王 鵬

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043）

地鐵消防無線通信系統(tǒng)是城市應(yīng)急指揮窄帶通信地面網(wǎng)在地鐵地下范圍內(nèi)的延伸，是軌道交通應(yīng)急救援設(shè)施的重要組成部分[1]。隨著2018年《地鐵設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布，行業(yè)內(nèi)首次明確消防無線系統(tǒng)在地鐵范圍內(nèi)至少提供3個信道，其中1個信道供消防指揮員用，2個信道供消防隊員使用[2]。

2019年12月，中華人民共和國應(yīng)急管理部在《關(guān)于印發(fā)地方應(yīng)急管理信息化2020年建設(shè)任務(wù)書的通知》中指出，應(yīng)急指揮窄帶無線通信網(wǎng)是基于370 MHz應(yīng)急專用無線電頻率、采用PDT(professional digital trunking，專業(yè)數(shù)字集群)體制建設(shè)的數(shù)字集群網(wǎng)。2020年10月，應(yīng)急管理部又印發(fā)ePDT系統(tǒng)總體技術(shù)規(guī)范、建設(shè)指南、頻率規(guī)范文件，進(jìn)一步明確固定基站采用集群同頻同播技術(shù)體制，最大限度地兼容PDT通信系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)同頻組網(wǎng)[3]。

現(xiàn)以西安市地鐵8號線為例，闡述新技術(shù)框架規(guī)劃下的地鐵消防無線通信系統(tǒng)設(shè)計思路，特別針對換乘車站的復(fù)雜場景模型進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的設(shè)備配置策略。

1 既有地鐵線路消防基站配置方案

西安地鐵既有線的消防無線通信系統(tǒng)與當(dāng)前的地面網(wǎng)保持一致，均為基于MPT1327技術(shù)的350 MHz模擬常規(guī)通信網(wǎng)。在既有線地鐵車站公安通信機房內(nèi)，設(shè)置3信道機(載頻)數(shù)?；旌匣綶4]。其中：第1個信道機用于消防模擬常規(guī)通信，并具備平滑升級為數(shù)字PDT模式的能力；第2個信道機提供兩個數(shù)字信道，其中一個數(shù)字信道用作公安數(shù)字集群用戶的控制信道，另一個數(shù)字信道用作公安數(shù)字集群用戶的語音信道；第3個信道機提供兩個數(shù)字語音信道，在消防無線通信地面網(wǎng)數(shù)字化改造后優(yōu)先用于消防通信用戶使用，緊急情況下可靈活分配給公安無線用戶使用，或在突發(fā)事件情況下轉(zhuǎn)為臨時脫網(wǎng)常規(guī)通信，或在有線鏈路故障時用作無線鏈路信道與公安地面主基站通信[5]。

由于國家應(yīng)急管理部已經(jīng)明確其基站采用370 MHz頻段，考慮到同一個載頻無法同時工作在兩個頻點，因此公安無線基站與消防無線基站合設(shè)時，一個信道機的兩個邏輯信道不能分別提供給公安無線和消防無線使用。

如圖1所示，基站設(shè)備柜內(nèi)的公安無線信道機和消防無線信道機經(jīng)過350 MHz同頻電橋合路后，經(jīng)射頻線纜饋入專用通信設(shè)備室內(nèi)的POI(多頻段分合路器)，與專用無線通信800 MHz的TETRA信號進(jìn)一步合路，共享車站內(nèi)室分天饋系統(tǒng)以及區(qū)間漏泄同軸電纜覆蓋系統(tǒng)[6]。

圖1 既有線公安及消防無線系統(tǒng)組網(wǎng)Figure 1 Existing police and fire-fighting wireless system

2 地鐵消防無線通信系統(tǒng)建設(shè)新標(biāo)準(zhǔn)

國家應(yīng)急管理部要求消防無線通信系統(tǒng)是基于數(shù)字PDT技術(shù)的集群同頻同播系統(tǒng)。地鐵消防集群同頻同播系統(tǒng)基站空中接口側(cè)須提供控制信道，基站側(cè)配置BDS/GPS(北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng))同步單元，實現(xiàn)同頻同播基站的嚴(yán)格時間同步，以避免同頻干擾中的中心頻偏引起的“嘯叫”現(xiàn)象[7]。

