孙铭
64032319840824****
摘 要 为保证轨道交通行车安全，防止和及时处理意外事故，提高列车调度指挥、运营维护管理以及防灾救援通信联络的手段，西安地铁十四号线工程（北客站~贺韶村）应建立专用无线通信系统。结合陕西城际铁路机场线电气化工程的施工，针对无线通信系统施工、调试出现的问题进行详细的分析，提出部分方案。
关键词 无线通信 数字集群 国产化
1 前言
在西安市地铁14号线一期工程建设中，一期工程是从北客站到贺韶村站，该线路会连接未央、产霸和港务区，14号线会延长至开发大道，穿过学府中路，到向东路，铺设的线路总长达到13.596公里。地铁线路全部在地下铺设，总共有8站，一共有3个换乘站。在14号线中，车站间最大距离为3.216公里。其中在14号线中，学府路与尚贤路区间段的距离最小，仅为1.147公里。14号线会设置停车场座，在贺朝村来建设停车场，该停车场是位于港务区向东路北部和港务中路东部的地块之内，同时，在14号线还会设置变电所，1个控制中心，与机场线共享，14号线与机场线（北客站-机场线）贯通运营。
使用无线通信系统，在地铁运营调度工作现场，调度员停车场值班工作人员和司机人员维护人员及车站内部勤务人员、环卫工作人员会直接提供语音数据信息服务，进一步改善现有服务质量，能够应对突发性事件，保证车辆正常稳健的运营。
2 无线通信
2.1 无线通信的作用
根据西安地铁14号线一期工程的地铁列车运营要求，在线路内，可以建设无线通信系统平台，系统平台会包含使用正线的无线调度通话组和停车场内的通信通话组。在正线通信子系统内部就会包含行车无线调度。通讯设备及环卫和维修等相关的通信系统，通信系统搭建，有秉持着安全可靠性原则，能够快速传递信息，使用的技术是国内最先进技术，要考虑到系统建设与其他子系统之间的连通和扩展性。
2.2 系统功能
系统应具有以下主要功能：
（1）呼叫功能
无线用户根据需要可设置不同类型的呼叫方式，主要包括选呼、组呼、群呼及紧急呼叫等。
（2）通话功能
能实现无线用户（含调度员、车站值班员、司机等）之间及无线用户与有线电话之间的通话。
（3）优先级功能
网络管理终端能对所有无线终端设置个人优先级和通话组优先级。
（4）数传功能
可在控制信道上传送短数据，也可在语音信道上传IP数据。
（5）广播功能
控制中心调度员可通过调度台直接对全部或部分列车进行广播。
（6）录音功能
能够记录调度员的所有通话信息。
2.3 方案比选
2.3.1系统技术方案分析及比选
1）技术体制比选
当前全国各大城市的轨道交通专用无线通信系统的建设，普遍选取TETRA数字集群通信体制。这也是在我国城市轨道交通发展初期经过大量的分析对比、研究论证而选定的轨道交通无线通信技术体制。TETRA数字集群通信系统频谱利用率高，技术成熟完善，其强大的调度通信功能非常适合用来组建轨道交通专用无线通信系统。
宽带成为了未来通信业发展的必然趋势，在地铁运营方面，使用宽带设施设备能够提高数据传输的稳定性、安全性，在现场可以采集图像信息、视频信息，而且可远程监控，通过视频指挥及利用多媒体、数据广播，可促进现有的窄带逐步向宽带发展。目前各主流设备厂商已经推出基于TD-LTE的宽带数字集群通信系统解决方案。该方案具有我国自主知识产权、高安全性、技术先进，已逐渐受到各轨道交通建设方的关注，但也存在着设备生产标准不统一、不同厂商间设备互操作性不足、系统验证时间短等问题。
