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无线集群通信在地铁调度中的应用

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文章出处:责任编辑:人气:-发表时间:2015-05-08 17:00:00

一、概述

无线集群通信是一种智能化的无线频率管理技术。集群系统的本质是允许大量用户共享少量通信信道和虚拟专网技术。其工作方式与移动电话系统相似,由一个交换控制中心根据需要,自动为用户指定无线信道。其不同点在于集群通信以组呼为主,用户之间有严格的上下级关系,用户根据不同的优先级占用或抢占无线信道,呼叫接续要快(300ms~500ms),且以单工、半双工通信为主要通信方式。

二、无线调度通信技术基础

1、无线调度通信系统的组成

无线调度通信系统与公众移动通信网的组成十分相似。无线调度通信系统包括:移动交换机、归属用户数据库(HDB-HomeDataBase)、访问用户数据库(VDB-VisitedDataBase)、鉴权服务器(AUS)、网管服务器(NMS)、基站控制器(BSC)、基站(BS)、移动台(MS)、固定台、调度台等。

2、无线调度通信的通信方式

公众电话网的用户之间均采用全双工通信方式,而在无线调度通信中,其无线终端带有PTT(PushToTalk)发送讲话键,按下PTT键时打开发信机关闭收信机,松开PTT键时关闭发信机打开收信机。可以采用单工、半双工、全双工三种通信方式。

(1)单工:甲方呼出乙方(乙方多数为一组用户),甲方按下PTT键讲话,乙方接听(接听用户无需操作)。单工方式下每个移动台只占用一个无线信道(发送占用上行无线信道、接收占用下行无线信道),多数用于组呼。在组呼中,同一基站的通话组成员,可共用一个下行无线信道进行接听。

(2)半双工(准双工):甲方呼出乙方,按下PTT键讲话,乙方接听;乙方按下PTT键讲话,甲方收听,甲乙双方不能同时讲话。半双工方式下每个移动台只占用一个无线信道(发或收),可用于组呼和选呼。

(3)全双工:移动台在全双工通信方式下,收发信机同时打开,故甲乙双方允许同时讲话。全双工方式下每个移动台同时占用收、发2个无线信道,多数用于移动台用户与公众电话网用户之间的通信。

由上可见,采用单工与半双工通话可以节省无线信道资源,并降低无线终端设备的耗电。

3、专网调度与集群调度

(1)专网调度

一个调度专网配置一组专用载频,即使载频空闲,其它专网亦不能使用。若一条地铁线路建立了行车调度、维修调度、防灾调度、公安调度等专网,则各专网的设备与所分配的载频不能互相通用。

(2)集群调度

集群调度将几个专网合并,共用一组公共载频,建立一个集群调度网。在集群调度网中各专网以虚拟专网的形式存在,各虚拟专网拥有自己的调度台与移动台,用户并不感觉到其它虚拟专网的存在。这样,各虚拟专网可以共享公共载频资源。

与专网调度相比较,集群调度具有共用频点、共用设施(移动交换机、基站等)、共享覆盖区、共享通信业务、分担费用等优点。

三、无线集群的地铁应用

1、概述

地铁的无线集群通信系统为控制中心调度员、车辆段调度员、车站值班员等固定用户与列车司机、防灾、维修、公安等移动用户之间提供通信手段。系统必须满足行车安全、应急抢险的需要。目前,地铁无线集群通信系统均采用TETRA数字集群通信系统组网。

在地铁中的调度网通常包括行车调度网、维修调度网、环控调度网、车辆段调度网和防灾调度网5个无线调度专网。

在TETRA数字集群系统中,各调度网以虚拟专网的方式存在,互相独立,互不影响。各调度网共享频点和基站设备,提高了频率资源的利用率,节约了设备投资。地铁中的无线数字集群系统还与信号系统(ATS)相配合,为调度台与车载台提供列车的位置与状态信息。

