简述数字集群通信系统在地铁通信中的应用

时间：2024-07-28

王永明（中国铁路通信信号上海工程局集团有限公司，上海 200436）

随着国内各大城市轨道交通的发展，城市轨道交通建设在全国各大城市如火如荼的进行。地铁交通处在一个复杂及特殊的工作环境，因此地铁通信也有许多特殊功能要求。无线通信作为地铁通信的重要组成部分，具有自身的特点及特殊性。而数字集群通信是一种共享资源、向用户提供优良服务的多用途、高效能的先进无线电指挥、调度系统，其在轨道交通无线调度中得到了广泛应用。本文以北京地铁五号线通信系统工程为例，简单论述数字集群通信系统在地铁通信中的应用。

1 工程概况

北京地铁五号线全长27.78 km，设车站23座。其中地下线车站16座（宋家庄站—惠新西街北口站）；地面线车站1座（立水桥站）；高架线车站6座（大屯路东站—天通苑北站）。本线设控制中心（小营）一座，车辆段（太平庄）1处和停车场（宋家庄）1处。无线通信系统为地铁行车提供通话、呼叫、数据传送、辅助业务的功能及网络管理功能。

地铁五号线无线系统覆盖范围为全部地下车站和隧道区间、全部地上车站及线路、车辆段及停车场区域。地下车站的站厅、出入口采用室内天线进行场强覆盖，地下车站的站台及隧道区间采用漏泄同轴电缆（简称漏缆）进行场强覆盖。地上车站及线路、区域采用室外天线进行场强覆盖。

2 应用方案

本工程无线通信系统采用800 M频段陆地集群无线电（TETRA）数字集群设备，TETRA数字集群通信系统是一种基于数字时分多址（TDMA）技术的专业移动通信系统。该系统可在同一技术平台上提供指挥调度、数据传输和电话服务。该系统包括5个子系统：行车调度、防灾调度、车辆段值班调度、停车场值班调度和维修调度。系统采用摩托罗拉公司的TETRA设备。本工程无线通信系统在沿线的16个地下车站设置16套集群基站，地面区域设置3套集群基站，即宋家庄停车场、立水桥站、太平庄车辆段各设置一套集群基站。全线共设置19套集群基站，完成对全线车站、区间、车辆段及停车场的无线场强覆盖。因立水桥站基站覆盖区域较大，经场强测试将一对光纤直放站设置在立水桥站（近端机）及大屯路东站（远端机），利用光纤传输信号至大屯东路，信号进行光电转换后通过天线对此区间进行场强覆盖。

数字集群移动台在通话过程中从一个基站覆盖区进入另一个基站覆盖区时，会自动进行越区切换。列车从一端开出，从一个站驶向另一个站时，机车车载台也会面临越区切换，越区切换时间不大于500 ms，由于时间很短从而不会使通话中断。从始发站到终点站将经历多次越区切换。因此，无线通信系统如何保障快速可靠的越区切换过程，使话音通信和数据通信能够不中断，这对于行车调度的顺利进行将是至关重要的因素。

TETRA标准定义了5种切换类型，分别为：非声明型切换、非通知型切换、3类通知型切换、2类通知型切换、1类通知型切换。在3类通知型切换中，TETRA标准采用2个门限值，当移动台需要转换基站时，在比较高的门限值，基站被认为是可以改善的，如果无线移动台找到另一个基站提供的信号高于这个门限值一个事先选定的值，它会转换到新的基站。在低门限值，基站被认为是必须放弃的，无线移动台必须转换基站来避免由于信号进一步恶化而带来的通信质量损失。

北京地铁五号线工程采用两根漏缆在隧道中间直接连通的连接方式，此种方案的优点：在越区切换前后信号均较强，越区切换平稳；缺点：切换点不可控。地铁五号线曾出现移动台在下一站车站进行越区切换的现象，经研究发现为隧道区间较短，上一站信号经直通漏缆传输至下一站车站后才降低至切换门限电平以下，最终采用降低基站发射功率、调高切换门限电平值的方式将切换点调整至隧道中部。还有一点需要注意，在使用隧道间漏缆直接连通的方式时，依次排列的A、B、C三站中，除B站与A、C两站信号不能相同外，A、C两站信号也不能相同。否则，当A、C两站信号相同时，如果基站发射信号较大，容易在B站造成越站或同频干扰。

数字集群系统为提高系统的可靠性和性能，摩托罗拉TETRA系统基站间采用全球定位系统（GPS）同步方式。本工程地下集群基站采用3点引入GPS信号、通过GPS光收发模块向附近其他地下站传送GPS同步信号。16个地下无线基站从3个点集中引入GPS信号，分别是天坛东门站、东单站、雍和宫站。每个GPS信号引入点为4～5个地下无线基站提供同步信号，其中天坛东门站负责宋家庄站、刘家窑站、蒲黄榆站、磁器口站GPS信号的传送，东单站负责崇文门站、灯市口站、东四站、张自忠路站、北新桥站GPS信号的传送，雍和宫站负责和平里北街站、和平西桥站、惠新西街南口站、惠新西街北口站GPS信号的传送。

在小营控制中心设置集群移动通信系统无线交换控制设备，无线交换控制设备与基站采用星型连接，完成不同基站覆盖区内用户的交换和接续。小营控制中心同时设置集群网络设备及网络管理设备，以完成系统参数和用户参数的设置管理及系统设备故障告警、事件存档记录的功能。全系统共需调度台5台：在小营控制中心设置1台行车调度台，1台防灾调度台和1台维修调度台；在车辆段设1台车辆段值班调度台；在停车场设置1台停车场值班调度台。值班员通过调度台实现以下功能：组呼、私密呼叫（即单呼）、紧急呼叫、紧急呼叫、遇忙排队和回叫等基本功能，以及系统管理、录音管理等。

3 降级备用

本工程的无线通信降级备用系统是首次在城市轨道交通线路上使用，无线通信降级备用系统安装在太平庄车辆段信号楼通信设备室，备用行车调度台和备用维修调度台安装在该信号楼备用中心的调度室内。其系统构成及工作原理：利用数字集群系统基站的单站集群模式，备用通信方案采用单站集群模式下的降级工作系统，这种系统能够满足行车调度对列车司机的基本通话需求及维修调度的基本通话需求。降级系统结构如图1所示。

降级系统的工作模式：当交换中心不能正常工作或无交换中心时,所有基站将进入单站集群工作状态,在每个基站的覆盖区内设置一部特殊的用户台（称作基站接入电台）,从基站侧来看这个用户台具有与其他用户台相同的功能，能够与同一基站下的用户进行通信；从操控角度来看,接入电台的所有操作都能在备用中心进行远程操作和控制。这样，在备用控制中心就能与所有基站覆盖区内的用户进行通信。

在降级集群模式下，为了使调度员了解线路上列车的运行状况，提高行车安全和工作效率，在备用中心配置了一套计算机辅助设计（CAD）计算机调度系统。CAD调度系统采用客户端/服务器模式，是一套由硬件设备和软件构成的计算机网络。CAD服务器为主机，各个调度台为客户机，主机与客户机之间通过局域网连接。CAD调度系统可以向调度员提供一个降级集群模式下的直观、简便、操作性强的中文操作界面，结合音频接口设备完成调度指挥工作；另外，CAD系统还可以接收自动列车监控系统（ATS）提供的列车位置信息和时钟系统提供的统一时间信息，可实现调度系统的增强功能。