地鐵換乘車站消防無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究

王 鵬

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

地鐵消防無線通信系統(tǒng)是城市應(yīng)急指揮窄帶通信地面網(wǎng)在地鐵地下范圍內(nèi)的延伸，是軌道交通應(yīng)急救援設(shè)施的重要組成部分[1]。隨著2018年《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布，行業(yè)內(nèi)首次明確消防無線系統(tǒng)在地鐵范圍內(nèi)至少提供3個(gè)信道，其中1個(gè)信道供消防指揮員用，2個(gè)信道供消防隊(duì)員使用[2]。

2019年12月，中華人民共和國(guó)應(yīng)急管理部在《關(guān)于印發(fā)地方應(yīng)急管理信息化2020年建設(shè)任務(wù)書的通知》中指出，應(yīng)急指揮窄帶無線通信網(wǎng)是基于370 MHz應(yīng)急專用無線電頻率、采用PDT(professional digital trunking，專業(yè)數(shù)字集群)體制建設(shè)的數(shù)字集群網(wǎng)。2020年10月，應(yīng)急管理部又印發(fā)ePDT系統(tǒng)總體技術(shù)規(guī)范、建設(shè)指南、頻率規(guī)范文件，進(jìn)一步明確固定基站采用集群同頻同播技術(shù)體制，最大限度地兼容PDT通信系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)同頻組網(wǎng)[3]。

現(xiàn)以西安市地鐵8號(hào)線為例，闡述新技術(shù)框架規(guī)劃下的地鐵消防無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，特別針對(duì)換乘車站的復(fù)雜場(chǎng)景模型進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的設(shè)備配置策略。

1 既有地鐵線路消防基站配置方案

西安地鐵既有線的消防無線通信系統(tǒng)與當(dāng)前的地面網(wǎng)保持一致，均為基于MPT1327技術(shù)的350 MHz模擬常規(guī)通信網(wǎng)。在既有線地鐵車站公安通信機(jī)房?jī)?nèi)，設(shè)置3信道機(jī)(載頻)數(shù)?；旌匣綶4]。其中：第1個(gè)信道機(jī)用于消防模擬常規(guī)通信，并具備平滑升級(jí)為數(shù)字PDT模式的能力；第2個(gè)信道機(jī)提供兩個(gè)數(shù)字信道，其中一個(gè)數(shù)字信道用作公安數(shù)字集群用戶的控制信道，另一個(gè)數(shù)字信道用作公安數(shù)字集群用戶的語音信道；第3個(gè)信道機(jī)提供兩個(gè)數(shù)字語音信道，在消防無線通信地面網(wǎng)數(shù)字化改造后優(yōu)先用于消防通信用戶使用，緊急情況下可靈活分配給公安無線用戶使用，或在突發(fā)事件情況下轉(zhuǎn)為臨時(shí)脫網(wǎng)常規(guī)通信，或在有線鏈路故障時(shí)用作無線鏈路信道與公安地面主基站通信[5]。

由于國(guó)家應(yīng)急管理部已經(jīng)明確其基站采用370 MHz頻段，考慮到同一個(gè)載頻無法同時(shí)工作在兩個(gè)頻點(diǎn)，因此公安無線基站與消防無線基站合設(shè)時(shí)，一個(gè)信道機(jī)的兩個(gè)邏輯信道不能分別提供給公安無線和消防無線使用。

如圖1所示，基站設(shè)備柜內(nèi)的公安無線信道機(jī)和消防無線信道機(jī)經(jīng)過350 MHz同頻電橋合路后，經(jīng)射頻線纜饋入專用通信設(shè)備室內(nèi)的POI(多頻段分合路器)，與專用無線通信800 MHz的TETRA信號(hào)進(jìn)一步合路，共享車站內(nèi)室分天饋系統(tǒng)以及區(qū)間漏泄同軸電纜覆蓋系統(tǒng)[6]。