TETRA分机间具有脱机对讲功能(相当于对讲机)。在司机与调度不能正常通话的紧急情况下,利用该功能,司机可直接呼叫车站值班员,起到应急通信的作用。

TETRA集群系统采用单工、半双工为主要通信方式,只有按键讲话(PTT-PushToTalk)时才占用无线信道,节约了无线资源和终端耗电。该系统具有选呼、组呼、列车广播、优先呼叫、强拆、强插、调度通话录音、后台监听等功能。

目前,我国地铁所使用数字集群系统为MOTOROLA和欧洲宇航EADS(原NOKIA)的产品。

2、组网方式

在地铁通信的一条线路中,可采用大区制、中区制、小区制组网。

(1)大区制

全线路只在一个车站设置基站,全线其它车站均设置直放站。大区制的特点为:不存在越区切换问题、工程造价低。其缺点为:可靠性较低、存在多径干扰的场点较多、单基站载频有限、扩容受到限制。

(2)中区制

在少数几个车站设置基站,全线其它车站均设置直放站。中区制的特点为:频率资源利用率较高、越区切换频次较少、干扰较少、系统可靠性较高、工程造价较低、扩容灵活方便。

基站与直放站的链接,可以采用同轴漏泄电缆链接与利用地铁传输网链接二种方式。

(3)小区制

在每一个车站设置基站,地铁中非相邻基站载频频率一般允许进行空间复用。小区制的特点为:频率资源利用率高、越区切换频次多、干扰少、系统可靠性高、工程造价较高。

近年来,基站价格下降,开始接近直放站的价格,故目前新建地铁的无线集群通信系统釆用小区制组网方案逐渐增多。

3、无线场强覆盖范围

地铁集群通信系统的无线场强覆盖范围包括:地铁运行线路全线各车站的站台、站厅及区间隧道或地面及高架线路,以及整个车辆段地面区域(含检修库、运用库等),可以采用如下方式进行场强覆盖。

(1)沿线隧道、地面及高架运行线路及沿线地下车站的站台区主要采用漏泄同轴电缆辐射方式进行场强覆盖。

(2)沿线地下车站站厅区(含部分出入口通道)主要采用吸顶低廓天线进行场强覆盖。

(3)车辆段、停车场主要采用室外全向及低廓天线进行场强覆盖。

4、地铁对无线集群通信系统的功能需求

(1)无线通信可以为地铁内部固定工作人员与流动工作人员之间提供话音通信、短信息与分组数据通信。系统以组呼为主,也可以提供选呼。

(2)根据业务需要,为中心调度员、车站值班员、车辆段/停车场值班员、列车司机以及各部门流动人员之间提供无线通信手段。

(3)按使用部门或人员进行优先权排队,当业务信道全部占用时,优先权级别高的呼叫可中断优先权级别低的通话,以保证调度作业的正常进行,并确保紧急情况下的指挥、调度。

(4)具有紧急呼叫功能,紧急呼叫的优先权高于所有的呼叫。

(5)中心调度员可插入列车广播,对列车乘客进行选呼广播和全呼广播。

(6)中心调度员可监听本部门调度用户的通话,并对所有通话可以自动或人工录音。

(7)控制中心的无线调度核心网设备具有呼叫记录功能,存储主呼和被呼号码、位置、类型、日期和时间,必要时,可打印输出。

(8)具有设备的自检和中心检测功能。

(9)地面线路和地面车站、车辆段/停车场,采用基站和空间波天线完成工作区域的场强覆盖;地下线路和地下车站采用基站(或直放站)和漏泄同轴电缆(或隧道天线)完成工作区域的场强覆盖。

(10)整个系统由位于控制中心的核心网设备,位于车站的基站设备,以及列车台、各部门便携台和传输通道等组成。

(11)在话音质量为三级的保证条件下,边缘覆盖概率为:系统空间波覆盖的地点概率不小于90%,漏泄同轴电缆辐射电波覆盖的地点概率不小于95%.

