基于TETRA的轻轨无线通信系统设计

周玮，董全德

(宿州学院 信息工程学院，安徽 宿州 234000)

基于TETRA的轻轨无线通信系统设计

周玮，董全德

(宿州学院信息工程学院，安徽宿州234000)

为了解决轨道交通通信系统对无线通信的需求，对数字集群通信系统TETRA进行了研究，设计了基于TETRA网络的无线通信系统。分析了轻轨无线通信模型，并设计了软交换系统架构。为了解决轻轨速度过快信号频繁切换带来的问题，设计了AP无线切换模式，并通过冗余的STA设计了可靠的协同通信系统。基于TETRA的无线通信系统能够满足轻轨交通需求，有一定的实用价值。

TETRA；轨道交通；无线切换

随着城市轨道交通系统的发展，轻轨作为方便、快捷的交通工具得到普及。由于轻轨运行速度快，越区切换频繁，传统的无线通信网络无法满足在轻轨无线通信系统的需求。WLAN覆盖半径短，AP干扰强[1]；GSM网络延时大；McWill需要多个网络中继；因此本文采用TETRA技术搭建轻轨无线通信网络。

TETRA数字集群通信系统源于TDMA[2]协议，采用数字时分多址接入可实现数据通信、语音话务等业务。TETRA承载业务广，组网灵活，具有高保密性，高兼容性和高频谱利用率等特性。数字集群通信系统能提供轻轨交通调度、数据传输和话务通信等功能，对城市轻轨通信系统的研究非常重要。

本文主要研究了基于TETRA的城市轻轨通信系统，能够为国内轻轨系统的搭建提供灵活，可靠的通信控制。

1 TETRA系统模型

数字集群通信系统采用的是全IP网络通信结构[3-4]，能够满足用户需求组建移动专网，在很多网络建设中都有应用需求[5]。TETRA具有数据转发、语音通信、业务调度等功能。采用TETRA构建的网络集群通信平台不仅能实现基本的数字通信业务，如数据传输、短信收发和语音通信，还可以在集群中实现业务调度、通信指挥和身份鉴权等功能，能够在集团内部搭建虚拟专用网络平台，符合轨道通信系统建设需求。

图1是TETRA系统的结构模型，整个网络结构分为BTS-BSC基站模块、DAC-DAS调度模块、VPN-VCC模块和软交换模块[6]。

图1 TETRA系统结构图

BTS-BSC基站模块负责基站信号的通信和转换，实现BTS和移动台之间通过空中接口的无线传输及控制。TETRA系统的开放标准化接口包括系统空中接口、终端设备接口、直通模式接口等[7]。信道传输调制比特率为24 kb/s，工作频段在325 MHz～826 MHz范围内。

DAC-DAS调度模块包括集群调度服务器DAS和客户端DAC。DAS服务器集成用户调度操作，和DAS采用C/S架构。DAS与VPN-VCC模块交互，互联MSCe/VLR和HLR/AuC模块。用户数据接入采用ALOHA时隙[8]，支持网络动态重组。

软交换模块提供对TETRA系统的软交换，MSCe负责业务管理和控制网络，HLR负责移动用户管理，在呼叫业务中提供被叫用户的网络路由。软交换模块支持信令用户切换[9]。TETRA无线通信系统支持用户数据分组和电路交换，承载业务数据未保护的语音和数据比特率为7.2 kb/s～28.8 kb/s，高保护度的数据比特率为2.4 kb/s～9.6 kb/s。

