廣州地鐵800 MHz數(shù)字集群共網(wǎng)系統(tǒng)方案研究

鮑淑紅

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，510010, 廣州//工程師)

廣州地鐵是一個(gè)非常龐大的軌道交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。由于地鐵內(nèi)人流密度高，地下空間復(fù)雜，給日常管理和應(yīng)急指揮調(diào)度帶來(lái)了相當(dāng)大的難度，一旦出現(xiàn)突發(fā)事件，如不能及時(shí)有效地組織和調(diào)動(dòng)全社會(huì)的資源予以快捷處置，將帶來(lái)非常嚴(yán)重的人民群眾生命財(cái)產(chǎn)損失，產(chǎn)生嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題。

廣州市政府以亞運(yùn)保障為契機(jī)，建立了地上覆蓋的800 MHz數(shù)字集群共網(wǎng)(800 MHz TETRA(泛歐集群無(wú)線電)制式)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng))，以滿足政府各級(jí)部門和重要社會(huì)公益單位日常政務(wù)指揮調(diào)度通信及應(yīng)急通信的需求[1-3]。但由于建設(shè)資金、建設(shè)周期等諸多方面的原因，未能將地鐵共網(wǎng)同步實(shí)施。

由于廣州800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)目前僅能覆蓋地面部分，地鐵地下部分未作全面覆蓋，地鐵區(qū)域內(nèi)日常管理指揮調(diào)度通信及突發(fā)事件應(yīng)急通信無(wú)法滿足地鐵正常運(yùn)營(yíng)需求的問(wèn)題十分突出。因此有序地開展廣州地鐵既有線和在建線路800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)，并與地面網(wǎng)實(shí)現(xiàn)良好的互聯(lián)互通，以實(shí)現(xiàn)廣州800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)地上與地下一張網(wǎng)的目標(biāo)。

1 廣州市地面800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)概況

為保證政府相關(guān)部門日常政務(wù)管理及應(yīng)急指揮通信的需要,構(gòu)建統(tǒng)一、靈活、高效的應(yīng)急管理機(jī)制，建立突發(fā)公共事件預(yù)警預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)和專業(yè)化、社會(huì)化相結(jié)合的應(yīng)急指揮體系，廣州市政府以“企業(yè)建設(shè)運(yùn)營(yíng)，政府購(gòu)買服務(wù)”的模式，建設(shè)了廣州市800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)。

廣州市已建成的800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備采用了由空客防務(wù)與空間有限公司(原歐洲宇航Cassidian公司)生產(chǎn)的800 MHz TETRA數(shù)字集群無(wú)線通信系統(tǒng)核心設(shè)備，其包括2個(gè)區(qū)域機(jī)房的交換中心設(shè)備以及幾百個(gè)無(wú)線基站等，覆蓋廣州市中心市區(qū)、郊區(qū)及郊市國(guó)道、省道[1]。

2 廣州地鐵800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)需求分析

2.1 服務(wù)對(duì)象及容量需求

800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)延伸進(jìn)入地鐵后，主要用于滿足公安、消防、安全、急救、交通以及應(yīng)急辦等部門在地鐵內(nèi)的通信需要。通過(guò)調(diào)研得到廣州市數(shù)字集群共網(wǎng)系統(tǒng)在地鐵區(qū)域內(nèi)日常及應(yīng)急情況下的通話組預(yù)測(cè)，如表1所示。

表1 廣州市數(shù)字集群共網(wǎng)用戶通話組數(shù)(地下部分)預(yù)測(cè)表

2.2 話務(wù)模型及基站配置

根據(jù)話務(wù)模型，對(duì)基站可承載的組數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到，每組忙時(shí)話務(wù)量為0.1 Erl(該值是由每小時(shí)內(nèi)每個(gè)通話組的10次呼叫、每次呼叫36 s的話務(wù)模型計(jì)算得出的)，全網(wǎng)調(diào)度電話用戶比例為100%(其中雙工電話用戶比例不超過(guò)10%)，有線/核心網(wǎng)信道擁塞率小于0.5%，無(wú)線信道擁塞率小于5%。計(jì)算得出2載頻基站和4載頻基站可承載的通話組數(shù)如下：

(1) 2載頻基站：根據(jù)5%的排隊(duì)率，通過(guò)查愛(ài)爾蘭C表得出的7個(gè)業(yè)務(wù)信道可提供3.188 Erl話務(wù)量，每組忙時(shí)話務(wù)量為0.1 Erl。由此得出系統(tǒng)可承載的通話組數(shù)G約為32組。

(2) 4載頻基站：根據(jù)5%的排隊(duì)率，通過(guò)查愛(ài)爾蘭C表得出的15個(gè)業(yè)務(wù)信道可提供9.044 Erl話務(wù)量。同上，可得出G約為90組。