四、TETRA数字集群系统

TETRA(TransEuropeanTrunkedRadio)是由ETSI推荐的一个数字集群标准,该标准是个公开的标准。TETRA标准采用TDMA与FDD技术,将一个载频的25KHz带宽分为4个时隙(信道)。TETRA系统集调度、移动电话、移动数传和短消息业务于一体,非常适合专网无线调度使用。

1、TETRA标准

TETRA标准描述了TETRA系统的空中接口与各种外围接口。核心网与基站之间的接口尚未标准化,故TETRA系统的标准化程度,低于公众移动通信系统,造成了一定的设备垄断性。

2、TETRA空中接口

TETRA系统在我国使用806~821MHz(上行)和851~866MHz(下行)频段,和现有的模拟集群通信系统所使用的频段是一致的。该系统采用π/4DQPSK调制方式,其最大相位变化不超过180O,调制频带窄,接收端无需基准相位振荡。

在TETRA系统中,每一个无线电载波,无论是上行或下行链路均划分为4个时隙。每一时隙构成一个无线信道。可用于承载话音/数据业务、控制信令,或两者混合进行传输(随路信令)。

五、无线集群终端

1、车载台

地铁列车前后两端驾驶室各安装一台车载台。该车载台主要由无线收发信机、控制及接口电路、控制面板、话筒、天线等组成。其中无线收发信机、控制和接口电路安装在一个固定的机壳内,控制面板和话筒分别安装在驾驶员座位的左方与右方,天线安装在车顶。驾驶员可以通过操作控制面板的按键,发出通信请求,并通过话筒发话,通过扬声器收听。通过系统与ATS的连接,控制面板显示屏上会显示当前列车位置与车次等信息。

2、车站台

车站台为固定台,配置在每个车站的车控室。车站值班站长可通过车站台与控制中心的行车调度员进行联系,经行车调度台转接可与司机通话。

3、手持台

手持台主要配备给站务人员、维修人员、保安等不固定地点的作业人员。使他们可与相关调度员通话或发起组呼。

这些集群终端的通信功能主要有一般呼叫、紧急呼叫、短信收发、组呼以及调度员通过车载台对列车进行广播等。

六、TETRA产品举例

以下以MOTOROLA企业的TETRA数字集群DimetraIP(DigitalMotorolaEnhancedTrunkedRadioIP)产品为例进行先容。该系统由核心网(MSO)与基站等设备构成。

1、产品特点

(1)全IP技术平台

MOTOROLA于2002年率先推出了基于全IP技术的TETRA核心网。采用IP技术已是现代通信技术发展的一个总趋势。

(2)单站集群

当基站与系统核心网设备之间的链路中断时,基站自动进入单站集群模式,其覆盖区内的移动用户无需任何操作,将继续享用集群模式的服务。原有的通话组保持不变,仍具有组呼、优先级、紧急呼叫等基本集群功能。

(3)分布式、模块化结构

DimetraIP采用了软交换技术。其特点是,采用全IP的分布式、模块化结构设计,使得DimetraIP的扩容、升级或增加新的应用非常容易。分布式处理的系统设计也大大提高了系统的处理能力,满足紧急情况下处理大话务量的需求,同时也很好地避免了单点故障的弊端。

(4)与模拟无线调度系统之间的互联互通

DimetraIP系统提供了与模拟无线调度系统之间的互联互通。DimetraIP调度台系统,可以横跨数字的TETRA集群系统和模拟集群系统(如SmartZone),为实现数字系统与模拟系统在过渡期的共存和互通提供强有力的手段。

(5)给二次开发商提供开发接口

DimetraIP系统提供了专网的通用调度功能,这些功能不可能完全适用于所有行业的具体应用。为此,DimetraIP系统提供了二次开发应用编程接口(API)。二次开发商可利用DimetraIP系统所提供API接口,针对某一行业的客户的特殊需求,进行二次开发。

2、核心网的组成

(1)系统交换控制中心(MSO)

