肖 賓 杰(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院, 上海 200125)

基于無線多媒體集群通信的現(xiàn)代有軌電車專用無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖 賓 杰
(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院, 上海 200125)

簡要介紹了現(xiàn)代有軌電車的專用無線通信系統(tǒng)功能需求,詳細(xì)分析了主流的無線通信制式,并以武漢大漢陽現(xiàn)代有軌電車工程為例,提出一種適用于現(xiàn)代有軌電車的基于無線多媒體集群通信制式的無線通信系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了通話、調(diào)度呼叫和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。已有系統(tǒng)實(shí)施的效果表明,無線通信系統(tǒng)為有軌電車安全、高密度、高效運(yùn)營提供了可靠技術(shù)手段。

現(xiàn)代有軌電車; 專用無線通信系統(tǒng); 無線多媒體集群通信; 語音通信; 數(shù)據(jù)通信

0 引 言

現(xiàn)代有軌電車作為近年來迅速發(fā)展的公共交通方式,在運(yùn)量/節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、舒適性等方面均有突出優(yōu)勢,可有效提升城市公共交通服務(wù)水平,緩解交通壓力?，F(xiàn)代有軌電車在國內(nèi)得到迅速發(fā)展,并已在沈陽、蘇州等城市建成投運(yùn)。

現(xiàn)代有軌電車專用無線通信系統(tǒng)是為保證有軌電車安全、高密度、高效運(yùn)營而建設(shè)的話音、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),能提供通話、調(diào)度呼叫、數(shù)據(jù)傳送功能、輔助業(yè)務(wù)及網(wǎng)絡(luò)管理功能。該系統(tǒng)為有軌電車運(yùn)營的固定用戶和移動(dòng)用戶之間的語音和數(shù)據(jù)信息交換,為行車安全、提高運(yùn)輸效率和管理水平、改善服務(wù)質(zhì)量提供了重要保證。當(dāng)有軌電車運(yùn)營出現(xiàn)異常情況和有線通信出現(xiàn)故障時(shí),可迅速提供防災(zāi)救援和事故處理等指揮所需要的通信手段。

本文根據(jù)有軌電車相應(yīng)功能需求,分析了無線通信系統(tǒng)制式,并以武漢大漢陽現(xiàn)代有軌電車工程為例,提出有針對(duì)性的高效、實(shí)用化構(gòu)建方案。

1 現(xiàn)代有軌電車無線通信功能需求

武漢市大漢陽地區(qū)現(xiàn)代有軌電車試驗(yàn)線工程西起武漢市黃陵官蓮湖路,沿鳳凰大道、硃薛路、全力三路、后官湖大道、車城西路、沌陽大道走行,終點(diǎn)位于沌陽大道與東風(fēng)交叉口前。該線終點(diǎn)站車輪廣場站分別與在建武漢地鐵3 號(hào)線沌陽大道站換乘，線路全長18.265 km。

通信系統(tǒng)是有軌電車保證列車安全高效運(yùn)營、為乘客出行提供高質(zhì)量信息服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),是有軌電車正常運(yùn)轉(zhuǎn)的神經(jīng)系統(tǒng)[1-2]。該工程的無線通信子系統(tǒng)為有軌電車運(yùn)營的固定用戶(控制中心、車輛段調(diào)度員等)和移動(dòng)用戶(列車司機(jī)、防災(zāi)人員、維修人員)之間的語音和數(shù)據(jù)信息交換提供可靠的通信手段,實(shí)現(xiàn)調(diào)度員與工作人員之間無線調(diào)度通信服務(wù)功能,確保固定用戶與移動(dòng)人員及移動(dòng)人員相互之間的可靠語音及數(shù)據(jù)通信。

專用無線系統(tǒng)應(yīng)簡單,方便維護(hù)。語音和數(shù)據(jù)信息交換提供可靠的通信手段,主要功能需求包括:

(1) 通話。系統(tǒng)具備全雙工、半雙工、單工等各種通話方式,實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶之間、移動(dòng)用戶和固定用戶、移動(dòng)用戶與調(diào)度臺(tái)之間的通話。

(2) 調(diào)度呼叫功能。系統(tǒng)具有單呼、組呼、通播組呼叫和全呼功能以及普通呼叫、緊急呼叫功能;遇忙排隊(duì)、自動(dòng)回叫、自動(dòng)重發(fā)功能;呼入呼出限時(shí)功能;主叫號(hào)碼叫顯示、縮位拔號(hào)功能;遲后進(jìn)入、超出服務(wù)區(qū)指示功能。此外,系統(tǒng)應(yīng)具有多級(jí)優(yōu)先功能,可采用多個(gè)優(yōu)先級(jí)。

