地鐵公安無線通信系統研究

摘　要:對地鐵公安無線通信系統的組網方案進行分析,在總結現有實踐經驗的基礎上提出今后的發展方向。
關鍵詞:地鐵; 公安通信系統; 工程實踐; 組網方案; 傳播特性　　
1 　概述
公安無線通信網是公安指揮信息系統的重要組成部分。無線通信是公安指揮調度、救災搶險、處置突發事件、交通管理、社會治安必不可少的重要通信保障手段。公安無線通信必須具有群體通信的能力和多警種綜合立體作戰能力。目前,現有的地鐵內公安無線通信手段僅能提供地下范圍內通信,并不適合公安業務的性質與特點,因此對于地鐵公安來講需建立適合自己業務特點的地面、地下立體覆蓋無線通信專用網。
市公安局軌道交通分局在已投入運營的地鐵1 號、2 號線使用的是屬于350 M 專用列調系統(屬于專用的常規通信方式) 的設備,使用一個專用頻點,主要以組呼的方式進行通信,功能簡單,與地面公安無線采用的系統制式不同,不能兼容和互通。公安干警在執勤時為保證通信聯系的暢通必須攜帶多臺不同制式的手機,造成使用上的不便并容易貽誤戰機。由于地面無線信號無法穿透地面覆蓋到地下,公安目前的地面350 M 集群系統信號無法覆蓋地下車站,為提高公安的反應能力,有必要建設與350 M 集群無線通信系統完全兼容的地鐵公安無線通信系統。
2 　系統要求
(1) 建設原則
要求系統配置合理,投資少,系統維護管理容易。系統具有先進性、實用性、經濟性、穩定性,保證能與現有地面350 M 集群系統實現完全的互聯互通。
(2) 實現目標
現有公安350 M 模擬集群無線系統的信號引入地鐵,實現地面與地下的無線信號無縫連接,覆蓋車站的出入口、站廳、站臺和隧道,覆蓋率達到95 %以上。提供先進的系統管理終端,可對地下所有基站進行遠程監控,原有地面集群電臺進入地下能照常使用。系統設計須為今后的擴充留有足夠的發展余地,結構及設備應易于擴展。
3 　系統功能
(1) 呼叫功能
系統支持的基本呼叫功能包括:個呼,組呼,廣播呼,優先呼, 緊急呼, PABX 呼叫, PSTN 呼叫, 狀態呼叫,短數據呼叫,具有呼叫轉移功能。所有組呼、個呼均能在地面和地下發起呼叫,電臺在地面基站和地下基站能做到自動漫游,無需手動換場。
(2) 通話組設置
日常工作狀態下,以一條地鐵為單位設置通話組, 并留有備用組。如:2005 年后上海市將建成9 條地鐵線,每條地鐵線都應有獨立的通話組和備用組。重大保衛任務狀態和緊急狀態下,以所有地鐵為單位設置通播組,并留有備用組。
(3) 系統管理功能
系統通過設置網管終端實現:由軟件授權設立不同等級的網管終端,最高級別網管終端可以對所有節點控制器、基站控制單元以及所有終端用戶進行監控和管理。次級網管終端可以對本地區所有基站控制單元以及所屬終端用戶進行監控和管理。
具體功能如下:
用戶功能限制;
全網自動漫游;
強插、強拆功能;
系統實時參數修改;
繁忙自動排隊、自動回叫;
電臺遙斃與復活;
通話限時;
動態重組;
實時顯示通話記錄。
4 　組網方案
(1) 方案選擇
在保證公安用戶其功能和可靠性的前提下,組網方案必須是經過實際驗證的引入系統,將地面既有的公安無線通信網引入到地下空間,延續其功能并提供良好的覆蓋。
