基于无线多媒体集群通信的现代有轨电车专用无线通信系统设计

2015-03-22上海市城市建设设计研究总院上海200125

现代建筑电气 2015年10期

肖宾杰(上海市城市建设设计研究总院, 上海 200125)

肖宾杰
(上海市城市建设设计研究总院, 上海 200125)

简要介绍了现代有轨电车的专用无线通信系统功能需求,详细分析了主流的无线通信制式,并以武汉大汉阳现代有轨电车工程为例,提出一种适用于现代有轨电车的基于无线多媒体集群通信制式的无线通信系统,实现了通话、调度呼叫和数据传输的功能。已有系统实施的效果表明,无线通信系统为有轨电车安全、高密度、高效运营提供了可靠技术手段。

现代有轨电车; 专用无线通信系统; 无线多媒体集群通信; 语音通信; 数据通信

0 引言

现代有轨电车作为近年来迅速发展的公共交通方式,在运量/节能、环保、经济、舒适性等方面均有突出优势,可有效提升城市公共交通服务水平,缓解交通压力。现代有轨电车在国内得到迅速发展,并已在沈阳、苏州等城市建成投运。

现代有轨电车专用无线通信系统是为保证有轨电车安全、高密度、高效运营而建设的话音、数据通信系统,能提供通话、调度呼叫、数据传送功能、辅助业务及网络管理功能。该系统为有轨电车运营的固定用户和移动用户之间的语音和数据信息交换,为行车安全、提高运输效率和管理水平、改善服务质量提供了重要保证。当有轨电车运营出现异常情况和有线通信出现故障时,可迅速提供防灾救援和事故处理等指挥所需要的通信手段。

本文根据有轨电车相应功能需求,分析了无线通信系统制式,并以武汉大汉阳现代有轨电车工程为例,提出有针对性的高效、实用化构建方案。

1 现代有轨电车无线通信功能需求

武汉市大汉阳地区现代有轨电车试验线工程西起武汉市黄陵官莲湖路,沿凤凰大道、硃薛路、全力三路、后官湖大道、车城西路、沌阳大道走行,终点位于沌阳大道与东风交叉口前。该线终点站车轮广场站分别与在建武汉地铁3 号线沌阳大道站换乘，线路全长18.265 km。

通信系统是有轨电车保证列车安全高效运营、为乘客出行提供高质量信息服务的网络平台,是有轨电车正常运转的神经系统[1-2]。该工程的无线通信子系统为有轨电车运营的固定用户(控制中心、车辆段调度员等)和移动用户(列车司机、防灾人员、维修人员)之间的语音和数据信息交换提供可靠的通信手段,实现调度员与工作人员之间无线调度通信服务功能,确保固定用户与移动人员及移动人员相互之间的可靠语音及数据通信。

专用无线系统应简单,方便维护。语音和数据信息交换提供可靠的通信手段,主要功能需求包括:

(1) 通话。系统具备全双工、半双工、单工等各种通话方式,实现移动用户之间、移动用户和固定用户、移动用户与调度台之间的通话。

(2) 调度呼叫功能。系统具有单呼、组呼、通播组呼叫和全呼功能以及普通呼叫、紧急呼叫功能;遇忙排队、自动回叫、自动重发功能;呼入呼出限时功能;主叫号码叫显示、缩位拔号功能;迟后进入、超出服务区指示功能。此外,系统应具有多级优先功能,可采用多个优先级。

(3) 数据传输功能。系统数据承载业务包括定位信息、预先定义状态信息传送、数据业务和分组数据业务。利用系统数据功能可以在移动终端之间、移动终端和固定用户之间进行短消息传送。此外,系统还应具有信号接入功能,获取用户的状态信息服务、紧急告警服务、出入库自检服务、列车状态监控服务,以便了解在线列车的车号、车次等信息,并与之进行通话[3,5]。

2 无线通信系统实现方式及优势

2.1 无线通信制式

目前,实现专用无线系统方式主要有以下三种:

(1) 自建数字集群系统——TETRA制式的专用无线系统。陆上集群无线电(Terrestrial Trunked Radio,Tetra)通信系统是基于数字时分多址(TDMA)技术的专业移动通信系统,是欧洲通信标准协会(ETSI)为了满足欧洲各国的专业部门对移动通信的需要,具有兼容性好、开放性好、频谱利用率高、保密功能强等特点。

