tài)信息的長度只有16bit（65536個不同的值），其中（即32768個信息被預(yù)留）用于不同的應(yīng)用需求，而其余的用于TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)的標準需求。TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)能夠在狀態(tài)信息被存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫之后，向終端發(fā)送確認信息。用戶不同應(yīng)用的狀態(tài)信息不存儲在數(shù)據(jù)庫中，可被用于向一個用戶終端發(fā)送信息。TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)僅作為這些狀態(tài)信息的服務(wù)載體。SDS傳輸可以保證在無線終端之間或無線終端與調(diào)度臺之間發(fā)送信息，無線終端可以同時參與短數(shù)據(jù)信息傳輸和話音呼叫。IP分組數(shù)據(jù)傳輸可提供IP數(shù)據(jù)報的傳送，分配給用戶的IP地址可以是靜態(tài)的或動態(tài)的。

（3）系統(tǒng)調(diào)度控制功能主要包括動態(tài)重組、基站區(qū)域呼叫、區(qū)域選擇、通話限時、自動重撥、遲后進入、移動終端遙斃/復(fù)活、監(jiān)聽、環(huán)境偵聽、強拆/強插、通話組掃描、優(yōu)先掃描/優(yōu)先監(jiān)視、主叫/被叫顯示限制、講話方識別顯示、縮位尋址、呼叫限制、超出服務(wù)區(qū)指示、二次撥號等功能。

（4）系統(tǒng)安全功能主要包括雙向鑒權(quán)、鑒權(quán)密鑰管理以及對移動終端的遙斃/復(fù)活等功能。

2.2 覆蓋需求

福州地鐵1號線專用無線通信系統(tǒng)采用多基站小區(qū)制方案，在沿線的22個車站設(shè)置22套集群基站，車輛段和停車場各設(shè)置1套集群基站。全線共設(shè)置24套集群基站，完成對全線車站、區(qū)間、車輛段和停車場的無線場強覆蓋。

專用無線通信系統(tǒng)對區(qū)間（包括地下隧道區(qū)間、地面區(qū)間及高架區(qū)間）的覆蓋采用漏泄同軸電纜方式，上、下行線路各敷設(shè)1條漏泄同軸電纜，車站站臺采用漏泄同軸電纜+天線方式，站廳、出入口、車輛段、停車場采用天線覆蓋方式。

3 專用無線通信系統(tǒng)的組成

福州地鐵1號線專用無線通信系統(tǒng)采用TETRA數(shù)字集群技術(shù)體制，由控制中心設(shè)備、車站設(shè)備、車輛段/停車場設(shè)備以及無線終端組成。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

（1）控制中心

控制中心設(shè)置TETRA數(shù)字集群中心交換設(shè)備、鑒權(quán)服務(wù)器、計算機輔助調(diào)度服務(wù)器（主備配置，冗余熱備）、中心無線集群網(wǎng)管（二次開發(fā)網(wǎng)管）等。

（2）車站設(shè)備

車站設(shè)備由2載頻基站、車站值班員固定臺、車站天饋單元、值班人員便攜臺等組成。

（3）車輛段/停車場

車輛段/停車場設(shè)備主要由2載頻數(shù)字集群基站、車輛段/停車場遠端調(diào)度臺和固定臺、車輛段/停車場鐵塔及天饋單元組成。

TETRA數(shù)字集群交換機是專用無線通信系統(tǒng)核心，與無線系統(tǒng)其他設(shè)備之間通過不同的接口相連?；就ㄟ^E1接口與TETRA數(shù)字集群交換機連接，調(diào)度臺通過E1接口與TETRA數(shù)字集群交換機連接，TETRA數(shù)字集群網(wǎng)管系統(tǒng)通過E1和RS232與TETRA數(shù)字集群交換機連接。endprint

各基站與控制中心交換機之間采用點對點星型連接的方式，基站與交換機的傳輸通道類型為標準的E1通道、2Mbit/s、G.703/G.704，不需要通過外接的接口轉(zhuǎn)接器轉(zhuǎn)接，減少了中間環(huán)節(jié)，設(shè)備的可靠性也得到了強有力保障。