結(jié)合表1用戶需求，考慮到所有的通話組均在同一個(gè)基站覆蓋范圍下出現(xiàn)的概率并不高，特別是消防、應(yīng)急、武警等通話組跨站通信概率不高，往往僅占用個(gè)別的基站；即使是應(yīng)急情況下也可以通過(guò)限制接入通話組數(shù)量、設(shè)置優(yōu)先級(jí)的資源調(diào)配方式來(lái)進(jìn)行調(diào)控。因此可在每普通車站設(shè)置1套2載頻基站，對(duì)話務(wù)量較高的換乘站則可采用載頻擴(kuò)容的方式來(lái)滿足其通話組數(shù)量需求。

3 廣州地鐵800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)交換中心規(guī)劃方案

廣州地鐵線網(wǎng)規(guī)劃部署2個(gè)區(qū)域交換中心(1個(gè)區(qū)域中心與廣州“十二五”新線同步初步建設(shè)，1個(gè)在既有線改造項(xiàng)目中獨(dú)立立項(xiàng)建設(shè))。這2個(gè)區(qū)域交換中心采用數(shù)據(jù)庫(kù)鏡像備份，并統(tǒng)籌接入廣州市地面800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)，從整體架構(gòu)上提高廣州地鐵線網(wǎng)800 MHz數(shù)字集群共網(wǎng)的可靠性。2個(gè)區(qū)域交換中心根據(jù)業(yè)務(wù)均攤的原則，通過(guò)IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)通道均分連接各地鐵車站基站。

4 廣州市地鐵與地面共網(wǎng)的互聯(lián)互通方案

廣州市地鐵800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)是廣州市800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)在地下的延伸和子網(wǎng)，其是地上網(wǎng)的一個(gè)有機(jī)組成部分，同時(shí)亦具有一定的相對(duì)獨(dú)立性。

4.1 地鐵、地面功能聯(lián)動(dòng)融合方案要點(diǎn)

(1) 地面、地上均采用800 MHz TETRA數(shù)字集群通信制式(工作頻段：上行方向?yàn)?06～821 MHz，下行方向?yàn)?51～866 MHz)；800 MHz數(shù)字集群共網(wǎng)的基本性能要求應(yīng)符合歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)TETRA標(biāo)準(zhǔn)，其他信令及接口滿足SJ/T 11228—2000《數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)體制》的規(guī)定。

(2) 地鐵800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)支持地面共網(wǎng)現(xiàn)有的虛擬專網(wǎng)的管理結(jié)構(gòu)和配置：地面網(wǎng)現(xiàn)有超級(jí)管理調(diào)度臺(tái)負(fù)責(zé)全網(wǎng)(包括地面網(wǎng)和地鐵網(wǎng))的虛擬專網(wǎng)劃分和權(quán)限管理；地鐵800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)共劃分為4個(gè)虛擬專網(wǎng)(分別為政府、公安、電信、地鐵)，由各自虛擬專網(wǎng)管理調(diào)度臺(tái)分別進(jìn)行管理；地上地下互聯(lián)后，地面網(wǎng)的現(xiàn)有虛擬專網(wǎng)管理調(diào)度臺(tái)可以管理本虛擬網(wǎng)內(nèi)所有地上、地下的用戶，如公安現(xiàn)有的虛擬專網(wǎng)管理調(diào)度臺(tái)可以統(tǒng)一管理公安虛擬網(wǎng)內(nèi)的所有用戶。

(3) 地鐵800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)支持地面共網(wǎng)現(xiàn)有入網(wǎng)管理流程，已在地面入網(wǎng)的數(shù)萬(wàn)名用戶和規(guī)劃使用的通話組，無(wú)需重新在地鐵項(xiàng)目交換機(jī)中進(jìn)行配置，便能跨地上/地下基站使用；新增的地面網(wǎng)的用戶及其通話組均在地面交換機(jī)加入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)新增地鐵專網(wǎng)用戶在地鐵交換機(jī)入網(wǎng)。

(4) 地鐵800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)的用戶鑒權(quán)須遵照地面網(wǎng)現(xiàn)有鑒權(quán)流程，新增地鐵用戶的鑒權(quán)數(shù)據(jù)統(tǒng)一通過(guò)地面網(wǎng)現(xiàn)有的鑒權(quán)密鑰分發(fā)服務(wù)器(AKDC)分發(fā)至網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。

(5) 地鐵共網(wǎng)交換機(jī)與地面共網(wǎng)交換機(jī)互聯(lián)后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具備完整的HLR(歸屬位置寄存器)-VLR(訪問(wèn)位置寄存器)機(jī)制。地鐵交換機(jī)的HLR僅用于配置地鐵虛擬專網(wǎng)內(nèi)用戶，其他虛擬專網(wǎng)用戶均在地面交換機(jī)的HLR中配置；地面用戶漫游至地鐵，此時(shí)地鐵交換機(jī)可用作地面用戶在地下的VLR，反之，地面交換機(jī)用作地下用戶在地上的訪問(wèn)位置寄存器。