A、单机柜节点交换机

单机柜节点交换机,最大可支撑12个基站,36个载频,10000个用户ID码,500个通话组ID码,3个网管终端,8个调度台。

B、三机柜节点交换机

单节点交换机通过硬件和App扩容可从单机柜扩展到三机柜,平滑过渡升级到DimetraIP标准节点交换机。标准节点交换机最大可支撑100个基站,200个载频(700个业务信道),64000个用户ID码,16000个通话组ID码,32个网管终端,500个调度台。

(2)核心网结构

DimetraIP核心网实质上是一个IP局域网。分布在局域网各网络节点中的服务器、数据库、网关、路由器,组成了系统交换控制中心(MSO)。故研制MSO的主要工作量为编制App,这也是将系统交换称为“软”交换的原因。

3、核心网设备

核心网的系统交换控制中心(MSO)设备由可安装在19英寸机架内的下述主要模块组成:

(1)节点控制器(ZC)

节点控制器(ZC-ZoneControler)是整个系统的中心处理设备(相当于软交换平台的软交换设备)。它包括了HLR与VLR数据库;支撑主、备冗余配置。

(2)网管服务器(NMS)

网管服务器(NMS)提供常规网管功能。具有二次开发接口,可拫据用户需求进行二次开发。

(3)核心路由器(CR)

核心路由器(CR-CoreRouter)用于将业务与控制信息路由到基站和远端维护终端,并提供相应的物理接口。核心路由器内置语音业务汇集点,用于将组呼的业务信息进行“复制”。

(4)出口路由器(ER)

出口路由器(ERExitRouter)将符合TETRA互连接口协议的数据流,承载到公众或专用的传输电路上,连接另一个TETRA系统,用以实现跨区域通信。

(5)网关路由器(GR)

网关路由器用于过滤以太网上的所有业务信息,并将其路由到以太网上的相应设备。在以太网中插入网关路由器,具有抑制以太网“广播风暴”的作用。

(6)数据网关(DG)

数据网关(DG-DataGateway)包括:短数据路由器(SDR-ShortDataRouter)和分组数据网关(PDG-PacketDataGateway)。系统可以利用数据网关同时支撑短数据服务和分组数据服务。

(7)电话互联设备

电话互联设备可使移动用户接入外部电话网(PSTN),电话网互联设备包括电话互联网关(MTIG)和回声消除器(EC-EchoCanceller)两个模块。

4、800MHzEBTS基站

基站设备为系统提供无线覆盖,并使无线用户可在系统无线覆盖范围内漫游。DimetraIP系统采用增强型基站(EBTS-EnhanceBaseTransceiverStation)提供TETRA标准的空中接口。

EBTS将来自移动台的话音、数据、信令和网管信息集成到帧中继(FR)的帧中,并承载在一条连接到核心网的PCM一次群(E1)链路中。

一个EBTS基站包括一个基站控制器(TSC)和最多8个基站收发信机。单机柜基站最大载波数量为4个,基站系统最大载波数量为8个(2个机柜)。单个收发信机最大输出功率可达75W,至天线端口基站每载波最大输出功率为25W,输出功率连续可调。基站接收机静态接收灵敏度为-115dBm,动态接收灵敏度为-106dBm。基站供电方式为直流-48V。

EBTS基站在与交换控制中心链路故障时,具有特殊的单站集群功能,具有强大功能的基站控制器将保证基站仍然支撑网络用户注册登记和集群调度功能。

5、DimetraIP调度子系统

DimetraIP调度台采用IP接口直接接入系统核心网,从而成为核心网的一个网络节点。系统将语音信息通过核心网传送到调度台,或由调度台传到核心网。由调度台完成语音的编解码,并在ZC的控制下完成语音和数据的调度。

DimetraIP调度子系统包括:MCC7500有线调度台、音频接口模块(GPIOM)、MCC7500录放音接口服务器和常规信道模拟网关(CCGW)四部分。

(1)MCC7500有线调度台

为配有MCC7500调度应用App的PC机。

(2)调度台音频接口模块(GPIOM)

GPIOM连接调度台计算机语音卡,提供所有的音频输入和输出接口,用以外接送/受话器、录音机等。

(3)常规信道网关(CCGW)

