TETRA数字集群系统在地铁建设中的规划研究金胜利

TETRA数字集群系统在地铁建设中的规划研究金胜利

金胜利

杭州市地铁集团有限责任公司运营分公司浙江杭州310021

要：城市轨道交通的建设和发展，特别是地铁的建设运营已成为现代化大中城市治理交通拥堵难题的措施之一，健全的城市地铁系统需要专业通信信息技术等科技支持，其中无线通信TETRA数字集群系统是保障地铁运营的重要系统。此系统在实际应用中具有较高的安全性、专用性和稳定性，在地铁建设的规划应用最为普遍。本文对此系统在地铁建设规划中的应用需求、小区制式比选、基站配置测算、频率复用方面进行探索研究。

关键词：TETRA数字集群系统；话务量；频率复用，城市地铁

城市轨道交通的建设和发展，特别是地铁的建设运营已成为现代化大中城市治理交通拥堵难题的措施之一，健全的城市地铁系统需要专业通信信息技术等科技支持，其中无线通信TETRA数字集群系统是保障地铁运营的重要系统。此系统在实际应用中具有较高的安全性、专用性和稳定性，在地铁建设的规划应用最为普遍。本文对此系统在地铁建设规划中的应用需求、小区制式比选、基站配置测算、频率复用和信号干扰方面进行探索分析。

1地铁TETRA系统实际应用需求

TETRA数字集群系统是以数字时分多址技术为基础的专业化移动通信系统，当前中国城市地铁建设运营采用的TETRA数字集群系统为800MHZ专用无线通信系统，系统主要设备有：控制中心配置集群交换控制设备（含鉴权模块、AIS全网系统录音模块）、调度服务器（冗余热备）、全网数字录音设备、行车调度台、环控调度台、维修调度台、集群网管设备、二次开发网管系统（含维护终端及打印机等）、调度大厅室内覆盖设备等；车站配置集群基站、车站值班员车站电台；车辆段/停车场配置集群基站、直放站、检修调度台、场段调度台；列车车头配置车载台以及移动终端手持台。

TETRA数字集群系统主要用于满足行车调度员、电环调度员、维修调度员、检修调度员、车场调度员、车站值班员、列车司机、维修维护人员以及外勤等人员间通话的相互独立性，使其在各自的通话组内的通信操作互不妨碍，同时实现设备和频率资源的共享、无线信道话务负荷平均分配、接续时间短、可灵活的多级分组、具有自动监视、报警及故障弱化等功能的智能化网络。

城市地铁应用的TETRA数字集群系统主要提供通话功能与数据业务。其中通话功能有如下服务：

组呼：允许用户机和调度台与一组用户进行一对多的通信，用户可以很简单地选择进入哪个通话组，一旦选择一个通话组，用户机不需任何动作，便可自动接收所有有关那个组的呼叫。组呼通常用于快速变化的工作条件下，因此要保证没有由于发送冲突而引起的干扰，也就是说同一时间仅有一个用户可以发送。在按下PTT时，用户机喇叭关闭。在传送结束时，系统启动一个信道保留时间，如果在信道保留时间内，另一个组成员发送呼叫，信道马上可用，不会有呼叫建立延迟。对于正在进行的呼叫，没有呼叫建立的延迟会给快速转换的工作环境带来很多好处。但是，如果呼叫时间超过最大允许时长，系统会中断这个组呼。采用组呼方式通话为半双工。

通播组呼叫：调度员可以向所管辖的全体成员发起呼叫。被呼叫的成员无须手动转组即可自动纳入通播组的通话中，并且可以进行双向通话。通播组呼叫的一个关键优势是，它可经过配置，使其功能上等同于广播呼叫，这是对组呼服务的一种延伸。

紧急呼叫：具有最高优先级。当移动台发起紧急呼叫时，如遇系统繁忙，则系统将立即强拆最低优先级的呼叫，建立紧急呼叫通话。被呼叫的调度台上将会有相应紧急告警提示以提醒调度员有紧急呼叫发生。