考虑到十四号线建成后与机场线贯通运营，因此，本工程暂推荐与机场线一致的专用无线通信系统方案，即采用TETRA窄带数字集群通信技术承载专用无线调度业务，同时关注TD-LTE技术承载集群通信的技术发展情况，在下一阶段设计过程中，依据各无线技术演进及市场发展情况，最终选择安全、可靠、成熟的无线通信技术作为专用无线通信系统解决方案。
2）基站组网方案比选
结合地铁轨道交通运行线路的特征。使用数字化的通信系统，要根据不同的站点的布置方式来使用不同的结构。
①小区制。在地铁列车控制中心内部，要放置监控设施，在地铁沿线各个车站组建基站，能够实现交控设备与基站之间数据连通。利用有线电缆方式来连通，地铁线路上架设，使用同轴电缆，还要利用空间波，会实现对整个运输场地全覆盖，小区型的缺点就是投资资金较高，司机与调度员之间的通话较多会存在着多区的切换，但是该优点就是可以充分利用宽带内部的信道，而且整个设备故障率偏低。
②中区制。在列车的控制中心安装监控设施，在14号线沿线重要车站都要设置基站，还要放置光纤直放站，交控设施与各基站之间可通过使用有线传输通道来连接。在14号线架设同轴电缆，在中区内部，设施设备光缆信道，使用越区切换次数及设备故障处理能力是介于大区和小区中间地带。
③大区制。在地铁列车控制中心上，要设置交控设施和基站，在14号线车站，都要安放光纤直放站，之后在14号线还要建设同轴电缆，实现对车站内全场覆盖。大区制优点就是投资资金少，司机与调度员之间的通话不会存在着越区切换的现象，但是该缺点主要是信道的使用效率偏低，故障处理能力偏弱。
通过对以上系统结构进行分析发现，14号线可以采取使用小区的结构，来建立起无线通信结构特征，对频率资源利用效率更高，而且基站分布比较均衡，可以满足不同人员的通信要求，受到外界的干扰较少，整个系统更加高效稳健，系统扩容更加灵活便捷。
3）中心设备配置方案
十四号线一期工程在各车站、停车场设置TETRA集群基站，并对机场线已建设的集群交换控制设备（MSO）进行扩容改造，满足十四号线一期工程TETRA集群基站的接入需求。控制中心设备到各基站之间利用传输系统所提供的传输通道星状连接。同时，在控制中心十四号线一期工程共享机场线设置的调度台，并根据行车组织需要增设必要的行车调度台。
4）无线场强覆盖方式
14号线项目建设，无线系统要扩大，无线覆盖范围包含的控制中心大楼和各站台及运行线路全线。那个展厅区间和停车场各项区域，包含了列列车检查维修场所，在14号线沿线隧道区域内，部分车站站台上，可以使用泄漏同轴电缆的铺设，来实现全场的通信覆盖。在岛式站台的信号覆盖度不足的状况下，就可以使用室内天线增强覆盖面积。在沿线车站上可使用室内天线线来实现强覆盖，在停车场，还有部分区域内，可以使用室外天线来实现全场的覆盖。对于运用库可以使用低波天线来进行全覆盖。
2.3.2推荐方案系统构成
1）系统组成
在14号项目的建设中，使用专用型的无线系统，要通过利用控制中心，使用机场集群监控中心设施设备，并在各个车站都安放 TETRA的集群基站设施设备，各基站可以通过使用传输系统来提供信息的传输通道，及空中先进行移动的交换控制。14号线一期工程，共享机场线设置调度台，可根据行车组织需要，增设必要的通信站。在停车场内的值班员，可以在远程调度台上，控制地铁列车的运行，而且沿线移动作业人员可以配备便携台，在车站值班员，要配备一定的车站固定台，列车安装车载台，而形成一个以行车调度为主的多个子系统，并存的列装式的专用通信网络。
2）系统容量
容量设计的过程是根据话务量预测的结果以及用户要求的服务质量等级，设计计算（查表计算）出所需的信道数（载频数）的过程。
①话务量估算
a.每个车站及所属区间话务量估计
每个车站及所属区间调度与司机话务量估计