(2) 自建多载波无线信息本地环(Multi-carrier Wireless Information Local Loop,McWiLL)制式的专用无线系统。McWiLL是一种无线多媒体集群通信系统,宽带无线接入系统基于IP分组交换网络以及软交换核心网络架构,采用码扩正交频分多、智能天线、空间零陷、联合检测等无线通信技术,可为用户提供可靠的无线数据语音传输平台。

(3)租用公共移动通信系统或政务专网。采用目前已经建设的公共移动通信网络或政务专网进行实时数据传输,具有覆盖范围广、无需申请专用频点、无需建设基站等优点,但需运营部门为相关管理部门每年付一定的费用,并且后期管理、维护、无线调度等安全保障都得依赖于运营商。

另外,可供选择的还有无线局域网(WLAN)技术、LTE(Long Term Evolution)等。LTE改进并增强了3G的空中接入技术,在20 MHz频谱带宽可提供下行100 Mb/s和上行50 Mb/s的峰值速率,改善小区边缘用户性能,提高小区容量,降低系统延迟。WLAN是由IEEE 802.11工作组规定的无线通信系统,主要解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入,业务限于数据存储,最大速率为2 Mb/s。上述无线通信技术未能全部实现现代有轨电车无线通信功能需求,可作为实现单一功能的备选技术方案。

2.2 无线通信系统制式比较与分析

TETRA技术是目前较先进、生产厂商众多的数字集群系统,具有调度功能完善、产品选择余地大、技术先进等特点,广泛应用于地铁无线调度系统,但其数据传输能力极弱,不能满足乘客信息系统的数据通信需求。McWiLL是实现宽窄带业务高效融合的移动宽带无线接入系统,完成语言、宽带数据和多媒体集群业务的融合,占用5 MHz频宽,实现15 Mb/s峰值速率,并发300路语音。

McWiLL与TETRA技术对比及与集群通信的性能比选如表1、表2所示[4]。

由表1、表2可见,TETRA制式作为成熟的无线通信技术,契合调度功能需求,较好满足语音通话功能,但需增设无线数据通信系统满足有轨电车的数据通信需求;McWiLL制式在语言容量、时延、同频复用、漫游等功能方案优于或相当于TETRA制式性能,兼有语音和数据调度、高效语音、高速无线上网、高速数据传输、高清视频监控的优势,满足现代有轨电车的通话、调度呼叫和数据传输的功能需求;而租用公共移动通信网络可利用现有资源,具有成本低的突出优势,但通信的可靠性不足。

表1 McWiLL与TETRA技术参数及性能比较

表2 McWiLL与集群系统的对比

通过对比分析,综合考虑投资、后期管理及维护成本,现代有轨电车自建McWiLL制式的专用无线系统是一种兼具先进性和实用性的方案,该制式基于IP分组交换网络以及软交换核心网络架构,为用户提供可靠的无线数据语音传输平台,同时兼顾数据传输的需求。

3 基于McWiLL的现代有轨电车无线通信系统

3.1 系统组成

McWiLL宽带无线接入系统的系统网络主要由核心网、无线网络层、接入层三部分组成。

(1)核心网设备主要包括业务接入控制器、调度平台、多媒体业务平台等。

(2)无线网络层设备包括基站。

(3)接入层设备包括无线接入设备、手持集群终端、车载台等。

系统总体组成如图1所示。

图1 基于McWiLL的现代有轨电车专用无线通信网络组成

在图1中,系统充分利用轨道交通现有的通信资源和中心服务资源,McWiLL基站与系统现有的以太网和办公网络通过有线、光纤等分组方式连接,实现现有数据、语音、视频传输等业务的无线延伸,构建基于IP网络的语音集群、视频下载的综合业务系统,搭建统一的信息化业务平台。

基于McWiLL系统架构,大汉阳地区现代有有轨电车专业无线通信满足提供控制中心、车辆段与正线提供专用的语音及数据通道,实现车辆与控制中心的无线语音通信及数据传输,并能够在控制中心实现录音,同时可与段内维修人员进行无线通信等功能。通信系统需覆盖大汉阳地区现代有有轨电车18.265 km正线及25座车站、12座变电所、1处车辆段、1座控制中心。该工程基于McWiLL系统基站实现无线覆盖,基站需要采用光纤、网线等有线方式连接到轨道交通的IP通信网络中,再由IP网络连接各个平台和服务器设备,其中包括数据业务平台、集群调度平台、多媒体业务平台和网络管理平台等,并且McWiLL网络与现有Internet、办公网络实现对接。