為實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的功能，專用無線通信系統(tǒng)設(shè)備還需要與通信系統(tǒng)內(nèi)部其他子系統(tǒng)以及外部系統(tǒng)相連，例如：傳輸子系統(tǒng)、公務(wù)電話子系統(tǒng)、專用電話子系統(tǒng)、時鐘子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)、集中網(wǎng)管子系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)、信號ATS系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)等。

4 專用無線通信系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 交換中心的設(shè)計

交換機是TETRA數(shù)字集群網(wǎng)絡(luò)的核心，其性能和可靠性直接決定整個TETRA數(shù)字集群網(wǎng)絡(luò)的性能和可靠性。福州地鐵1號線專用無線通信系統(tǒng)采用AIRBUS公司的DXT（Digital Exchange for TETRA，TETRA數(shù)字交換機），該交換機基于先進的DX200容錯平臺，具有冗余度、性能可靠、處理能力強、無單點故障等優(yōu)點，采用高度模塊化和高度集成化的設(shè)計，其他系統(tǒng)交換中心的主要網(wǎng)元均只相當(dāng)于DXT交換機的功能模塊。

福州地鐵DXT交換機內(nèi)部板塊采用冗余備份部署，支持2n和n+1的熱備份方案，一旦單元故障，備用單元自動取代故障單元，保持系統(tǒng)正常工作，不會引起中斷或服務(wù)中斷。主要部件包括CMM（呼叫控制及中央內(nèi)存單元）、GSWB（交換單元）、OMU（操作和維護單元）、CLSU（時鐘和同步單元）、CLAB（時鐘和告警緩沖單元）、MB（信息總線），局域網(wǎng)交換機ESB24和電源模塊均采用2n備份熱備方式，CCSU（公共信令信道單元）、接口單元ET16/ET2E采用n+1備份。DXT交換機的構(gòu)成如圖2所示：

DXT交換機采用分布式多處理器結(jié)構(gòu)交換機，具有大數(shù)據(jù)量處理能力，保證在通信繁忙的重負荷下仍能可靠、快速建立呼叫；同時，還具備實時故障自動檢測及恢復(fù)功能，確保主用單元發(fā)生故障時自動切換到備用單元。

冗余設(shè)計、自動監(jiān)控、告警檢測、自愈和結(jié)構(gòu)管理系統(tǒng)保障了TETRA系統(tǒng)的不間斷運行，即使DXT交換系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生單點故障，也不會引起運行的中斷。

4.2 基站系統(tǒng)的設(shè)計

福州地鐵專用無線通信系統(tǒng)的基站采用AIRBUS公司的TETRA TB3（第三代EADS基站）基站，該基站在數(shù)字處理技術(shù)和射頻技術(shù)等方面采用了全新設(shè)計，具有高可靠性和易于升級等特點，無線覆蓋性能好，能夠用較少的TB3基站滿足覆蓋要求。

TB3基站的構(gòu)成如圖3所示：

TB3基站采用了多種冗余設(shè)計，基站最多可支持8個載波單元（收發(fā)信機），載波單元可相互備份，當(dāng)1個載波單元出現(xiàn)故障時，不會影響基站的正常工作。MCCH（Main Control Channel，主控制信道）也設(shè)置成多級備份，一旦帶MCCH的載波單元出現(xiàn)故障，MCCH可以自動調(diào)整到另外的載波單元上，即將系統(tǒng)第一個載波的第一時隙設(shè)為控制信道，當(dāng)該載波出現(xiàn)故障時，基站根據(jù)預(yù)先設(shè)定的優(yōu)先級算法，自動選取1個工作正常載波的第一時隙作為新控制信道。

基站內(nèi)部設(shè)置傳輸鏈路接口，提供4個E1接口，便于鏈路冗余并可以支持多種拓撲結(jié)構(gòu)?；究刂破鳠醾淙哂啵?dāng)主用基站控制器故障時，基站自動切換到備用基站控制器。

AIRBUS公司的TETRA基站還能提供增強型單站故障弱化功能，當(dāng)基站與交換機通信中斷時，仍能為本基站內(nèi)的用戶提供基本的通信服務(wù)。

5 技術(shù)特點

福州地鐵1號線專用無線通信系統(tǒng)充分借鑒了國內(nèi)外很多地鐵網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)建設(shè)和運維經(jīng)驗，在建設(shè)過程中綜合運用了多種技術(shù)手段保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性和先進性，其主要技術(shù)特點如下：