每一个列车车载台上一些线路，各车站及各区段调度工作人员与列车司机的多次通话，每次通话时间会长达十秒，而且会发送短消息，每次发送时间可以0.1秒。发送数据为两次，每次发送为0.33秒。在14号线车站，高峰期每个车站通行的车辆会达到六十辆，基本上每分钟都会有一辆车通行，则每个车站调度员与司机的话务量A1：
A1=60×[2×10+2×0.1+2×0.33]/3600=0.348Erl。
每个车站及所属区间车站值班员与司机话务量估计
如果计算出各车辆通过电线路，各个车站此时调度员与司机的通话次数为一次。单次通话时间为十秒，发送信息两次，每次信息发送时间为0.1秒。在一个小时之内车上。每两分钟通行一辆车，一个列车与车站调度员话务量A2：
A2=60×（1×10+2×0.1）/3600=0.17Erl。
每个车站及所属区间其他人员调度（小组）呼叫话务量估计
如果单个用户在一个小时内呼叫次数为1次，每次通话时间为20秒，在繁忙时，各车站及所属区间内部工作人员共有10名，其中有一半的人员在单基站范围内，租户另一半的人员在多基站范围内。此时，车站及所属区间段各人员的调度呼叫话务量A3：
A3=5×(1×20)/3600+5×(1×20)/3600 =0.055Erl。
由上可得，每个车站及所属区间调度呼叫（忙时，高峰期）话务量A4为：
A4=A1+A2+A3=0.348+0.17+0.055=0.573Erl。
每个车站及所属区间所有人员电话呼叫话务量估计
如果一个用户在一小时之内呼叫一次，通话时间为108秒，在地铁运营的繁忙时间段内，每个小时车站及区间共有五十名运营人员，并进行呼叫，再调回教室人员占比达到近15%。即在每个小时都有近七个人员来进行电话呼叫，车辆司机与调度员的呼叫话务量A5：
A5=7×（1×108）/3600=0.21Erl。
b.每基站及所属车站、区间话务量估计
在不同的车站内管辖的范围不同，同各人员的话务量也有较大差异，综合考虑国内其他城市地铁运营等工作经验，再考虑到一定通信技术技术，此时，各个车站及区间段内的调度呼叫繁忙时的话务量A6
A6=1.67×A4=1.67×0.573=0.957Erl。
该基站及所属车站、区间电话呼叫（忙时，高峰期）话务量A7为：
A7=1.67×A5=1.67×0.21=0.35Erl。
②所需信道数
a.业务信道数
通过以上综合分析货量，在最大的基站调度通行比较繁忙的时间是话务量A6 =0.957Erl，用户等待呼叫的时间会大于0，由P0=0.15，这时信道数为3 。
3）电话互联通信所需的业务信道数
根据以上分析，话务量最大的基站电话互联通信忙时话务量为A7= 0.35Erl。取服务质量：呼损率B=5%，查爱尔兰B表，可得信道数n=2，由此可得，话务量最大的基站总信道数为3+2=5。
b.控制信道的容量
控制信道容量及控制信号内，可以容纳用户数量，它与控制信道的数字密切关联，由于数据传递方式为两种及基站至移动台方向移动台向基站方向。上、下行采用不同频率（一对频率）分开传输，而下行信令来自控制器，可以做到有序进行，不存在争用问题；但上行信令由于是由不同的移动用户发起，彼此独立，具有随机不确定性，因此存在用户的争用和空隙问题，即存在可用系数，并且控制信道的容量主要取决于上行用户的容量。
结合TETRA的标准，当信息传输速率为36KBps时，使用TDMA通信方式,实现快速通信。各个用户平均的呼叫频率为354，用户会发射三种类型的信号，分别为上行链路控制信息猝发（255bit），上行链路移动台功放线性化猝发（255bit），上行链路常规猝发（510bit），共计1010bit，则控制信道可容纳的用户数为：
