TETRA系统在地铁中的应用设计

摘要：根据地铁线路的特点，给出了地铁无线调度通信系统的组成，并对基于摩托罗拉的TETRA(陆地集群无线电)系统应用做出了具体设计，包括系统结构设计、隧道场强覆盖方式的设计、射频信号放大方式的设计。重点介绍了基于IP的TETRA(DIMETRA IP)系统应用的设计，结合实际给出了可靠性设计的具体方案。为了更好的适应地铁通信系统发展，实现对DIMETRA IP系统的二次开发，本文着重介绍CAD服务器的二次开发，使其真正满足地铁用户的需求。
关键词：TETRA；地铁无线调度通信系统；场强覆盖；射频信号；DIMETRA IP

    泛欧集群无线电(Trans European Trunked Radio，TETRA)是当今世界上较为先进的专用移动通信系统，它集调度呼叫、无线电话、短数据、分组数据传输于一体，具有共用频率、共用设备、共享服务区、共享通信业务、分担费用等特点，在公安、消防、铁路等数字集群通信网中有着广泛应用。TETRA系统的呼叫建立时间实际小于0．3 s，在紧急情况下具有快速反应能力。TETRA具有多种指挥调度功能，可以单呼、组呼和广播。TETRA还具备多种加密方式、安全抗毁性高，在脱网情况下，可采用直通通话模式，在高速及嘈杂的环境下仍能保持清晰的通话。

1 TETRA系统
    TETRA现在已改为陆上集群无线电，数字集群通信系统是基于数字时分多址(TDMA)技术的专业移动通信系统，该系统是ETSI(欧洲通信标准协会)为了满足欧洲各国的专业部门对移动通信的需要而设计、制订统一标准的开放性系统。于1988年开始投入，如今已成为欧洲的标准，同时也像GSM一样．获得包含美国在内的欧洲以外国家及地区采用，相当具有发展潜力。
    TETRA数字集群通信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，它不仅提供多群组的调度功能，而且还可以提供短数据信息服务、分组数据服务以及数字化的全双工移动电话服务。TETRA数字集群系统还支持功能强大的移动台脱网直通方式，可实现鉴权、空中接口加密和端对端加密。TETRA数字集群系统同时还具有虚拟专网功能，可以使一个物理网络为互不相关的多个组织机构服务。TETRA数字集群系统具有丰富的服务功能、更高的频率利用率、高通信质量、灵活的组网方式，许多新的应用(如车辆定位、图像传输、移动互联网、数据库查询等)都已在TETRA中得到实现。因此，近两年TETRA数字集群系统在欧洲乃至世界得到了快速的发展。

2 TETRA应用设计
2．1 地铁无线通信系统组成
    地铁无线通信系统的组成如图1所示。

    根据地铁线路的特点，TETRA数字集群通信系统按基站设置方式采用小区制结构。即在控制中心设置交换控制设备，在地铁沿线各车站设置基站，交换控制设备与各基站之间通过有线传输通道连接，地铁沿线架设漏泄同轴电缆，实现全线场强覆盖。小区制的缺点是投资高，列车司机和行车调度员之间存在较多的越区切换；优点是，信道利用率高，系统的弱化故障能力较强，尤其可贵的是能够实现车站值班员与接近列车司机之间无须拨号就能建立的通信联系。
2．2 地铁隧道内场强覆盖方式设计
    地铁区间隧道内射频场强的覆盖方式无外乎两种：采用隧道天线作为辐射源的空间波覆盖方式，以及采用漏泄电缆作为传输线和分布天线的覆盖方式。前者投资省、安装工程量小，但场强覆盖难以控制，会对隧道内的电磁环境产生不良影响，无法为控制越区切换、降低同频干扰等具体问题进行针对性的场强分布精确设计，实际使用先例很少；而后者尽管造价昂贵、施工工程量大，但由于采用漏泄电缆，能够实现对电磁波传播和辐射的严密控制，既保证了自身系统的抗干扰能力，又能降低对其他无线系统干扰的可能性，因此在国内外地铁的建设中均得到了广泛的应用。
2．3 地铁长大区间射频信号放大方式的设计
    采用漏泄电缆实现区间隧道射频信号的场强覆盖，当区间太长时，需在漏缆中间增加放大器对射频信号进行放大。常用的放大器有两种类型：射频直放中继器和采用光纤作为传输媒介的光纤直放站。通过对比两者下行载噪比、上行噪声、可靠性、信号传输时延、延伸距离、级联放大互调影响等，综合考虑实际工作情况，一般采用多基站光纤直放站的结构。该结构的特点是频率资源利用率较高，话务分布较为均匀，能较好地满足群组通信的需求，干扰较少，系统可靠性较高，系统扩容灵活方便。