(6) 地鐵共網(wǎng)和地面共網(wǎng)互聯(lián)后，地面用戶功能不會(huì)弱化，用戶在地面能夠進(jìn)行的所有指揮調(diào)度功能包括空中接口鑒權(quán)、自動(dòng)越區(qū)切換、個(gè)呼、短信、組呼，動(dòng)態(tài)重組、遲后進(jìn)入以及通話組合并等均能跨地面地鐵基站實(shí)現(xiàn)；反之，地下用戶進(jìn)入地面基站，所有功能亦均能實(shí)現(xiàn)。

(7) 地鐵共網(wǎng)通過(guò)分發(fā)服務(wù)器向地面網(wǎng)管提供所需的各類信息，包括系統(tǒng)告警和基站負(fù)荷信息。同時(shí)，地鐵共網(wǎng)網(wǎng)管也可作為地面網(wǎng)管的1個(gè)子系統(tǒng)，其可在地上網(wǎng)與地下網(wǎng)斷開后，獨(dú)立配置、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)及用戶的主要參數(shù)，滿足地鐵800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)營(yíng)。

(8) 原廣州市地面800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)全網(wǎng)錄音系統(tǒng)建設(shè)。為滿足使用方事后檢索查詢通話記錄的需求，由地鐵共網(wǎng)項(xiàng)目設(shè)置地上、地下共網(wǎng)全網(wǎng)動(dòng)態(tài)錄音系統(tǒng)。該錄音系統(tǒng)中，地面的組呼通話通過(guò)E1(歐洲的30路脈沖編碼調(diào)制)和IP鏈路發(fā)送給地鐵全網(wǎng)錄音設(shè)備進(jìn)行錄音，以實(shí)現(xiàn)組呼號(hào)、呼叫方號(hào)碼、呼叫開始時(shí)間、呼叫結(jié)束時(shí)間、業(yè)務(wù)類別，以及單位等方式的存儲(chǔ)、離線檢索及播放功能。地面、地鐵800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)全網(wǎng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 地面、地鐵800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)全網(wǎng)拓?fù)鋱D

4.2 地面、地鐵互聯(lián)物理鏈路規(guī)劃方案要點(diǎn)

地面、地鐵800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)互聯(lián)規(guī)劃方案需要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、信令、網(wǎng)管數(shù)據(jù)等信息的互聯(lián)，因此應(yīng)本著盡量保證互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性、盡量減少通話的跳數(shù)及時(shí)延以及節(jié)省地面、地鐵共網(wǎng)互聯(lián)通道的原則進(jìn)行方案的制定與研究。

互聯(lián)通道類型的選擇，首先要了解地面、地鐵中心交換機(jī)的選型規(guī)劃以及語(yǔ)音、信令、網(wǎng)管數(shù)據(jù)傳輸通道類型的需求。地鐵2個(gè)交換中心的集群交換機(jī)均后期建設(shè)，其語(yǔ)音、信令、網(wǎng)管數(shù)據(jù)傳輸均考慮采用IP通道；地面2個(gè)交換中心的語(yǔ)音傳輸在早期建設(shè)中均選用E1數(shù)字中繼通道、數(shù)據(jù)傳輸采用IP傳輸通道的集群交換機(jī)，地面交換中心2在后期擴(kuò)建項(xiàng)目中，增配了1套集群交換機(jī)，其語(yǔ)音、信令、網(wǎng)管數(shù)據(jù)傳輸則均采用IP通道。

地鐵、地面共網(wǎng)互聯(lián)物理邏輯鏈路圖如圖2所示。由圖2可知，地鐵交換中心1與地面交換中心1采用IP和E1物理鏈路互聯(lián)，地鐵交換中心1與地面交換中心2采用IP物理鏈路互聯(lián)，地鐵交換中心2與地面交換中心1采用IP 和E1物理鏈路互聯(lián)。另外，互聯(lián)以太網(wǎng)鏈路設(shè)置冗余的防火墻，以盡量避免地鐵、地面局域網(wǎng)間產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題。