另外，需要在地面設(shè)置同播基站控制器，控制所有的地鐵消防同播基站。各同播基站通過其控制器進(jìn)行互聯(lián)互通，所有空口信令都由同播基站通過內(nèi)部接口發(fā)送給其控制器進(jìn)行處理；同時，處理同播基站控制器發(fā)送的各類業(yè)務(wù)，并保證各同播基站空口發(fā)送幀的時間對齊。

因此，新標(biāo)準(zhǔn)下消防無線通信系統(tǒng)只能與公安無線通信系統(tǒng)共用機柜、電源、基站網(wǎng)絡(luò)交換機等資源。從檢修維護(hù)、資源共享等角度出發(fā)，新建線路的消防無線通信與公安無線通信可按照基站分別獨立建設(shè)，室分天饋、區(qū)間漏纜系統(tǒng)、直放站完全共享的方式建設(shè)。

按照國家應(yīng)急管理部的頻率規(guī)劃，西安地區(qū)固定站使用Gd2頻率組，包含有51和139兩個頻道號對應(yīng)的2對頻點，共4個邏輯信道。結(jié)合《地鐵設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》，新建線路消防無線通信系統(tǒng)基站應(yīng)按照2載頻配置，共提供1個控制信道和3個業(yè)務(wù)信道。消防人員在進(jìn)入地鐵的地下部分時，可自動過渡到地下為無線網(wǎng)進(jìn)行通信[8]。

對于大型車站和長大區(qū)間引入直放站系統(tǒng)用于信號的延伸覆蓋，采用寬頻(同時支持350 MHz和370 MHz頻段)模擬光纖直放站，同時對公安無線信號和消防無線信號進(jìn)行放大。

3 不同換乘站形式下消防無線基站設(shè)置

西安市地鐵8號線是西安地鐵線網(wǎng)中的環(huán)線，其中有18座換乘站。針對不同類型的換乘形式，公安消防通信設(shè)備機房的設(shè)置方式存在差異。8號線部分換乘站公安消防通信設(shè)備用房的設(shè)置情況如表1所示。

表1 8號線部分換乘站形式Table 1 Forms of some interchange stations on Line 8

對于通道換乘方式，新線側(cè)車站相當(dāng)于一個獨立的標(biāo)準(zhǔn)車站，新設(shè)有公安消防通信機房。在新機房內(nèi)，設(shè)2載頻消防無線基站和公安2載頻無線基站，信號合路后與地鐵TETRA系統(tǒng)共享室分系統(tǒng)和漏纜，完成新線側(cè)站內(nèi)和區(qū)間的覆蓋。

對于同臺換乘/L型換乘/T型換乘方式，新線新增設(shè)備安裝在既有線的公安通信機房內(nèi)，新線側(cè)區(qū)域覆蓋有3種方式。

方式1：對既有基站擴容。將既有的公安消防3信道機全部調(diào)整為公安PDT工作模式，同時新增消防無線2信道機及BDS/GPS時間同步單元。通過引入寬頻光纖直放站系統(tǒng)，將5載頻信源引至換乘站新線側(cè)的地鐵專用通信機房內(nèi)，與地鐵TETRA系統(tǒng)集群調(diào)度系統(tǒng)合路，完成新線站內(nèi)及區(qū)間覆蓋。

如圖2所示，該方式的優(yōu)點在于無線鏈路預(yù)算不受站型及新老機房間距的影響。由于光纖直放站遠(yuǎn)端機的最大輸出功率為40 dBm，承載5載頻時B點信源功率最大為33 dBm/載頻。該方式缺點在于要將既有線的窄帶直放站設(shè)備同步改造為寬頻光纖直放站設(shè)備，否則既有線區(qū)間就沒有370 MHz信號覆蓋。

圖2 擴容方案系統(tǒng)組網(wǎng)Figure 2 Schematic of capacity expansion scheme

方式2：新設(shè)公安及消防基站。在既有線機房內(nèi)，新設(shè)一套2載頻消防無線基站及一套2載頻公安無線基站，信號在柜內(nèi)合路后，通過射頻饋線接入新線側(cè)專用通信設(shè)備室內(nèi)，與地鐵TETRA系統(tǒng)集群調(diào)度系統(tǒng)再合路，完成新線站內(nèi)及區(qū)間覆蓋。

如圖3所示，考慮到7/8射頻饋線百米傳輸損耗典型值為2.3dB@370MHz，新設(shè)消防無線基站與新線專用通信設(shè)備室內(nèi)的POI合路器間距為300 m時，僅饋線損耗達(dá)7 dB；再計入柜內(nèi)合路及接頭跳線綜合損耗2dB，即當(dāng)基站滿功率45 dBm輸出時，B點信源功率最高可達(dá)36 dBm/載頻。