3 DIMETRA IP系统
3．1 DIMETRA IP系统简介
    DIMETRA IP是MOTO公司推出的最新为轨道交通服务的TETRA通信系统。DIMETRA IP系统采用全新的IP核心交换平台。采用IP核心交换的最大优势是顺应目前最先进的技术及设备的发展趋势，并且在一个IP交换平台实现对话音、数据、控制、网管信息的统一处理，简化了不同功能模块设备之间的连接方式和接口协议。更为重要的是，所采用的基于IP的交换设备可以跟踪最新的IP技术和设备，便于系统扩展和更新。  DIMETRA IP系统引入了将TETRA服务集成到一个基于内部IP的“TETRA over IP”与IP连接使外部应用能够发送和接收IP数据包的“IP over TETRA”的新概念。所有类型的TETRA信息被放置于IP数据包中，并通过IP网络传送：话音、用户数据(短数据，分组数据，状态信息)、控制信息、网络管理信息等；IP over TETRA需要共享的分组数据信道，如同固定IP网络，不同的用户和他们的数据同时共享相同的信道。基于IP网络结构具备很多性能和组网灵活性、可以采用相同的方式承载多种类型信息等方面的优势，使链路交换升级为在交换机内部的IP数据交换。简单快速地建立呼叫、网络的广域覆盖使多条线路可以共享一个DIMETRA IP系统。
3．2 基站和移动台配置
    地铁按小区制配置，在DIMETRA IP系统，此基站称为“进阶型中继站台系统”。每一个基站为个别地点提供无线覆盖，并且每一个车站自成一个小区，无线用户使用TETRA移动台，并通过TETRA空中接口协议与各基站连接。在本系统内摩托方提供MTS4型号基站。在单机柜的配置下可提供最多16个通信频道；在双机柜配置下此基站可提供最多32个通信频道。基站工作频率为800 MHz。同时每一个基站也配置备份基站控制器作为热备份。基站、远端调度台、网管与传输连接每个基站和常规信道模拟网关(CCGW)需要通过传输系统提供的一条E1(2 m)链路连接至交换中心MSO。
3．3 DIMETRA IP系统配置
    DIMETRA IP系统包括下列功能模块：核心子系统(Core Subsystem)、虚拟私有网络(VPN)网关路由器、TETRA无线基站、MCC7500调度设备、网管终端等。在此系统内再增配一些选项并自成系统，如：核心冗余备份子系统(Core Redundancy Subsystem)、电话子系统(Telephony Subsystem)、和分组数据子系统(Packet Data Subsystem)等。
3．4 DIMETRA IP系统的可靠性设计
    为了提高DIMETRA IP系统的可靠性，进行如下设计：
    1)分散式结构  DIMETRA IP的MSO采用分散式的系统结构设计，它由各种不同的功能模块所构成，包括控制、交换、话音、数据、管理。这种分散式的系统结构避免了任何可能的单点故障，由于不同的设备均具备自己的电源单元，相对于整机插卡式机筐的设计来说，具有更高的系统可靠性。
    2)系统级可靠性功能  系统级可靠性由单站集群、控制信道备、信道干扰检测3个功能来实现。
    3)基站的冗余配置  MTS4配备有2个收发信机(BR)，任何一个BR发生故障，不会中断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，则控制信道轮换到其它BR。同时每个基站配置2个TSC(基站控制器)，如果主用TSC出现故障，备用TSC会自动切换并取代故障TSC的工作。

4 无线二次开发的应用
    地铁运营系统是一个专用系统，具有专用系统特殊的一些功能需求。DIMETRA IP系统是一个符合TETRA标准的通用数字集群系统。但是，轨道交通类项目要求系统具备很强的专业调度功能，对于这些功能要求，仅采用标准的TETRA数字集群通信功能是不便于实现简单、快捷和符合实际需求的操作模式的，因此必须通过二次开发，对DIMETRA系统作适应性的改动，才能真正满足地铁用户的需求。
    二次开发子系统主要包含：二次开发CAD服务器、二次开发调度台、二次开发按键式控制台、二次开发车载台、二次开发固定台、二次开发网管等。这里只重点介绍二次开发CAD服务器。
    CAD服务器是二次开发调度子系统的核心部分，它和调度台是服务器／客户端配置。调度CAD服务器一方面为调度台提供集中接入服务，接收信号系统ATS信息和时钟信息，为所有应用提供集中的车次号、列车位置等数据，并保持计算机终端之间的时间同步：另一方面作为各类调度信息的数据库，供各调度台使用。运行过程中，行车调度、车辆段调度和停车场调度需要与调度CAD服务器交换行车信息。为了保证系统的稳定性和高可靠性，调度CAD服务器采用双机冗余热备形式，具备防死机功能。在功能相对简单的移动台上便捷的实现了调度台的基本功能，从而既降低了项目配置成本，同时保证了调度台的冗余需求，为TETRA系统在调度系统的应用上提供了一个新的思路和方向。CAD调度子系统的组成如图2所示。

5 结束语
    TETRA数字集群通信系统是国际上先进的专用数字调度通信系统，也是我国推荐采用的数字集群通信制式之一，符合未来专用调度系统的发展方向。本文给出的TETRA无线集群通信系统在地铁中的应用设计既借鉴了以往同类项目的成功经验，同时在如何将系统功能更好的应用于轨道交通领域提出了新的需求和实践。