圖1 既有線公安及消防無線系統(tǒng)組網(wǎng)Figure 1 Existing police and fire-fighting wireless system

2 地鐵消防無線通信系統(tǒng)建設(shè)新標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)家應(yīng)急管理部要求消防無線通信系統(tǒng)是基于數(shù)字PDT技術(shù)的集群同頻同播系統(tǒng)。地鐵消防集群同頻同播系統(tǒng)基站空中接口側(cè)須提供控制信道，基站側(cè)配置BDS/GPS(北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng))同步單元，實(shí)現(xiàn)同頻同播基站的嚴(yán)格時(shí)間同步，以避免同頻干擾中的中心頻偏引起的“嘯叫”現(xiàn)象[7]。

另外，需要在地面設(shè)置同播基站控制器，控制所有的地鐵消防同播基站。各同播基站通過其控制器進(jìn)行互聯(lián)互通，所有空口信令都由同播基站通過內(nèi)部接口發(fā)送給其控制器進(jìn)行處理；同時(shí)，處理同播基站控制器發(fā)送的各類業(yè)務(wù)，并保證各同播基站空口發(fā)送幀的時(shí)間對(duì)齊。

因此，新標(biāo)準(zhǔn)下消防無線通信系統(tǒng)只能與公安無線通信系統(tǒng)共用機(jī)柜、電源、基站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等資源。從檢修維護(hù)、資源共享等角度出發(fā)，新建線路的消防無線通信與公安無線通信可按照基站分別獨(dú)立建設(shè)，室分天饋、區(qū)間漏纜系統(tǒng)、直放站完全共享的方式建設(shè)。

按照國(guó)家應(yīng)急管理部的頻率規(guī)劃，西安地區(qū)固定站使用Gd2頻率組，包含有51和139兩個(gè)頻道號(hào)對(duì)應(yīng)的2對(duì)頻點(diǎn)，共4個(gè)邏輯信道。結(jié)合《地鐵設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》，新建線路消防無線通信系統(tǒng)基站應(yīng)按照2載頻配置，共提供1個(gè)控制信道和3個(gè)業(yè)務(wù)信道。消防人員在進(jìn)入地鐵的地下部分時(shí)，可自動(dòng)過渡到地下為無線網(wǎng)進(jìn)行通信[8]。

對(duì)于大型車站和長(zhǎng)大區(qū)間引入直放站系統(tǒng)用于信號(hào)的延伸覆蓋，采用寬頻(同時(shí)支持350 MHz和370 MHz頻段)模擬光纖直放站，同時(shí)對(duì)公安無線信號(hào)和消防無線信號(hào)進(jìn)行放大。

3 不同換乘站形式下消防無線基站設(shè)置

西安市地鐵8號(hào)線是西安地鐵線網(wǎng)中的環(huán)線，其中有18座換乘站。針對(duì)不同類型的換乘形式，公安消防通信設(shè)備機(jī)房的設(shè)置方式存在差異。8號(hào)線部分換乘站公安消防通信設(shè)備用房的設(shè)置情況如表1所示。

表1 8號(hào)線部分換乘站形式Table 1 Forms of some interchange stations on Line 8

對(duì)于通道換乘方式，新線側(cè)車站相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)車站，新設(shè)有公安消防通信機(jī)房。在新機(jī)房?jī)?nèi)，設(shè)2載頻消防無線基站和公安2載頻無線基站，信號(hào)合路后與地鐵TETRA系統(tǒng)共享室分系統(tǒng)和漏纜，完成新線側(cè)站內(nèi)和區(qū)間的覆蓋。

對(duì)于同臺(tái)換乘/L型換乘/T型換乘方式，新線新增設(shè)備安裝在既有線的公安通信機(jī)房?jī)?nèi)，新線側(cè)區(qū)域覆蓋有3種方式。