2 无线通信模型

2.1 通信模型设计

轻轨无线通信系统架构分成：终端接入层，中间交换层和控制应用层。实现统一平台的车辆通信调度和监控，通过TETRA搭建轻轨交通的虚拟专网，整个架构如图2所示，包括：

终端接入层：包括车辆、音频、视频等应用接入点。入网车辆、车载PC、交通控制等无线接入点在此接入无线网络系统。轻轨专用无线网络采用移动通信可视化系统，列车网络接入延迟lt;120 ms，保障交通正常运行。终端接入层各终端设备接入采用自由频段和额定频段双网通信方式，数据丢包率小于1%。当入网车辆、车载PC采用额定频段进行通信时，需要对通信节点建立鉴权实现身份认证。节点接入安全策略还包括多层次访问控制机制和动态密钥加密机制。

中间交换层：轻轨无线通信核心网络采用全IP网络架构，由远端射频模块RRU和基带处理单元BBU和车载终端进行接入，采用2.5射频信号，可以实现协议配置和数据业务接入等功能。软交换基于TETRA网络采用MGCP标准协议，配套媒体网关MGW和信令网关SS7。中间交换层承载轨道通信集群调度、PIS车辆监控通信和CBTC车辆数据通信等业务，能够实现各系统在该网上的互联和运行。

控制应用层：包括PIS车辆监控装置和CBTC车辆自控装置[10]，实现车-地之间的双向通信。使用大于15 Mb/s下行速率，控制命令下行速率1 Mb/s，用户在此可实现对轻轨无线通信系统的监控，包括车辆状态、参数、运行切换、网络信号等参数信息。

采用TETRA的轻轨无线通信平台能够给用户提供安全的访问控制机制，核心网的交换控制模块是提供网络访问的关键。

图2 轻轨无线通信网络图

2.2 交换控制设计

为了保证轻轨无线通信平台的设计要求，本系统采用VxWorks开放的嵌入式平台，使用Twisted软件框架[8]，整个软交换控制模块包括列车调度，网络控制和呼叫控制等。轻轨无线通信系统采用Tonado，遵循电信设备软件标准。轻轨无线通信软交换架构设计如图3所示：

图3 交换控制模块设计

语音控制BCM为用户提供车辆消息控制，业务流程转换，基站交换处理等业务，上载32 MHz主频，采用Ng通信接口完成主被叫信令的传输。控制单元完成语音呼叫，数据漫游，业务中继等功能，数据中继模块连接数据网关和电话网关并对网络进行管理，并实现与VDB/HDB,DCS等网元接口。交换控制模块通过将下移的IP数据包转发和交换实现轻轨无线通信的群组业务。

轻轨无线通信的交换控制模块可以为用户提供呼叫调度、调度台主被叫控制、语音下放和数据漫游控制等功能，实现轻轨无线通信系统的交换控制设计。

3 详细功能设计

3.1 无线切换设计

为了保障轻轨无线通信系统信号覆盖范围的完整性，必须计算轻轨无线信号AP切换频率。列车中的感应器周期性的检测无线信号强度，当信号强度小于阈值时，重新感应环境信号并将感应到的强度最大的AP作为新的AP接入点。链路信道切换过程如图4所示，包括：

图4 无线切换设计

(1)检测当前信道强度阶段，列车在运行时，通过车载STA系统周期性地判断AP信号强度，信号强度RSSI根据电压大小进行测量。为了精确测量结果，对t时刻信号强度RSSI值取连续n次测量的结果。

(2)AP选择阶段，当车载感应器检测到当前AP信号强度低于阈值时，启动AP选择。设置AP阈值threshold0，计算t时刻RSSI1一直到RSSIn。当移动切换阈值threshold-diff达到门限时启动链路切换过程。

(3)业务切换阶段，在进行AP切换前，对收到的数据存储在缓冲池中，以免在AP切换过程中带来的数据丢失问题。

为了满足网络通信覆盖和业务通信需求，PIS车辆监控通信和CBTC车辆数据通信采用低频段速率，列车在线监控系统和视频监控采用中低速制式，列车公用WIFI采用5 GHz 802.11ac协议。轨道信号在站点、室内采用射频信号全天线覆盖方式，列车和室外使用定向线缆进行辐射，列车区间使用漏缆进行双网覆盖以达到通信的全网覆盖。