(3) 數(shù)據(jù)傳輸功能。系統(tǒng)數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)包括定位信息、預(yù)先定義狀態(tài)信息傳送、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)功能可以在移動(dòng)終端之間、移動(dòng)終端和固定用戶之間進(jìn)行短消息傳送。此外,系統(tǒng)還應(yīng)具有信號(hào)接入功能,獲取用戶的狀態(tài)信息服務(wù)、緊急告警服務(wù)、出入庫自檢服務(wù)、列車狀態(tài)監(jiān)控服務(wù),以便了解在線列車的車號(hào)、車次等信息,并與之進(jìn)行通話[3,5]。

2 無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式及優(yōu)勢

2.1 無線通信制式

目前,實(shí)現(xiàn)專用無線系統(tǒng)方式主要有以下三種:

(1) 自建數(shù)字集群系統(tǒng)——TETRA制式的專用無線系統(tǒng)。陸上集群無線電(Terrestrial Trunked Radio,Tetra)通信系統(tǒng)是基于數(shù)字時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)的專業(yè)移動(dòng)通信系統(tǒng),是歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)為了滿足歐洲各國的專業(yè)部門對(duì)移動(dòng)通信的需要,具有兼容性好、開放性好、頻譜利用率高、保密功能強(qiáng)等特點(diǎn)。

(2) 自建多載波無線信息本地環(huán)(Multi-carrier Wireless Information Local Loop,McWiLL)制式的專用無線系統(tǒng)。McWiLL是一種無線多媒體集群通信系統(tǒng),寬帶無線接入系統(tǒng)基于IP分組交換網(wǎng)絡(luò)以及軟交換核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),采用碼擴(kuò)正交頻分多、智能天線、空間零陷、聯(lián)合檢測等無線通信技術(shù),可為用戶提供可靠的無線數(shù)據(jù)語音傳輸平臺(tái)。

(3)租用公共移動(dòng)通信系統(tǒng)或政務(wù)專網(wǎng)。采用目前已經(jīng)建設(shè)的公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或政務(wù)專網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸,具有覆蓋范圍廣、無需申請(qǐng)專用頻點(diǎn)、無需建設(shè)基站等優(yōu)點(diǎn),但需運(yùn)營部門為相關(guān)管理部門每年付一定的費(fèi)用,并且后期管理、維護(hù)、無線調(diào)度等安全保障都得依賴于運(yùn)營商。

另外,可供選擇的還有無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)、LTE(Long Term Evolution)等。LTE改進(jìn)并增強(qiáng)了3G的空中接入技術(shù),在20 MHz頻譜帶寬可提供下行100 Mb/s和上行50 Mb/s的峰值速率,改善小區(qū)邊緣用戶性能,提高小區(qū)容量,降低系統(tǒng)延遲。WLAN是由IEEE 802.11工作組規(guī)定的無線通信系統(tǒng),主要解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶與用戶終端的無線接入,業(yè)務(wù)限于數(shù)據(jù)存儲(chǔ),最大速率為2 Mb/s。上述無線通信技術(shù)未能全部實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車無線通信功能需求,可作為實(shí)現(xiàn)單一功能的備選技術(shù)方案。

2.2 無線通信系統(tǒng)制式比較與分析

TETRA技術(shù)是目前較先進(jìn)、生產(chǎn)廠商眾多的數(shù)字集群系統(tǒng),具有調(diào)度功能完善、產(chǎn)品選擇余地大、技術(shù)先進(jìn)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于地鐵無線調(diào)度系統(tǒng),但其數(shù)據(jù)傳輸能力極弱,不能滿足乘客信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信需求。McWiLL是實(shí)現(xiàn)寬窄帶業(yè)務(wù)高效融合的移動(dòng)寬帶無線接入系統(tǒng),完成語言、寬帶數(shù)據(jù)和多媒體集群業(yè)務(wù)的融合,占用5 MHz頻寬,實(shí)現(xiàn)15 Mb/s峰值速率,并發(fā)300路語音。

McWiLL與TETRA技術(shù)對(duì)比及與集群通信的性能比選如表1、表2所示[4]。

由表1、表2可見,TETRA制式作為成熟的無線通信技術(shù),契合調(diào)度功能需求,較好滿足語音通話功能,但需增設(shè)無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)滿足有軌電車的數(shù)據(jù)通信需求;McWiLL制式在語言容量、時(shí)延、同頻復(fù)用、漫游等功能方案優(yōu)于或相當(dāng)于TETRA制式性能,兼有語音和數(shù)據(jù)調(diào)度、高效語音、高速無線上網(wǎng)、高速數(shù)據(jù)傳輸、高清視頻監(jiān)控的優(yōu)勢,滿足現(xiàn)代有軌電車的通話、調(diào)度呼叫和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ苄枨?而租用公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)可利用現(xiàn)有資源,具有成本低的突出優(yōu)勢,但通信的可靠性不足。