用户/控制信道
式中：Rb=信令传输速率；
Kc=可用系数，取0.7；
IB=平均每用户忙时上行数据量。
由此可以看出，一个基站可以控制近642个信道，来用于最繁忙时间期内各用户呼叫，在信道数据信息的处理时，可以满足地铁线路运营容量要求。
由上述可以分析得出，14号地铁一期工程为专用无线通信系统，每个基站都会使用7个业务型信道，1个控制信道的和2个载频配置，以满足通信的话务要求和服务质量提升的需求。
4）频率配置
①频率配置的原则
频率配置原则要能够减少或者各种因素给通话带来的频率干扰，进一步提高频率的使用效率。
干扰频率的种类有同频型干扰、邻道行干扰及互调式的干扰，在频率配置期间，要重点考虑如何降低减少这些干扰。
②频率配置
为了可以减少多种因素，给通话频率带来的不良干扰，这时工作人员可以使用无三阶互调频率指配法，结合使用间隔频率的方法。在集群类型通信系统中，可以使用CCIR901报告中提出来的最小型等间隔频率指配，使用800兆赫兹的数字化集群通信新系统，其中会占到806~821兆赫兹。由移动台发、基站收。851-866兆赫兹由基站发、移动台收，频率段收发间隔为45兆赫兹，每段为15兆赫兹。每个载频的间隔为25千赫兹，其中共有600个载频。
在等间隔频率方法中，将六百个载频切分为三个小段，每个段会有两百个在天，然后再将每个小段儿再切成十个组，每组有20个载频。各栽频之间的间隔为10，将各大组分为两个中组，为个将各大组分为两个中组，在每个中组会有10个载体，每个中组内部载频间隔为20个，再将这些中组再切分成小组小组，也不一定的改变，在各小组内的载频间隔也会达到40。
根据话务量计算结果，本工程所有车站配置2载频基站，采用三频组、每频组2对载频（收、发共2对频点）的频率配置方式进行频率复用。另外，停车场单独考虑1组3载频；单独考虑1对直通模式使用的频点。具体频率配置方式如下：
第1频组为A频组，采用2对载频fA1、fA2。
第2频组为B频组，采用2对载频fB1、fB2。
第3频组为C频组，采用2对载频fC1、fC2。
第4频组为D频组，采用3对载频fD1、fD2、fD3。
直通模式频组，采用1对载频fE。
建议西安地铁十四号线一期工程使用2个小组频率中10对载频作为TETRA数字集群通信系统工作频率，2个工作载频之间的间隔最小为40个载频，即40×25KHz=1MHz，以减小三阶互调干扰的影响，并便于提高基站发射合路器的隔离度指标。西安地铁十四号线一期工程具体使用的频率应以西安市无委会批复为准。
5）系统网管构成
①TETRA系统网管
TETRA数字集群网管终端由硬件和软件构成，其中硬件为一台电脑，通过网络接口（RJ45 100BASE-T接口）与TETRA中心交换控制设备相连，并通过网络接口（RJ45 100BASE-T接口）与上级网管--无线子系统网管终端相连。
②无线子系统集中网管
无线子系统网管终端由电脑及网络接口等硬件和软件构成，对无线通信设备的工作状态进行实时监控，必要时可远程控制部分设备的运行。无线子系统网管信息经软件进行格式变换后，发往轨道交通通信系统集中网管，实现更上一级的监测管理。同时把数据保存在本机以供查询。
系统软件（包括无线子系统网管终端软件，数据查询操作软件，与轨道交通通信系统集中网管通信软件）由供货商通过二次开发实现。
6）系统同步
为确保TETRA系统内各用户之间可靠地进行通信，还必须实现系统同步，使整个网络有一个统一的时间标准信号。先期建设的机场线无线通信系统采用主从同步方式，十四号线一期工程保持与机场线的一致性，亦采用主从同步方式。