圖3 L型換乘站基站安裝位置Figure 3 Base station locations in L-type interchange station

方式3：如圖4所示，相比于擴容方案，新設(shè)基站后的B點信源功率有了3 dB的提升，覆蓋能力得到增強?？紤]到新增4載頻基站的投資額數(shù)倍于直放站系統(tǒng)設(shè)備，在兩者均能滿足系統(tǒng)覆蓋需求的前提下，擴容方案更為經(jīng)濟合理。但模擬直放站系統(tǒng)的引入，會導(dǎo)致基站上行底噪抬升，有造成系統(tǒng)上行鏈路受限的風(fēng)險，所以需進(jìn)一步定量分析擴容方案的適用范圍。

4 復(fù)雜場景模型下的鏈路預(yù)算

以圖中的L型換乘站為例，對于站內(nèi)25副天線組成的室分天饋系統(tǒng)，設(shè)定單天線覆蓋半徑20 m、移動終端邊緣接收場強工程經(jīng)驗值-85 dBm時，若B參考點POI輸入功率不小于32 dBm，則末端天線口功率值可有效控制在0～15 dBm范圍內(nèi)，普通規(guī)模車站內(nèi)的覆蓋一般不存在瓶頸。因此，考慮覆蓋方案是否合理主要集中于兩點：一是區(qū)間因為覆蓋距離過短，是否會造成額外增加直放站；二是下行覆蓋滿足要求時，是否上行鏈路預(yù)算受限而造成系統(tǒng)不可用。

現(xiàn)選取極端應(yīng)用場景，建立鏈路預(yù)算模型：當(dāng)手持移動終端位于以80 km/h速度運行的車廂內(nèi)且車內(nèi)人員密度較大時，分析擴容既有基站并引入直放站系統(tǒng)方案中的換乘站新線區(qū)間下行鏈路的覆蓋效果，鏈路預(yù)算如下：

式中：Pin_POI為POI合路器輸入功率，直放站系統(tǒng)承載5載頻且考慮1dB回退，按32 dBm/載頻計列；POI_DL為以POI輸入端為起點的下行鏈路總損耗；L_POI為POI插損，當(dāng)設(shè)備類型為2進(jìn)1出時，取值1.5 dB；Lp為人體及行李等附加損耗，取值6 dB；Lsp為隧道內(nèi)漏纜安裝寬度因子，4 m距離時，取值3 dB；Lb為車體損耗，地鐵8號線為A型，車取值9 dB；Lcou6為6 dB耦合器的直通損耗，取值1.5 dB；Ldiv4為4功分器插損，取值6.5 dB；Lcable為基站到區(qū)間漏纜接頭之間的7/8″射頻電纜總損耗，路由按照100 m時取值2.3 dB；Lm_co為漏泄同軸電纜耦合損耗，取值74 dB；Lm_trans為漏泄同軸電纜單位長度傳輸損耗，取值1.3 dBm/100 m；S_UE為系統(tǒng)設(shè)定的終端接收邊緣場強，一般選值為–85或–90 dBm。

當(dāng)S_UE設(shè)定為–85 dBm時，代入式(1)，得到消防無線信號在單側(cè)漏泄同軸電纜中的最長傳輸距離1 015 m。以80 km/h列車運行時速下跨小區(qū)切換時間10 s為限計算重疊帶，即站間距超過1.8 km的區(qū)間需要增設(shè)直放站。

當(dāng)S_UE設(shè)定為–90 dBm時，代入式(1)，得到消防無線信號在單側(cè)漏泄同軸電纜中最長傳輸距離1 400 m。列車以80 km/h運行時速下跨小區(qū)切換時間10 s為限計算重疊帶，即站間距超過2.5 km的區(qū)間需要增設(shè)直放站。

8號線的站間距均小于2.5km，因此設(shè)定–90 dBm為邊緣場強時，系統(tǒng)設(shè)計方案更為經(jīng)濟合理。

5 直放站系統(tǒng)對工程設(shè)計指標(biāo)的影響

下面進(jìn)一步分析直放站系統(tǒng)對于基站接收機底噪抬升的影響，判斷上述結(jié)論應(yīng)用于系統(tǒng)上行鏈路的局限性。該場景假設(shè)換乘站既有的3載頻基站已經(jīng)掛有1近(端機)4遠(yuǎn)(端機)直放站系統(tǒng)。在8號線建設(shè)時，對既有基站擴容至5載頻后額外引入新的2近5遠(yuǎn)直放站系統(tǒng)，實現(xiàn)完成新線側(cè)站內(nèi)及相鄰區(qū)間的覆蓋，因此擴容后基站總共掛有3近9遠(yuǎn)直放站系統(tǒng)。