表1 McWiLL與TETRA技術(shù)參數(shù)及性能比較

表2 McWiLL與集群系統(tǒng)的對(duì)比

通過對(duì)比分析,綜合考慮投資、后期管理及維護(hù)成本,現(xiàn)代有軌電車自建McWiLL制式的專用無線系統(tǒng)是一種兼具先進(jìn)性和實(shí)用性的方案,該制式基于IP分組交換網(wǎng)絡(luò)以及軟交換核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),為用戶提供可靠的無線數(shù)據(jù)語音傳輸平臺(tái),同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

3 基于McWiLL的現(xiàn)代有軌電車無線通信系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

McWiLL寬帶無線接入系統(tǒng)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要由核心網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)層、接入層三部分組成。

(1)核心網(wǎng)設(shè)備主要包括業(yè)務(wù)接入控制器、調(diào)度平臺(tái)、多媒體業(yè)務(wù)平臺(tái)等。

(2)無線網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備包括基站。

(3)接入層設(shè)備包括無線接入設(shè)備、手持集群終端、車載臺(tái)等。

系統(tǒng)總體組成如圖1所示。

圖1 基于McWiLL的現(xiàn)代有軌電車專用無線通信網(wǎng)絡(luò)組成

在圖1中,系統(tǒng)充分利用軌道交通現(xiàn)有的通信資源和中心服務(wù)資源,McWiLL基站與系統(tǒng)現(xiàn)有的以太網(wǎng)和辦公網(wǎng)絡(luò)通過有線、光纖等分組方式連接,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有數(shù)據(jù)、語音、視頻傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)的無線延伸,構(gòu)建基于IP網(wǎng)絡(luò)的語音集群、視頻下載的綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng),搭建統(tǒng)一的信息化業(yè)務(wù)平臺(tái)。

基于McWiLL系統(tǒng)架構(gòu),大漢陽地區(qū)現(xiàn)代有有軌電車專業(yè)無線通信滿足提供控制中心、車輛段與正線提供專用的語音及數(shù)據(jù)通道,實(shí)現(xiàn)車輛與控制中心的無線語音通信及數(shù)據(jù)傳輸,并能夠在控制中心實(shí)現(xiàn)錄音,同時(shí)可與段內(nèi)維修人員進(jìn)行無線通信等功能。通信系統(tǒng)需覆蓋大漢陽地區(qū)現(xiàn)代有有軌電車18.265 km正線及25座車站、12座變電所、1處車輛段、1座控制中心。該工程基于McWiLL系統(tǒng)基站實(shí)現(xiàn)無線覆蓋,基站需要采用光纖、網(wǎng)線等有線方式連接到軌道交通的IP通信網(wǎng)絡(luò)中,再由IP網(wǎng)絡(luò)連接各個(gè)平臺(tái)和服務(wù)器設(shè)備,其中包括數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平臺(tái)、集群調(diào)度平臺(tái)、多媒體業(yè)務(wù)平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)等,并且McWiLL網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有Internet、辦公網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

3.2 有軌電車無線通信系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

McWiLL根據(jù)業(yè)務(wù)需求,提供不同形式的終端,如手持集群終端/PDA、固定終端(CPE/MEM/車載臺(tái))等,實(shí)現(xiàn)語音集群調(diào)度、可視化調(diào)度、無線視頻監(jiān)控、列車工況信息/環(huán)境信息采集、短信息收發(fā)、終端GPS定位、移動(dòng)寬帶、移動(dòng)辦公等多種信息化服務(wù)業(yè)務(wù)?；镜淖畲笸掏铝繛?5 Mb/s,可將各種形式的終端數(shù)據(jù)承載到IP網(wǎng)絡(luò)中。

3.2.1 集群調(diào)度

McWiLL寬帶無線多媒體通信系統(tǒng),采用了8 kb/s的細(xì)顆粒度帶寬分配機(jī)制,單基站支持雙向各300個(gè)業(yè)務(wù)信道,支持不小于70路終端并發(fā),支持20個(gè)集群組呼并發(fā)。 調(diào)度平臺(tái)完成用戶業(yè)務(wù)信息管理、用戶及終端認(rèn)證和等級(jí)管理、移動(dòng)性管理以及切換、漫游、高效話音、對(duì)基站的管理等功能,相應(yīng)的數(shù)據(jù)流在調(diào)度平臺(tái)和基站以及終端之間傳送。

通過DCS1000調(diào)度系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的語音調(diào)度通信功能。

3.2.2 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

利用McWiLL網(wǎng)絡(luò),可以完成相關(guān)行車工況信息、環(huán)境數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)功能。