（1）系統(tǒng)可靠性高

核心系統(tǒng)建立在高級冗余容錯平臺上，系統(tǒng)中主要和重要的功能部件全部采用冗余備份方式，能夠提供最高的可靠性。核心交換機模塊冗余熱備，無單點故障，多級時鐘機制能夠保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

（2）用戶通信遠程控制能力

該系統(tǒng)主要用于無線用戶指揮調(diào)度，當(dāng)發(fā)生大型勤務(wù)或緊急情況導(dǎo)致大量無線用戶集結(jié)時，需要應(yīng)急措施來保障無線用戶的通信不中斷。因此，用戶通信遠程控制能力在很大程度上決定了用戶的運維工作量、成本以及能否很好地應(yīng)對緊急情況下的調(diào)度需求。

系統(tǒng)具有用戶通信遠程控制能力，除了國家號、網(wǎng)絡(luò)號、終端號等幾個最基本的通信參數(shù)需要在終端中編程外，其他絕大多數(shù)通信參數(shù)均可以通過調(diào)度臺在系統(tǒng)側(cè)進行配置。當(dāng)需要修改終端參數(shù)時，不需要回收終端重新進行編程，極大地減少了終端編程的工作量，用戶對通信參數(shù)的修改也非常方便和快捷，大量參數(shù)可針對不同地鐵線路（虛擬網(wǎng)）設(shè)定，無需針對單一用戶一一設(shè)定，也可針對無線用戶批量設(shè)定參數(shù)，配置及修改方便迅速。

（3）遠程運行維護能力

該系統(tǒng)的TB3基站可以提供超過30個外部告警輸入端子，可以支持對機房的門禁、空調(diào)、煙感進行環(huán)境監(jiān)測，從而實現(xiàn)基站機房的完全無人值守；專用無線通信系統(tǒng)具有軟件遠端升級下載功能，即從控制中心一點可以遠程向基站、調(diào)度臺、API服務(wù)器下載升級軟件，無需訪問基站站點便能完成整個升級過程，并保證網(wǎng)絡(luò)在極短時間內(nèi)達到同一功能水平?；静捎米詣诱{(diào)諧合路器支持從控制中心遠程對基站頻率進行調(diào)整，保證后期靈活的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及干擾調(diào)整。

（4）強大平滑的系統(tǒng)擴容能力

該系統(tǒng)采用靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可方便地進行網(wǎng)絡(luò)升級和擴展；具有高度模塊化的結(jié)構(gòu)，可以提供擴展功能，以滿足不同話務(wù)容量和用戶容量的需求。在升級過程中，只要在現(xiàn)有硬件上加入新的模塊和軟件即可，整個升級過程不僅容易而且也很經(jīng)濟。此外，系統(tǒng)還支持遠端軟件升級，即從控制中心一點可以遠程向基站、調(diào)度臺、API服務(wù)器下載升級軟件，無需訪問站點便能完成升級，例如：當(dāng)夜間進行軟件升級時，使所有站點能在較短的時間內(nèi)工作在統(tǒng)一的軟件版本，不會對整個系統(tǒng)的調(diào)度指揮造成影響。

6 結(jié)束語

本文描述了福州地鐵1號線專用無線通信系統(tǒng)的建設(shè)情況，由于福州地鐵建設(shè)較晚，專用無線系統(tǒng)中的核心設(shè)備已經(jīng)在國內(nèi)外很多地鐵項目中得到廣泛應(yīng)用，故而福州地鐵建設(shè)起點較高。未來福州地鐵將進一步跟蹤、借鑒和吸納TETRA業(yè)內(nèi)最新的技術(shù)發(fā)展及研究成果，以保證福州軌道交通專用無線通信系統(tǒng)的技術(shù)先進性和持續(xù)發(fā)展。

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作者簡介

林威：高級工程師，現(xiàn)任職于福州市城市地鐵有限責(zé)任公司機電部，主要從事城市軌道交通無線通信系統(tǒng)的建設(shè)和管理工作。endprint