数字集群通信技术及其在轻轨交通中的应用

数字集群通信技术及其在轻轨交通中的应用
刘钊
摘要：本文介绍了数字集群通信技术的基本概念和标准。结合数字集群通信系统在轻轨交通中的应用，介绍了系统的组成和服务功能。
关键词：集群通信技术 轻轨交通 应用
近年来，我国城市轻轨交通发展十分迅速。为了保证轻轨交通的安全、畅通，必须选用一种可靠、高效并且适合轻轨交通特点的通信技术。众多国家和城市的实践都表明，数字集群通信系统在确保运营效率和行车安全方面有着独特的优势，因此被我国多个城市的轻轨交通采用。
1.数字集群通信的基本知识简介
数字集群通信是移动通信的一个分支，它是一种采用先进的数字技术、信令方式、语音数字编码技术和先进的调制解调技术的专业移动通信系统。数字集群通信系统由于采用信道的时分复用技术，因而一个载频具有多个信道，它集调度、电话、数据、短信、定位服务和多媒体图像等多种功能于一体，在技术上和系统容量上能够满足大型共网的建设要求。数字集群通信系统现今已成为专用无线通信的主体，主要应用于集团调度指挥通信等专业通信领域。该系统具有可用信道能为系统的全体用户共用、自动选择信道的功能，它是共享资源、分担费用、共用信道设备及服务的多用途、高效能的无线调度通信系统。
集群通信的最大特点是话音通信采用PTT。PTT又称为“一键通”，以一按即通的方式接续。其特点是呼叫接续速度较快，说话时才占用信道，接听时只监听信道，接收方不需要摘机即可随时接听下行的呼叫信息。它的运行方式以单工、半双工为主，主要采用信道动态分配方式，并且用户具有不同的优先等级和特殊功能，除一对一通信外，并能支持一点对多点的群组呼叫等功能，通信时可以一呼百应，实现信息的广播式传送。
2.数字集群通信技术标准
国际电信联盟根据世界各国提交的集群通信系统标准共制订了七个数字集群通信系统的国际标准。这７个标准中：ＡＰＣＯ ２５、Ｔｅｔｒａｐｏｌ、ＥＤＡＣＳ等三个为采用频分复用（ＦＤＭＡ）技术的标准；ＴＥＴＲＡ、ＤＩＭＲＳ、ＩＤＲＡ等三个为采用时分复用（ＴＤＭＡ）技术的标准；而Ｇｅｏｔｅｋ为采用跳频多址（ＦＨＭＡ）技术的标准。
为推动集群通信系统在我国的建设和应用，我国信息产业部于２０００年１２月批准发布了《数字集群移动通信系统体制》的行业推荐标准。该标准主要参照国际标准TETRA（体制A）和Motorola公司提出的美国国家标准iDEN（体制B），确定了两种集群通信体制。体制Ａ面向专用调度和共用集群通信网，体制B主要适用于共用集群通信网。标准规定了集群通信系统的工作频段为806MHz～821MHz／851MHz～866MHz，双工频率间隔为45MHz。
TETRA数字集群同时可传数据和话音, 空中接口采用TDMA方式。该系统从设计的开始就周密地考虑了话音和数据两种业务的处理。此外,TETRA采用了时分多址技术,在单个25kHz的无线载频上可提供4个通信信道,这些信道可以是数据和话音的任意组合,还可以将多个时隙复用成一个高速的数据信道,因而具有强大的数据传输功能。
iDEN 数字集群空中接口采用TDMA方式；该系统利用先进的M-16QAM、TDMA、VSELP及越区跟踪等技术，能在25KHz的信道内容纳6个话音信道，加上频率复用技术和蜂窝组网技术，使得有限频点的集群通信网具有大容量、大覆盖区、高保密和高通话清晰度的特点。
目前，我国现阶段采用的主要数字集群技术是TETRA、iDEN、GoTao和GT800等。从目前的应用情况看，TETRA和iDEN两个系统应用较多，尤以TETRA应用更为广泛。GoTa是由中兴通讯提出的新一代数字集群通信系统，GT800系统是华为公司开发的基于GSM的数字集群通信系统。
GoTa是中兴通讯公司自主推出的基于CDMA技术，面向未来技术演进的新一代数字集群通信系统，其含义是开放式集群架构(Global Open Trunking Architecture)，它是为满足数字集群通信专网和共网用户的需要而开发的系统，可以提供共网集群和专业调度统一的业务模式。GoTa系统具有容量大，覆盖面广，抗干扰能力强、快速接入、高信道效率和频谱使用率、较高的用户私密性、易扩展性等优点。除了基本集群调度业务，GoTa还提供成熟完善的移动传统业务，如基本电信业务、补充业务、短消息业务和高速数据业务，还可以实现集团虚拟专用网(VPN)的功能。GoTa技术的发展也越来越成熟，填补了中国在集群通信领域知识产权的空白。GoTa系统已经在数十个国家开通商用局，在全球集群市场取得了突破。
GT800是以GSM-R为基础进行自主技术创新、兼容GSM和TD-SCDMA无线接入技术、满足行业用户指挥调度需求的数字集群系统。它采用GSM的物理结构逻辑信道，增加了组呼信道和广播通知信道。在GSM系统中，每个手机单独分配一个信道进行通话，而在GT800的组呼中所有手机都使用同一个组呼信道进行监听，监听的手机个数不受限制，这样节省了无线信道资源。它采取减少合并消息的方法以及系统同步处理技术节约了呼叫建立的时间。
3.数字集群通信系统的组成
数字集群通信系统的组成与公众移动通信系统类似，但是又有自己的特点。数字集群系统设备由基站、移动台、调度台、交换控制中心、网管设备等部分构成。图1是应用于城市轻轨交通系统的数字集群通信系统的示意图
 