圖2中，地鐵各集群交換機(jī)間、基站與集群交換機(jī)間的互聯(lián)，共享地鐵內(nèi)部的專用傳輸網(wǎng)絡(luò)。該傳輸網(wǎng)絡(luò)通道資源充足，但地面、地鐵共網(wǎng)的互聯(lián)通道需長(zhǎng)期租用廣州市網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的專用有線傳輸通道。為盡量節(jié)省網(wǎng)絡(luò)租用費(fèi)用的投入，在方案的制定中，排除選擇地鐵每套集群交換機(jī)與地面每套集群交換機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)星型連接的高可靠性鏈路方案，同時(shí)方案又需盡量保障互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性、盡量減少通話的跳數(shù)以及減小通話時(shí)延。本文制定了正常情況下集群交換機(jī)間通話組的通話跳數(shù)至多僅隔1套集群交換機(jī)的鏈路規(guī)劃方案。該方案中，即使任何單臺(tái)交換機(jī)出現(xiàn)故障，正常工作的每套交換機(jī)間通話組的通話跳數(shù)也至多僅隔1套集群交換機(jī)。

圖2 地鐵、地面共網(wǎng)互聯(lián)物理邏輯鏈路圖

4.3 全網(wǎng)動(dòng)態(tài)錄音方案要點(diǎn)

廣州市800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)的地上、地下全網(wǎng)動(dòng)態(tài)錄音計(jì)劃統(tǒng)一由地鐵共網(wǎng)項(xiàng)目統(tǒng)一承建。全網(wǎng)動(dòng)態(tài)錄音系統(tǒng)能對(duì)整個(gè)集群共網(wǎng)中的組呼、緊急呼叫進(jìn)行錄音，錄音可按時(shí)間、使用者等進(jìn)行分類檢索；錄音回放可根據(jù)錄音文件順序回放，也可僅回放某1個(gè)用戶在某1次呼叫過(guò)程中的所有講話。

廣州市全網(wǎng)動(dòng)態(tài)錄音方案如圖3所示。由圖3可知，系統(tǒng)配置錄音服務(wù)器(主備)、全網(wǎng)錄音控制服務(wù)器(主備)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、WEB(萬(wàn)維網(wǎng))服務(wù)器以及查詢PC(個(gè)人電腦)等。另外，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的每套集群交換機(jī)(DXT)，配置1臺(tái)錄音數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)(TCS)服務(wù)器，其錄音容量可根據(jù)當(dāng)前每交換機(jī)的話務(wù)量進(jìn)行配置。

5 無(wú)線信號(hào)覆蓋方案研究

廣州市800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)負(fù)責(zé)完成地鐵公共區(qū)、主要設(shè)備區(qū)、隧道區(qū)間、部分地鐵物業(yè)和市政通道的無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。覆蓋范圍內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度滿足每載波不低于-90 dBm(覆蓋率為90%)的要求。

圖3 廣州市全網(wǎng)動(dòng)態(tài)錄音方案示意圖

本項(xiàng)目通過(guò)漏泄電纜實(shí)現(xiàn)區(qū)間的無(wú)線覆蓋，并通過(guò)室內(nèi)分布系統(tǒng)(系統(tǒng)采用射頻電纜、天線、功分耦合器等)完成站內(nèi)區(qū)域覆蓋。

廣州地鐵建設(shè)的射頻無(wú)線覆蓋系統(tǒng)采用了800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)和專用無(wú)線調(diào)度系統(tǒng)。專用無(wú)線調(diào)度系統(tǒng)“十二五”新線采用800 MHz Tetra技術(shù)或TD-LTE(分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn))技術(shù)，先期既有線路采用的是800 MHz Tetra技術(shù)。考慮到節(jié)省工程投資、減少前期施工和后期維護(hù)工作量的需求，將上述兩種無(wú)線系統(tǒng)信源信號(hào)通過(guò)合路器合路，以便共用站內(nèi)和區(qū)間無(wú)線覆蓋系統(tǒng)，合路方案如圖4所示。該方案在技術(shù)上具有可行性。

圖4 800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)與專用無(wú)線調(diào)度

既有線路的既有800 MHz專用無(wú)線系統(tǒng)若在部分車站出入口、設(shè)備區(qū)和物業(yè)區(qū)無(wú)法滿足800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋要求，則需增補(bǔ)室內(nèi)分布系統(tǒng)。

6 結(jié)語(yǔ)

地鐵800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)是廣州市800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)在地下的延伸和子網(wǎng)，其具有一定的相對(duì)獨(dú)立性。地面網(wǎng)負(fù)責(zé)全網(wǎng)的虛擬專網(wǎng)劃分、用戶鑒權(quán)和地面用戶(含所有公安用戶)的配置，而地鐵網(wǎng)的用戶、通話組則直接在地鐵交換機(jī)進(jìn)行配置。

本文介紹了廣州地鐵800 MHz共網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的用戶容量需求、話務(wù)模型、錄音方案以及場(chǎng)強(qiáng)覆蓋方案，著重提出廣州市地鐵與地面800 MHz數(shù)字集群共網(wǎng)聯(lián)動(dòng)融合的具體方案，以期為該項(xiàng)目后期地鐵線路以及其他城市相關(guān)項(xiàng)目提供參考。