數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)如圖2所示。McWiLL系統(tǒng)使用專用數(shù)據(jù)傳輸模塊,可提供網(wǎng)口和串口通信與傳感器等數(shù)據(jù)采集終端連接,也可以和數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行相關(guān)集成,完成相關(guān)采集數(shù)據(jù)的回傳工作。

圖2 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

同時(shí),由于電車管理區(qū)域范圍大,如果采用有線方式布設(shè),則需要大量的有線網(wǎng)絡(luò)支撐。有線網(wǎng)絡(luò)大多采用明線鋪設(shè),易受到惡意的破壞,且鋪設(shè)成本高。采用McWiLL無線網(wǎng)絡(luò)作為無線傳輸方式就避免了以上問題。

3.2.3 視頻下載

通過McWiLL,終端CPE/MEM等可實(shí)現(xiàn)廣告視頻下載等業(yè)務(wù)。固定終端CPE和無線數(shù)傳模塊分別可提供3 Mb/s、1.6 Mb/s的數(shù)據(jù)吞吐率,在每輛列車上安裝一臺(tái)終端,終端通過基站無線接入控制中心數(shù)據(jù)服務(wù)器,來實(shí)現(xiàn)列車視頻廣告無線下載的業(yè)務(wù)功能,如圖3所示。

圖3 列車廣告視頻下載

當(dāng)列車結(jié)束每天的運(yùn)營返回車站后,列車司機(jī)可以打開視頻下載系統(tǒng),由控制中心統(tǒng)一進(jìn)行列車視頻廣告下載工作。

McWiLL專用無線通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)運(yùn)營的基本需求,對(duì)調(diào)度員及工作人員提供無線調(diào)度通信服務(wù)功能,確保固定用戶與移動(dòng)人員及移動(dòng)人員相互之間的可靠語音及數(shù)據(jù)通信。移動(dòng)人員能在大漢陽有軌電車覆蓋區(qū)域之間自動(dòng)漫游,以便于有軌電車運(yùn)營管理應(yīng)急指揮和部分站點(diǎn)區(qū)域等的管理需求。

此外，McWiLL專用無線通信系統(tǒng)能在控制中心與電話系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)互連,在控制中心、車輛段和車站等與傳輸系統(tǒng)互連,為其他機(jī)電系統(tǒng)提供可靠、冗余、可重構(gòu)的靈活信道,保證有軌電車運(yùn)行所需的信息傳輸。McWiLL專用無線通信系統(tǒng)覆蓋區(qū)域包括有軌電車1號(hào)線全線,以及線路中的所有站點(diǎn)(車站、變電所、車輛段等)。

McWiLL專用無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在容量、性能、覆蓋、功能及安裝建設(shè)等方面,實(shí)現(xiàn)有軌電車項(xiàng)目的無線通信功能需求。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)有軌電車運(yùn)營需求和功能要求,結(jié)合現(xiàn)有無線通信技術(shù),比較了主流無線通信方式,并以武漢大漢陽現(xiàn)代有軌電車工程為例，給出適合有軌電車運(yùn)營的基于McWiLL的專用無線通信系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)將為漢陽地區(qū)有軌電車項(xiàng)目提供有效調(diào)度語音、行車數(shù)據(jù)、故障信息的傳輸服務(wù),為有軌電車高效、安全運(yùn)營提供技術(shù)保障。

[1] 唐賈言.現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)營控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2010(12):61-65.

[2] 肖德剛.淺談天津有軌電車交通的無線通信調(diào)度系統(tǒng)[J].鐵道建筑技術(shù),2010(7):47-50.

[3] GB 50157—2013 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 武漢市大漢陽地區(qū)現(xiàn)代有軌電車試驗(yàn)線初步設(shè)計(jì)[R].上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院,2014.

[5] GB 50490—2009 城市軌道交通技術(shù)規(guī)范[S].

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《現(xiàn)代建筑電氣》編輯部

Design on Special Wireless Communication System of Modern Tram Based on Wireless Multimedia Cluster Communication

XIAO Binjie

(Shanghai Urban Construction Design & Research Institute, Shanghai 200125, China)

This paper briefly introduced the functional requirements of modern tram in special wireless communication system,and analyzed the main wireless communication system in detail.Combining by an example of Wuhan modern tram project,a wireless communication system of modern tram based on wireless multimedia cluster communication was put forward,which implemented the voice communication,scheduling call system and data communication.The system implementation shows that the special wireless communication system provides the reliable technology for the secure,high-density and high efficient operation of modern tram.

modern tram; special wireless communication system; wireless multimedia cluster communication; voice communication; data communication

肖賓杰(1979—),男，高級(jí)工程師，從事電氣工程設(shè)計(jì)。

TU 855

A

1674-8417(2015)10-0053-06

2015-09-23