3.2 协同通信建立

为了确保轻轨无线通信系统的可靠性，需要对系统软交换通信系统设置容灾备份保护。本文设计了无线系统的协同通信机制，在车载STA(移动站点系统)中搭建传感器模块，检测错误状态。当系统中存在突发告警时检测网络状况并判断启用备份设备，双系统协同通信设计如图5所示。

图5 协同通信设计

通信系统采用冗余的双STA系统，主STA负责主业务调度和与交换中心进行数据接入，主STA和主通信网关处于工作模式。当发生对端设备故障，主STA将IP和MAC地址分别设置为辅STA地址，STA向通信网关发送上行数据。通过增加接入网关和备用设备实现系统通信可靠传输，并且能够实现电路交换的向上兼容。STA系统采用热备份模式，设置接入主通信网关接入数据服务器。车载PC和接入子节点通过H.248协议接入到主STA并能够双向接入，当主STA处于故障模式时，车载PC和接入子节点自动注册到备份STA并进行接入。

4 结语

通过研究数字集群通信系统模型，结合轻轨无线通信存在的问题，设计了基于TETRA网络的无线通信系统。给出了轻轨无线通信模型，并设计了软交换系统架构。结合轻轨无线通信的信道切换需求，设计了车辆无线切换系统，并给出了系统协同通信的设计。通过分析，基于协同通信的STA能保障无线通信的可靠运行，并保证了切换的无缝对接。

[1]唐超.TETRA协议分析仪空中接口协议栈处理软件的研究和开发[D].北京：北京交通大学，2014.

[2]王相辉.基于TETRA的石家庄轨道交通无线通信调度系统的研究与实现[D].天津：天津大学，2012.

[3]赵焱.基于TETRA终端产品的自动化检测系统设计[D].广州：华南理工大学，2012.

[4]桑健.基于TETRA系统的一种端到端加密系统的设计与实现[D].沈阳：东北大学，2008.

[5]冯涛.南京地铁二号线中TETRA系统的设计与实施[D].北京：北京邮电大学，2011.

[6]李永芳.基于Dimetra-IP的地铁无线通信系统互联互通方案[J].信息通信，2013(7)：183-84.

[7]蔡昌俊.城市轨道交通CBTC系统无线同频干扰应对策略[J].铁道通信信号.2013，49(7)：74-76.

[8]宋政育，侯舒娟，吴嗣亮.TETRA专业移动无线通信系统随机接入时延分析[J].北京理工大学学报，2013，33(4)：408-412.

[9]唐超.TETRA协议分析仪空中接口协议栈处理软件的研究和开发[D].北京：北京交通大学，2014.

[10]谢凡.城市轨道交通CBTC系统的数据传输子系统的研究[D].北京：北京交通大学，2007.

2017-07-11

[责任编辑姚胜勋]

ResearchonLightRailCommunicationProblemBasedonTETRA

ZHOUWei，DONGQuande

(SchoolofInformationEngineering，SuzhouUniversity，Suzhou，Anhui234000，China)

In order to solve the demand for wireless communication problem，a wireless communication system based on TETRA is designed.The light rail wireless communication model was analyzed and the architecture of the flexible exchange system was designed.Light rail is too fast and frequently switching its signal.In order to solve the problem，the wireless AP switching mode is designed，and through the redundancy of the STA，a reliable cooperative communication system is designed.Wireless communication system based on TETRA’s can meet the demand of light rail transportation and has certain practical value.

TETRA；rail transit；wireless switch

TP393.2

A

1672-9021(2017)05-00093-06

周玮(1985-)，女，湖南永顺人，宿州学院信息工程学院助教，硕士，主要研究方向：计算机网络。

宿州学院重点科研项目(2016YZD10)；安徽省教育厅自然科学项目(KJ2016A769)；安徽省教育厅自然科学研究项目(KJ20142D31)。