3.2 有轨电车无线通信系统功能实现

McWiLL根据业务需求,提供不同形式的终端,如手持集群终端/PDA、固定终端(CPE/MEM/车载台)等,实现语音集群调度、可视化调度、无线视频监控、列车工况信息/环境信息采集、短信息收发、终端GPS定位、移动宽带、移动办公等多种信息化服务业务。基站的最大吞吐量为15 Mb/s,可将各种形式的终端数据承载到IP网络中。

3.2.1 集群调度

McWiLL宽带无线多媒体通信系统,采用了8 kb/s的细颗粒度带宽分配机制,单基站支持双向各300个业务信道,支持不小于70路终端并发,支持20个集群组呼并发。调度平台完成用户业务信息管理、用户及终端认证和等级管理、移动性管理以及切换、漫游、高效话音、对基站的管理等功能,相应的数据流在调度平台和基站以及终端之间传送。

通过DCS1000调度系统,可实现整个网络的语音调度通信功能。

3.2.2 数据业务

利用McWiLL网络,可以完成相关行车工况信息、环境数据采集及传输等业务功能。

数据业务如图2所示。McWiLL系统使用专用数据传输模块,可提供网口和串口通信与传感器等数据采集终端连接,也可以和数据采集终端进行相关集成,完成相关采集数据的回传工作。

图2 数据业务

同时,由于电车管理区域范围大,如果采用有线方式布设,则需要大量的有线网络支撑。有线网络大多采用明线铺设,易受到恶意的破坏,且铺设成本高。采用McWiLL无线网络作为无线传输方式就避免了以上问题。

3.2.3 视频下载

通过McWiLL,终端CPE/MEM等可实现广告视频下载等业务。固定终端CPE和无线数传模块分别可提供3 Mb/s、1.6 Mb/s的数据吞吐率,在每辆列车上安装一台终端,终端通过基站无线接入控制中心数据服务器,来实现列车视频广告无线下载的业务功能,如图3所示。

图3 列车广告视频下载

当列车结束每天的运营返回车站后,列车司机可以打开视频下载系统,由控制中心统一进行列车视频广告下载工作。

McWiLL专用无线通信系统可以实现线网运营的基本需求,对调度员及工作人员提供无线调度通信服务功能,确保固定用户与移动人员及移动人员相互之间的可靠语音及数据通信。移动人员能在大汉阳有轨电车覆盖区域之间自动漫游,以便于有轨电车运营管理应急指挥和部分站点区域等的管理需求。

此外，McWiLL专用无线通信系统能在控制中心与电话系统、时钟系统、信号系统互连,在控制中心、车辆段和车站等与传输系统互连,为其他机电系统提供可靠、冗余、可重构的灵活信道,保证有轨电车运行所需的信息传输。McWiLL专用无线通信系统覆盖区域包括有轨电车1号线全线,以及线路中的所有站点(车站、变电所、车辆段等)。

McWiLL专用无线通信系统设计方案在容量、性能、覆盖、功能及安装建设等方面,实现有轨电车项目的无线通信功能需求。

4 结语

本文根据有轨电车运营需求和功能要求,结合现有无线通信技术,比较了主流无线通信方式,并以武汉大汉阳现代有轨电车工程为例，给出适合有轨电车运营的基于McWiLL的专用无线通信系统方案。该系统将为汉阳地区有轨电车项目提供有效调度语音、行车数据、故障信息的传输服务,为有轨电车高效、安全运营提供技术保障。

[1] 唐贾言.现代有轨电车的运营控制系统[J].自动化应用,2010(12):61-65.

[2] 肖德刚.浅谈天津有轨电车交通的无线通信调度系统[J].铁道建筑技术,2010(7):47-50.

[3] GB 50157—2013 地铁设计规范[S].

[4] 武汉市大汉阳地区现代有轨电车试验线初步设计[R].上海市城市建设设计研究总院,2014.

[5] GB 50490—2009 城市轨道交通技术规范[S].

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《现代建筑电气》编辑部

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