 

图1
基站：是为一个小区服务的无线收发信设备，由基站控制器、无线收发信机、天线共用器、环境告警系统、射频分配及天馈线系统和电源等设备组成。
移动台：用于运行中或停留在某未定地点进行通信的用户台，包括车载台、便携的手持台（也包括车站固定台）。
调度台：是能对移动台进行指挥、调度和管理的设备，分为有线和无线调度台两种，按用途分为行车、公安、公务、维修、车辆等多种调度台。无线调度台由收发机、控制单元、天馈线(或双工台)、电源和操作台组成。
交换控制中心：是为实现移动台与移动台之间，以及移动台与公网和专用网用户之间的通信而进行控制和交换的设备，包括系统控制器、系统管理终端和电源等设备，主要控制和管理整个集群通信系统的运行、交换和接续。
网管设备：是负责系统性能管理、故障管理、配置管理、计费管理、安全管理的设备，由通用计算机和专用的配套软件组成。
轻轨通信系统是一个有线、无线相结合的网络，其中交换控制中心至集群基站之间采用有线传输系统提供的光线通道连接。交换控制中心至集群基站之间有多种连接方式，主要为:点到点、星形、多分支链和环状。基站到移动台之间采用无线空中接口连接。
轻轨交通适合选用面向公路、轨道交通运输服务的专用调度移动通信和面向数据分发、采集的专用移动通信系统，链状覆盖的中小容量、多用户部门的数字集群系统非常适合为轻轨交通提供通信服务。
轻轨数字集群无线通信系统一般由如下子系统构成：
(1)行车指挥子系统:负责完成指挥中心行车调度员与机车司机的通信联系，传送行车指挥话音和数据指挥命令。行车调度员通过行车调度台完成对机车司机的一对一个别选呼;列车出库时，需向调度台发送车次号信息;行车调度员可以发送数据指令;控制中心可接受列车通过无线车载台传来的数据(包括车速、列车位置、机车设备状态、列车风压等数据)。
(2)工务维修子系统:提供工务调度对沿线工务工区的调度通信(采用组呼方式)、提供工务工区对沿线工务移动人员的调度通信(采用组呼方式)、提供工务调度员对全体工务人员的调度通信(采用广播呼叫方式)。
(3)其他维修子系统:提供各专业调度员对本专业维修人员的调度通信。
(4)数据业务子系统:在列车运行的过程中，需不断的采集列车设备的信息，并不断地通过无线系统向控制中心传送列车运行的数据，使控制中心了解列车运行的实时信息，调度员也可向列车发送数据信令。数据业务包括状态信息业务、短数据业务和分组数据业务。
(5)列车广播子系统:在发生事故的情况下，调度员通过无线系统对列车进行广播，组织、引导旅客疏散。
(6)紧急事故救援子系统:在发生事故时，利用数字集群通信系统的动态重组功能，将救援人员及救援车辆组成临时的通话小组，在现场通过无线系统进行紧急救援抢险。
(7)无线调度指挥子系统
包括行车、公安、公务、维修等专业调度。
4.轻轨数字集群通信系统的服务功能
数字集群技术可以有效管理和调度铁路车辆、旅客及货物,有效扩大列车司机与调度中心的调度员之间的通信能力。系统还可以收发调度员与司机间的预定状态信息,使双方及时掌握运营状况。该系统还提供信息技术应用的优势,可以通过系统的图像用户界面,实时准确地指示列车的具体位置,从而提高列车行驶过程中的安全和效率。
数字集群无线通信系统的服务功能包括语音服务、数据服务和辅助服务3大类。
语音服务是集群通信的主要服务功能，它为调度员、列车司机、车站值班员、调车员、养路工、信号工、公安人员等用户在得到网络管理员授权的前提下提供话音通信服务。这种话音服务可以是一个用户与一组用户(通话组)之间的组呼通信，可以是一个用户与多个通话组之间的广播呼叫，可以是具有最高排队优先权的紧急组呼通信，可以是调度台与移动台或移动台之间的私密呼叫通信，可以是移动台用户与有线固定电话用户之间的通信.也可以是移动台用户直通模式话音通信。
数据服务是数字集群技术的特色，它可以为用户和系统管理员提供所需的数据信息。例如，系统可以为管理人员及时提供各种设备状态的数据信息服务，以便管理人员了解系统运行情况及故障状况。当用户使用紧急呼叫时，在相应调度台上或集中告警终端上能够显示紧急告警信息;系统还可以为用户提供短数据信息传送服务等。
辅助服务是数字集群通信系统灵活性和扩展性的主要体现。它可以为用户提供诸如遇忙排队回叫、优先呼叫、通话方识别、动态重组、迟后加入等特殊服务功能。
5.结束语
数字集群通信技术由于其自身特点非常适合组建轻轨运输专用无线通信网，在我国已经得到了较为广泛的应用，其高效、安全等优越性也在实践中得到充分体现，这项技术也适合轨道交通运输（国铁、地铁等），因而有着十分广泛的应用前景。
参考文献：
1.《TETRA数字集群系统在津滨轻轨中的应用》李红，地铁与轻轨， 2003 NO.1
2.《集群通信系统简介及主要技术介绍》 徐杰 摘自尔泰网
3.《我国数字集群的应用现状和技术发展》董晓鲁，通信世界网
4.《TETRA数字集群系统在城市轻轨中的应用》孙昕 黄清 王艳，无线电工程，2001，10
5.《数字集群通信系统的构成及功能》王芳，电信网技术，2005，2

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