7）越区切换
TETRA标准中规定了五种越区切换类型，其中常见的有两种：3类通知型切换和1类通知型切换。
（1）3类通知型切换
当移动台处于半双工通信的发射状态或处于全双工通信状态时，如果要转换小区，此时发生的切换称为通知型切换。在3类通知型切换下，移动台仅当要转换小区时才通过系统通知原来的小区，然后移动台开始搜寻新的小区，一旦找到新的小区，移动台就会与新的小区同步并从控制信道得到新小区的广播信息，然后移动台从新小区获取话音信道，并恢复通话。3类越区切换有可能会带来通话的短暂中断。
（2）1类通知型切换
在1类通知型切换下，移动台在新小区登记后，再通知系统离开原小区，同时系统会通知原小区中断针对该终端的服务，移动台在新小区登记，并通知系统切换后，直接在新小区执行go-to-channel 指令，把呼叫恢复到实现保留号的话音信道上，并恢复通话。1类越区切换保证了通话的连续性。
系统支持一类的通知，越区的信号切换或者无缝隙的切换，这是TETRA标准中定能定义中性能最好的、最严厉的计划方法，一类同质性切换，允许在移动台，在离原来小区，以前小区分配一个话音通道，这使得整个系统能够为用户预先准备话音信道，这样可以要改善越区切换时的通话质量，使越区切换通话中断时间最小。
本小区与相邻小区信号质量差值（C2-C1）：5-10dB；
本小区与相邻小区信号质量测量计算总时间：5-10S。
场强重叠覆盖区设计为大于278米（相对于100Km/h的机车运行最高时速，移动台最大测量计算时间 10秒内机车通过的区域）。
8）其他需要注意的事项
（1）通话组的配置
TETRA数字集群系统的组编功能强大，方式灵活，从西安北站至机场站的机场地铁线路运营中，可以根据实际运营要求，来合理划分使用，选择最贴近编制计划之后。将各相互之间，将各成员编制成通话小组，将每个用户都同时纳入多个通话小组，通话组根据地铁列车的运行要求使用多级编制。
（2）系统可靠性
为确保无线通信系统的可靠性，采用以下措施：
①系统主要设备、通道采用冗余配置
a.无线交换控制中心主要模块实行1+1热备份配置。
b.调度台系统设置服务器进行管理，各调度台用户界面可相互转换。
c.基站主要模块1+1热备份配置，多套收发信机之间可互为冗余。
d.基站与交换控制中心之间采用星状连接，并由有线提供2M备用保护通道。
e.区间中继设备主要模块实行1+1热备份配置，并应将运行状况纳入统一网管。
②系统故障弱化
a.在基站与交换控制中心连接出现故障时，仍支持基站范围内用户进行通信。
b.基站发生故障或其他原因造成系统覆盖故障时，采用直通模式（DMO）通信。
c.调度通信和紧急呼叫设置为最高优先级，以确保调度通信和紧急呼叫的畅通。
③系统维护管理
维护管理系统应具有强大的功能，及发现处理系统设备故障，确保系统正常运行。
（3）干扰及电磁兼容问题
为了保证通话质量，应考虑克服系统内外的无线电干扰，如同频干扰、邻频道干扰、互调干扰等。
①同频干扰
在系统使用频率正式得到批准，频率资源得到保护的条件下，同频干扰只可能来自TETRA系统内部，即由频率复用引起的共信道干扰，一般同频保护比要求为19dB。在本项目系统设计中，基站频率交叉配置，并合理控制地面以上区域的场强分布，正常情况下不会产生同频干扰。
②邻频道干扰
频率配置、申请时应避免采用相邻载频，各载频间应有一定间隔，保证系统内部不会产生邻频道干扰。同时由于电波大多在密闭空间中传播，与其它800MHz集群系统产生邻频道干扰的可能性也很小。