方式1：對(duì)既有基站擴(kuò)容。將既有的公安消防3信道機(jī)全部調(diào)整為公安PDT工作模式，同時(shí)新增消防無線2信道機(jī)及BDS/GPS時(shí)間同步單元。通過引入寬頻光纖直放站系統(tǒng)，將5載頻信源引至換乘站新線側(cè)的地鐵專用通信機(jī)房?jī)?nèi)，與地鐵TETRA系統(tǒng)集群調(diào)度系統(tǒng)合路，完成新線站內(nèi)及區(qū)間覆蓋。

如圖2所示，該方式的優(yōu)點(diǎn)在于無線鏈路預(yù)算不受站型及新老機(jī)房間距的影響。由于光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)的最大輸出功率為40 dBm，承載5載頻時(shí)B點(diǎn)信源功率最大為33 dBm/載頻。該方式缺點(diǎn)在于要將既有線的窄帶直放站設(shè)備同步改造為寬頻光纖直放站設(shè)備，否則既有線區(qū)間就沒有370 MHz信號(hào)覆蓋。

圖2 擴(kuò)容方案系統(tǒng)組網(wǎng)Figure 2 Schematic of capacity expansion scheme

方式2：新設(shè)公安及消防基站。在既有線機(jī)房?jī)?nèi)，新設(shè)一套2載頻消防無線基站及一套2載頻公安無線基站，信號(hào)在柜內(nèi)合路后，通過射頻饋線接入新線側(cè)專用通信設(shè)備室內(nèi)，與地鐵TETRA系統(tǒng)集群調(diào)度系統(tǒng)再合路，完成新線站內(nèi)及區(qū)間覆蓋。

如圖3所示，考慮到7/8射頻饋線百米傳輸損耗典型值為2.3dB@370MHz，新設(shè)消防無線基站與新線專用通信設(shè)備室內(nèi)的POI合路器間距為300 m時(shí)，僅饋線損耗達(dá)7 dB；再計(jì)入柜內(nèi)合路及接頭跳線綜合損耗2dB，即當(dāng)基站滿功率45 dBm輸出時(shí)，B點(diǎn)信源功率最高可達(dá)36 dBm/載頻。

圖3 L型換乘站基站安裝位置Figure 3 Base station locations in L-type interchange station

方式3：如圖4所示，相比于擴(kuò)容方案，新設(shè)基站后的B點(diǎn)信源功率有了3 dB的提升，覆蓋能力得到增強(qiáng)?？紤]到新增4載頻基站的投資額數(shù)倍于直放站系統(tǒng)設(shè)備，在兩者均能滿足系統(tǒng)覆蓋需求的前提下，擴(kuò)容方案更為經(jīng)濟(jì)合理。但模擬直放站系統(tǒng)的引入，會(huì)導(dǎo)致基站上行底噪抬升，有造成系統(tǒng)上行鏈路受限的風(fēng)險(xiǎn)，所以需進(jìn)一步定量分析擴(kuò)容方案的適用范圍。

4 復(fù)雜場(chǎng)景模型下的鏈路預(yù)算

以圖中的L型換乘站為例，對(duì)于站內(nèi)25副天線組成的室分天饋系統(tǒng)，設(shè)定單天線覆蓋半徑20 m、移動(dòng)終端邊緣接收?qǐng)鰪?qiáng)工程經(jīng)驗(yàn)值-85 dBm時(shí)，若B參考點(diǎn)POI輸入功率不小于32 dBm，則末端天線口功率值可有效控制在0～15 dBm范圍內(nèi)，普通規(guī)模車站內(nèi)的覆蓋一般不存在瓶頸。因此，考慮覆蓋方案是否合理主要集中于兩點(diǎn)：一是區(qū)間因?yàn)楦采w距離過短，是否會(huì)造成額外增加直放站；二是下行覆蓋滿足要求時(shí)，是否上行鏈路預(yù)算受限而造成系統(tǒng)不可用。