单呼：移动台之间或移动台、车站电台与调度台间可发起一对一的选择呼叫。对于此种选择呼叫系统可支持全双工的或半双工的两种方式。

电话互联呼叫：有线电话用户可以向被授权的移动用户或被授权的移动用户向有线电话用户发起全双工的电话互联呼叫。电话互联呼叫服务可以实现用户机和电话用户之间的全双工通信。所谓全双工是指，通话的双方可以同时发送和收听。

除上述主要通话功能外，还有车组号呼叫、车次号呼叫、行车位置显示及呼叫、调度台呼叫、组扫描功能、监听录音功能、编组功能等。

数据业务包括短数据和分组数据信息传送等。摩托罗拉TETRA用户机设备支持1000字节（中文500个汉字）短信息发送和接收功能，它的原理是容许用户输入长短信，并自动将长短信分段发送；诸如话音、图像和高速数据链接都可以采用IP技术实施，最大传送单元（MTU）为1500字节，建议在使用PDS服务时采用用户数据报（UDP）传输协议。TETRA系统标准分组数据传输速率为每个时隙7.2kbps，每时隙同时在线分组数传用户最多为60个。DimetraIP系统的分组数传还支持4时隙捆绑，速率可达28.8kbps。

2地铁TETRA系统的小区组网制式比选

2.1小区制是指在控制中心设置交换中心系统设备，在地铁各沿线的每一个车站安装基站设备，交换中心系统设备和基站设备之间通过有线传输网连接，在地铁区间隧道安装漏泄同轴电缆，实现全线场强覆盖。其主要优点是：信道利用率高、便于设备维护维修；其缺点是：建设投资相对较高，扇区较多，小区切换频繁可能造成掉话现象。

2.2大区制是指在控制中心设置交换中心系统设备和基站设备，地铁沿线各车站不设基站，而设置射频放大设备，在地铁区间隧道安装漏泄同轴电缆，实现全线场强覆盖。其主要优点是：相比小区制其投资成本低，不需要越区切换；其缺点是：信道利用率不高，出现故障影响范围大，列车出入车辆段场时正线通话组与车辆段通话组不能自动转换。

2.3中区制是介于小区制与大区制之间，其特征是在控制中心设置交换中心系统设备，在地铁沿线联锁区大站点设置基站设备，其他车站设置射频放大设备，在地铁区间隧道安装漏泄同轴电缆，实现全线场强覆盖。其优缺点介于小区制与大区制之间。

考虑到地铁建设运营的特殊环境，主要为地下站和高架站，其需要的无线信号覆盖范围有别于民用通信的蜂窝网状的小区结构，地铁隧道为狭长空间，站间距一般为2KM左右，而信号覆盖的有效距离是有限的，同时考虑到地铁运营的安全性、稳定性、便维护性、功能性便利性等，目前地铁建设规划基本都是采用小区制式较适合。

3.地铁建设规划中基站配置测算

TETRA的语音通信量的估算是基站配置测算的前提，在地铁建设实施前须明确各站及车辆段场的最大话务量。本文只简述话务量的估算方法、业务信道与控制信道数的推算依据、基站配置要求。