③互调干扰
互调干扰中影响最大的是三阶互调。因此，频率配置时应采用无三阶互调干扰的频率。但由于公网信号的引入，若对空间隔离不当，频率配置不合理，系统本身所使用设备、材料和元器件线性不好时，就会与公网信号产生干扰，因此，必须考虑两个系统的电磁兼容问题。首先，应与公网引入系统相协调，合理配置频率，并对漏缆的铺设必须作周密排列。对于地下隧道区间，保证不同系统漏缆之间有足够的空间隔离度（一般要求50dB以上的隔离度），其次，可在基站射频信号输入端加高精度的滤波装置，以达到最大限度减少噪声或干扰信号的目的。另外要选用成熟、可靠尤其是在工程中成功运用过的设备和材料，确保关键设备（分合路器等）的指标合理。
3 设备国产化
通信系统设备整体国产化率在逐年提高，国内众多知名厂家都可生产出满足通信各系统技术要求的成熟产品。在进行系统设计时，应从有利于提高机电设备国产化率的角度出发，在设备选型上最大限度采用国产化设备，以促进民族工业快速的发展。
3.1 无线通信国产化分析
自从广州轨道交通二号线首次在国内采用TETRA数字集群无线通信系统以来，全国已开通及在建轨道交通中，普遍采用数字集群通信系统，包括广州、上海、北京、杭州、西安等。
根据目前国内无线通信技术的发展和应用情况，集群通信系统设备将是今后专用无线系统的主要发展方向，铁道部的原无线设备定点生产厂正积极地与国外知名的集群设备生产厂家如美国MOTOROLA公司、欧洲宇航EADS等公司进行合作开发，生产能满足中国国情的数字集群无线设备。国内已有中电54所、海能达、东方通信等厂家已经具备TETRA主设备的批量生产能力。
本次设计暂按数字集群系统的系统主设备（中心交换机、基站、光纤直放站等）以国外成套技术和设备为主，部分配套设备生产和二次开发已由国内厂商承担。
目前国内可做二次开发集成商厂家有上海通信厂、54所、天津712、海能达、东方通信等。
TD-LTE系统设备目前国内的华为、中兴、大唐等生产厂商已经具备较强的研发和生产能力，公网应用已经基本实现全部国产化。TD-LTE的专网应用，如终端设备研制生产、二次开发应用等还需要进一步提高产品成熟度。
3.3 国产化结论
根据本阶段推荐方案所确定的通信系统设备国产化供货能力见表3.3-1。
通信系统设备国产化供货能力分析表 表3.3-1
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由于近几年来，国内通信技术突飞猛进的发展，国内通信设备工厂的制造能力及技术发展能力有了极大的提高，无线通信系统所有设备均可以做到国产化，但考虑到实际应用业绩和市场反映情况，本次设计暂将无线通信主设备按进口设备考虑，其他各子系统的各种制式的设备，以及公安通信各子系统均已实现国产化。从通信系统整个系统设备的组成和投资比例分析，本工程通信系统设备的国产化率可达到91%以上。
4 结束语
地铁无线通信系统为轨道交通运营的固定用户（控制中心调度员、停车场调度员、车站值班员等）和移动用户（列车司机、防灾人员、维修人员等）之间提供可靠的语音通信和数据通信；同时，在轨道交通运营出现异常情况时，亦能迅速提供防灾救援和事故处理等指挥所必需的应急移动通信的功能。
参考文献
[1] 《地铁设计规范》GB 50157-2013
[2] 《数字集群移动通信系统体制》SJ/T 11228-2000
[3] 《集群移动通信系统设备通用规范》 GB/T15874-1995
[4] 《无线通信系统室内覆盖工程设计规范》YD/T5120—2005
[5] 《城市轨道交通技术规范》GB50490-2009