現(xiàn)選取極端應(yīng)用場(chǎng)景，建立鏈路預(yù)算模型：當(dāng)手持移動(dòng)終端位于以80 km/h速度運(yùn)行的車廂內(nèi)且車內(nèi)人員密度較大時(shí)，分析擴(kuò)容既有基站并引入直放站系統(tǒng)方案中的換乘站新線區(qū)間下行鏈路的覆蓋效果，鏈路預(yù)算如下：

式中：Pin_POI為POI合路器輸入功率，直放站系統(tǒng)承載5載頻且考慮1dB回退，按32 dBm/載頻計(jì)列；POI_DL為以POI輸入端為起點(diǎn)的下行鏈路總損耗；L_POI為POI插損，當(dāng)設(shè)備類型為2進(jìn)1出時(shí)，取值1.5 dB；Lp為人體及行李等附加損耗，取值6 dB；Lsp為隧道內(nèi)漏纜安裝寬度因子，4 m距離時(shí)，取值3 dB；Lb為車體損耗，地鐵8號(hào)線為A型，車取值9 dB；Lcou6為6 dB耦合器的直通損耗，取值1.5 dB；Ldiv4為4功分器插損，取值6.5 dB；Lcable為基站到區(qū)間漏纜接頭之間的7/8″射頻電纜總損耗，路由按照100 m時(shí)取值2.3 dB；Lm_co為漏泄同軸電纜耦合損耗，取值74 dB；Lm_trans為漏泄同軸電纜單位長(zhǎng)度傳輸損耗，取值1.3 dBm/100 m；S_UE為系統(tǒng)設(shè)定的終端接收邊緣場(chǎng)強(qiáng)，一般選值為–85或–90 dBm。

當(dāng)S_UE設(shè)定為–85 dBm時(shí)，代入式(1)，得到消防無線信號(hào)在單側(cè)漏泄同軸電纜中的最長(zhǎng)傳輸距離1 015 m。以80 km/h列車運(yùn)行時(shí)速下跨小區(qū)切換時(shí)間10 s為限計(jì)算重疊帶，即站間距超過1.8 km的區(qū)間需要增設(shè)直放站。

當(dāng)S_UE設(shè)定為–90 dBm時(shí)，代入式(1)，得到消防無線信號(hào)在單側(cè)漏泄同軸電纜中最長(zhǎng)傳輸距離1 400 m。列車以80 km/h運(yùn)行時(shí)速下跨小區(qū)切換時(shí)間10 s為限計(jì)算重疊帶，即站間距超過2.5 km的區(qū)間需要增設(shè)直放站。

8號(hào)線的站間距均小于2.5km，因此設(shè)定–90 dBm為邊緣場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案更為經(jīng)濟(jì)合理。

5 直放站系統(tǒng)對(duì)工程設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響

下面進(jìn)一步分析直放站系統(tǒng)對(duì)于基站接收機(jī)底噪抬升的影響，判斷上述結(jié)論應(yīng)用于系統(tǒng)上行鏈路的局限性。該場(chǎng)景假設(shè)換乘站既有的3載頻基站已經(jīng)掛有1近(端機(jī))4遠(yuǎn)(端機(jī))直放站系統(tǒng)。在8號(hào)線建設(shè)時(shí)，對(duì)既有基站擴(kuò)容至5載頻后額外引入新的2近5遠(yuǎn)直放站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)完成新線側(cè)站內(nèi)及相鄰區(qū)間的覆蓋，因此擴(kuò)容后基站總共掛有3近9遠(yuǎn)直放站系統(tǒng)。

假設(shè)直放站上行噪聲系數(shù)為7，則包含有N臺(tái)遠(yuǎn)端機(jī)的直放站系統(tǒng)的上行綜合噪聲系數(shù)NFN為

當(dāng)N=9時(shí)，NFN為16.54 dB。ePDT基站接收機(jī)帶內(nèi)底噪計(jì)算[9]如下：

式中：k為波爾茨曼常量，取值1.38×10–23J/K；T為常溫下的開爾文溫度，取值300 K；B為ePDT系統(tǒng)的載頻間隔[10]，取值12.5 kHz；Nd為系統(tǒng)帶內(nèi)熱噪聲，dBm；NBS為基站接收機(jī)的噪聲系數(shù)，取值7。