①每个车站及所属区间调度员与司机话务量估计

调度员与司机的话务量=列车数A×[通话次数B×每次通话时长C+短消息次数D×短消息历时E+分组数据次数F×分组数据历时G]/3600秒=HW1

（注：式中的C单位是秒/次、E单位是秒/次、G单位是秒/次、HW1单位是Erl）

②每个车站及所属区间车站值班员与司机话务量估计

车站值班员与司机的话务量=列车数A×（通话次数B×每次通话时长C+短消息次数D×短消息历时E）/3600秒=HW2

（注：式中字母含义同上）

③每个车站及所属区间维护维修等人员间话务量估计

维护维修等人员间话务量=单站内组呼数N1×单站内通话历时N2/3600秒+多站间组呼数M1×多站间通话历时M2/3600秒=HW3

（注：式中的N2单位是秒/次、M2单位是秒/次、HW3单位是Erl）

④每个车站及所属区间所有人员TETRA系统内电话呼叫话务量估计

TETRA系统内电话呼叫话务量=呼叫次数Q1×呼叫历时Q2/3600秒=HW4（注：式中的Q2单位是秒/次、HW4单位是Erl）

结合城市地铁建设经验，一般忙时最高话务量的估算需乘以一个系数f（f一般取值为1.67），因此得到最终估算无线通信话务量：

HW5=（HW1+HW2+HW3）×f

最终电话通信话务量：HW6=HW4×f

根据HW5的值，取服务质量呼叫等待时间大于零的概率P（0）=0.15，查爱尔兰C表，可得调度通信所需的业务信道数。

根据HW6的值，取服务质量呼损率B=5%，查爱尔兰B表，可得电话互联通信所需的业务信道数。

根据TETRA标准，信令传输速率为36kbps，采用TDMA时分复用，控制信道占1/4时隙，每次呼叫移动终端发出的控制信息共计1010bit，可通过计算公式得到1个控制信道可处理忙时业务信道数T。

T=36×1000×1/4×Kc×3600/1010Kd（注：式中Kc为常用系数，Kd为每用户忙时平均呼叫次数）

参照上述估算模型，如单条线路调度通信所需的业务信道数为3，电话互联通信所需业务信道数为2，业务信道使用为调度通信和电话互联通信共享，每个控制信道忙时可处理业务信道数约660个，即同时处理660路通话，完全满足实际使用。

目前，摩托罗拉的MTS4基站，一个机柜可配置4块载波板，每个载波板有4信道，因此，满足上述业务信道、控制信道的配置，一个机柜配置2块载波板即可。

4.地铁建设规划中的频率复用

TETRA系统的频率配置满足SJ/T11228-2000《数字集群移动通信系统体制》的相关规定。工作频段为806MHz～821MHz（移动台发、基站收）和851MHz～866MHz（基站发、移动台收），双工间隔为45MHz，频道间隔为25kHz。频率配置应遵循以下原则：

4.1单个基站的频点之间，两两频点间隔至少为6个频点，避免三阶互调干扰；

4.2相邻基站间避免频率干扰，最好隔两个基站才同频复用一次，且相邻基站不能邻频；

4.3换乘站的频率必须与其他线路的频点错开，高架站、停车场要避开频率干扰；

4.4DMO直模通信的频点必须单独配置，与所有基站的频点不能重复；

根据以上频率规划原则，一般情况下，正线车站为两载频基站，停车场为三载频基站，相邻基站采用三频组的频率配置方式，即：

正线区间使用：6对载频,即A（f1，f2）、B（f3，f4）、C（f5，f6）。

直通模式频组，采用1对载频D（f7）

换乘站使用：6对载频,即E（f8，f9）、F（f10，f11）、G（f12，f13）。

停车场（含出入线）使用：3对载频,即H（f8，f9，f10），复用换乘站载频E（f8，f9）、F（f10，f11）。

5.结束语：

城市地铁建设中，专用无线TETRA数字集群系统的接口系统众多、无线传播环境复杂、信号的干扰因素众多，随着新技术、新产品的投入使用，各系统间的互联互通、兼容性运行，都对专用无线TETRA系统的建设规划提出更高要求，因此做好用户需求、小区制式的选择、基站配置测算、频率复用规划等事项是十分重要的。

参考文献：

[1]《专用无线通信系统话务量的计算》《铁路通信信号信息》2003年第6期.

[2]奚雯佳.《基于TETRA的专用无线通信系统在城市轨道交通中的应用》南京邮电大学,2014.

作者简介：

金胜利（1981.9——），男，杭州市地铁集团有限责任公司运营分公司，通信中级工程师，从事通信行业十多年，对移动通信设备建设规划和运营维护有丰富的专业经验。