假設(shè)直放站上行噪聲系數(shù)為7，則包含有N臺遠(yuǎn)端機的直放站系統(tǒng)的上行綜合噪聲系數(shù)NFN為

當(dāng)N=9時，NFN為16.54 dB。ePDT基站接收機帶內(nèi)底噪計算[9]如下：

式中：k為波爾茨曼常量，取值1.38×10–23J/K；T為常溫下的開爾文溫度，取值300 K；B為ePDT系統(tǒng)的載頻間隔[10]，取值12.5 kHz；Nd為系統(tǒng)帶內(nèi)熱噪聲，dBm；NBS為基站接收機的噪聲系數(shù)，取值7。

由式(4)可得，ePDT系統(tǒng)在12.5 kHz帶內(nèi)熱噪聲為–133 dBm，而基站接收機帶內(nèi)底噪Ni為–126 dBm，即2.51×10–13mW。將式中的NBS替換為NFN，則9個遠(yuǎn)端機的直放站系統(tǒng)底噪為–116.46 dBm，即22.6×10–13mW。從有利于基站解調(diào)的角度來看，直放站系統(tǒng)上行增益為0dB更有利于覆蓋。那么基站側(cè)總底噪為基站和直放站的底噪之和，即25.11×10–13mW，等效為–116 dBm，此時由于直放站的引入，導(dǎo)致基站底噪抬升約10 dB。圖5為類推出的不同數(shù)量遠(yuǎn)端機對于底噪抬升的影響。

圖5 遠(yuǎn)端機數(shù)量對于上行鏈路底噪的影響Figure 5 Influence of the number of remote units on the uplink noise floor

根據(jù)PDT系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)[10]，ePDT基站設(shè)備共道抑制為12 dB，工程上計列3 dB余量，可按15 dB計列系統(tǒng)的C/I(載干比)。因此，引入9臺直放站遠(yuǎn)端機的ePDT基站解調(diào)靈敏度惡化為–101 dBm。

終端標(biāo)稱發(fā)射功率33 dBm時，上行鏈路總損耗為134 dB。若基站下行按照45 dBm滿功率輸出，而邊緣場強設(shè)計為–90 dBm，則下行鏈路總損耗為135 dB，此時上行鏈路受限，需重新設(shè)定系統(tǒng)邊緣場強標(biāo)準(zhǔn)要大于–90 dBm。

換乘站新線側(cè)通常新設(shè)TETRA基站，考慮到與ePDT系統(tǒng)共用室分天饋和區(qū)間漏纜，TETRA基站配套所用的800 MHz直放站遠(yuǎn)端機數(shù)量一般少于5臺，此時TETRA系統(tǒng)上行鏈路底噪抬升約8 dB，受底噪影響程度比ePDT系統(tǒng)要小。

6 結(jié)論

研究結(jié)果認(rèn)為，換乘站按擴容改造既有基站并引入寬頻模擬光纖直放站的方式，進(jìn)行消防無線370 MHz ePDT系統(tǒng)設(shè)計較為經(jīng)濟合理。通過量化分析進(jìn)一步明確如下：

1) 考慮到換乘站規(guī)模較大，建議將既有350 MHz公安及消防無線基站全部調(diào)整為公安無線基站。同時，擴容增加370 MHz頻段的2載頻及時間同步單元，用于消防無線數(shù)字集群同頻同播。

2) 在基站擴容改造后，若其下掛的直放站遠(yuǎn)端機數(shù)量不超過9臺時，系統(tǒng)邊緣場強應(yīng)設(shè)定高于–90 dBm；若系統(tǒng)所需遠(yuǎn)端機數(shù)量多于9臺，應(yīng)重新計算底噪，相應(yīng)升高系統(tǒng)邊緣場強的設(shè)定值，以確保上行鏈路不受限。

3) 考慮到上下行鏈路的預(yù)算平衡及后期網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，建議系統(tǒng)邊緣場強設(shè)計指標(biāo)定在不小于–85 dBm較為穩(wěn)妥，且不會對合路的TETRA系統(tǒng)造成影響。