由式(4)可得，ePDT系統(tǒng)在12.5 kHz帶內(nèi)熱噪聲為–133 dBm，而基站接收機(jī)帶內(nèi)底噪Ni為–126 dBm，即2.51×10–13mW。將式中的NBS替換為NFN，則9個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)的直放站系統(tǒng)底噪為–116.46 dBm，即22.6×10–13mW。從有利于基站解調(diào)的角度來看，直放站系統(tǒng)上行增益為0dB更有利于覆蓋。那么基站側(cè)總底噪為基站和直放站的底噪之和，即25.11×10–13mW，等效為–116 dBm，此時(shí)由于直放站的引入，導(dǎo)致基站底噪抬升約10 dB。圖5為類推出的不同數(shù)量遠(yuǎn)端機(jī)對(duì)于底噪抬升的影響。

圖5 遠(yuǎn)端機(jī)數(shù)量對(duì)于上行鏈路底噪的影響Figure 5 Influence of the number of remote units on the uplink noise floor

根據(jù)PDT系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)[10]，ePDT基站設(shè)備共道抑制為12 dB，工程上計(jì)列3 dB余量，可按15 dB計(jì)列系統(tǒng)的C/I(載干比)。因此，引入9臺(tái)直放站遠(yuǎn)端機(jī)的ePDT基站解調(diào)靈敏度惡化為–101 dBm。

終端標(biāo)稱發(fā)射功率33 dBm時(shí)，上行鏈路總損耗為134 dB。若基站下行按照45 dBm滿功率輸出，而邊緣場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)為–90 dBm，則下行鏈路總損耗為135 dB，此時(shí)上行鏈路受限，需重新設(shè)定系統(tǒng)邊緣場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)要大于–90 dBm。

換乘站新線側(cè)通常新設(shè)TETRA基站，考慮到與ePDT系統(tǒng)共用室分天饋和區(qū)間漏纜，TETRA基站配套所用的800 MHz直放站遠(yuǎn)端機(jī)數(shù)量一般少于5臺(tái)，此時(shí)TETRA系統(tǒng)上行鏈路底噪抬升約8 dB，受底噪影響程度比ePDT系統(tǒng)要小。

6 結(jié)論

研究結(jié)果認(rèn)為，換乘站按擴(kuò)容改造既有基站并引入寬頻模擬光纖直放站的方式，進(jìn)行消防無線370 MHz ePDT系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為經(jīng)濟(jì)合理。通過量化分析進(jìn)一步明確如下：

1) 考慮到換乘站規(guī)模較大，建議將既有350 MHz公安及消防無線基站全部調(diào)整為公安無線基站。同時(shí)，擴(kuò)容增加370 MHz頻段的2載頻及時(shí)間同步單元，用于消防無線數(shù)字集群同頻同播。

2) 在基站擴(kuò)容改造后，若其下掛的直放站遠(yuǎn)端機(jī)數(shù)量不超過9臺(tái)時(shí)，系統(tǒng)邊緣場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)設(shè)定高于–90 dBm；若系統(tǒng)所需遠(yuǎn)端機(jī)數(shù)量多于9臺(tái)，應(yīng)重新計(jì)算底噪，相應(yīng)升高系統(tǒng)邊緣場(chǎng)強(qiáng)的設(shè)定值，以確保上行鏈路不受限。

3) 考慮到上下行鏈路的預(yù)算平衡及后期網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，建議系統(tǒng)邊緣場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)指標(biāo)定在不小于–85 dBm較為穩(wěn)妥，且不會(huì)對(duì)合路的TETRA系統(tǒng)造成影響。