CCGW为DimetraIP系统和常规无线电通信系统(通常指模拟无线调度系统)之间的接口,用以支撑两者之间的通信。为集群系统用户将常规无线电通信系统的信道纳入自己的调度作业范围提供了条件。

七、DimetraIP的二次开发

DimetraIP系统在专业应用中还需进行二次开发。根据地铁的特殊需要,DimetraIP二次开发商需开发的设备或应用App举例如下。

1、CAD调度网络服务器应用App

CAD(计算机辅助调度)调度网络服务器的应用程序,通过接收来自地铁信号系统(ATS)的信息(包括车次号、机车号、司机号、状态和文本等信息),生成各种行车的管理和控制信息。CAD服务器通过应用程序接口(API)连接到集群无线网络。

通过CAD服务器与集群网络的连接,使得无线集群系统的语音调度功能与所需的CAD功能集成到行车调度台。调度员与司机在通话过程中在行车调度台和车载台上显示车次号、机车号和列车位置等所需信息。

通过CAD服务器,行车调度台可获得列车的车次号与实时位置。调度员可进行基于列车车次或位置的呼叫,例如:选呼或组呼某一位置、区段、方向(上下行)的列车。

地铁集群通信系统中把列车车载台分为正线运营列车车载台和车厂列车车载台,分别隶属于行车调度台和车厂调度台。

例如:列车从车辆段进入正线,在车辆段与正线换轨时,ATS通过CAD服务器发送信息给无线集群系统,实现自动触发车载台动态转组。即从车厂调度台列表中删去该列车车号,在行车调度台中增加该列车车号并赋予车次号。

正线运行中对列车司机的呼叫,是通过列车车次号进行呼叫的。在车辆段的列车是没有车次号的,车辆段调度员指挥行车作业时,使用列车固定的机车号进行呼叫。

2、调度功能的开发

利用系统所提供的应用程序接口(API)开发出适合地铁应用新的调度功能,同时它还可与第三方设备(如ATS、时钟系统)相连接,以实现调度台子系统的增强功能,以及调度界面的汉化等。

3、数传调度子系统

数传调度子系统用于系统的数传控制台与车载台之间互通的数据信息。

(1)车载台接收列车数据信息,分紧急信息、列车运行状态信息。

(2)车载台向数传控制台发送三类数据,其中第一类数据每次发送20bit,优先级最高,属紧急信息;第二类数据每次发送60bit,优先级次之,每隔15分钟一次;第三类数据每次发送1kbit,优先级再次,一天一次。

(3)数传控制台接收主控系统接口传送来的第四类数据(控制显示数据)并存储,数传控制台向车载台发送第四类数据信息,每次发送1kbit。车载台接收后,向工控单元(控制字幕卡单元)转送第四类数据,并显示在车载台的屏幕上。

4、数据应用业务的开发

根据客户需求,定制数据应用业务。例如:WAP业务、空中下载业务等。

5、车载台

MOTOROLA提供的通用车载台设备比较适合汽车应用,例如:警车、救护车等,不太适合作为地铁列车的车载台,故需要进行车载台的二次开发。所开发的地铁车载台设备,除了在结构设计、面板设计方面,应考虑到列车车头给车载台所留的安装的尺寸外,还应具有以下特点:

(1)中文界面;

(2)收发中文短消息;

(3)增加数据传送功能;

(4)便于列车司机操作;

(5)提高设备的机械强度、耐久性、高可靠性以及防震、防尘、散热等性能。

6、二次开发的设备

二次开发的设备可以是调度服务器、调度终端、网管服务器及网管终端。

7、二次网管系统开发与集中告警

根据地铁特殊需求进行网管的二次开发,同时提供集成综合网管与告警系统,对TETRA主设备以及第三方设备实现统一管理、维护。

提供友好的人机界面、本地和远端操作、用户分级和权限管理、配置管理、故障管理、性能管理、告警处理等,并根据用户需求开发集中告警系统。

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