從鏈路信號引入方式來講,可以采取有線鏈路或無線鏈路的方式,其中有線鏈路的技術是非常成熟的, 無線鏈路可以分為無線延伸基站和無線分基站2 種方式。此外,還有一種技術體制簡單的無線集群基地臺+ 常規中轉臺組合方案。方案考慮到可靠性的問題, 不考慮采用直放站來進行信號覆蓋。從組網結構的成熟性和可靠性進行分析,有4 種方案可以選擇: 方案1 ,采用350 M 無線集群延伸基站方案; 方案2 ,采用350 M 無線集群分基站方案(有線鏈路); 方案3 ,采用350 M 無線集群分基站方案(無線鏈路); 方案4 ,采用350 M 無線集群基地臺+ 常規中轉臺組合方案。
(2) 方案分析
① 方案1 :采用350 M 無線集群延伸基站方案網絡結構如圖1 所示。
地下車站3 信道集群延伸基站的頻率采用隔站復用,所有用戶的入網注冊、漫游區域、用戶等級及權限, 由市局既有的350 M 集群系統網管終端設置。單個集群延伸基站內的移動用戶之間,個呼、組呼均不占用地面屬主基站的話音信道。地下與地面、地下2 座以上車站的集群移動臺之間的個呼、組呼則須占用地面屬主集群基站的話音信道。
每個集群延伸基站內部設置4 個跨站組,其中2 個為當前地鐵的工作通話組和備份組,另外2 個為以后建設的地鐵所有基站的通播組及通播備用組。當有移動臺發起地鐵工作通話組時,地鐵范圍內所有移動臺都能夠接收到該組呼的呼叫。所有地下車站集群延伸基站的上行鏈路信號都通過地面全向天線對應于市局已建的2 個地面350 M 集群基站,并且在集群延伸基站參數設置上將這2 個基站設置為互補備份。一旦這2 個基站中的一個因故障癱瘓,所有地下集群延伸基站的上行鏈路將自動對應到另外一個基站,保障無線通信不間斷暢通。
由于集群延伸基站的區間呼叫必須占用地面屬主基站的話音信道,此時被占用的話音信道用作專用的無線鏈路頻點,因此集群引入系統對應的地面2 個屬主基站應增加2 個區間集群信道機及相應的配套設備。到后期如果更多的地鐵投入使用,應對屬主基站再進行擴容,保障地鐵的地下車站及隧道區間350 M 集群引入系統區間通信的鏈路暢通。
方案的特點在于不需要專門的有線鏈路,節省費用; 對主站系統和用戶透明, 可與不同廠家的MPT1327 系統配套使用;覆蓋范圍更加廣泛,安裝簡單容易,故障弱化能力強。
無線延伸站的主要應用是主基站的盲區補充覆蓋,技術上的弱點是全部建立呼叫的過程是靠主基站的控制信道協助完成,增加主基站控制信道處理通信工作負荷。同時該種工作方式會增加對主基站控制信道干擾的危險性,目前延伸基站的應用已經在逐步減少。還有一個缺點是要占用地面的通話頻率作為專用的鏈路頻點,如果到更多的地鐵投入使用,將會占用大量的頻率

圖1 　方案1 網絡結構示意　　

該方案在已經建設的市局地面350 M 模擬集群系統的基礎上,在地下車站各建設一套3 信道的無線集群延伸基站。該延伸基站分為二部分,一部分為下行基站設備,另外一部分為連接地面集群基站的上行鏈路設備。
② 方案2 :采用350 M 無線集群分基站方案
(有線鏈路) 網絡結構如圖2 所示。該方案是在市局地面350 M 群系統的基礎上,在地下車站各建設一套3 信道的350 M 無線集群分基站,采用隔站復用頻率的方式。組網采用有線鏈路的鏈路頻點, 大大節省了頻率資源。采用無線鏈路的無線分基站是完整的分基站概念, 技術特點是全部呼叫過程與有線分基站基本相同。無線分基站的本基站電臺呼叫是由無線分基站的控制信道完成, 而跨基站呼叫是由2 個基站的控制信道分別完成。無線分基站的主要特點是本地電臺之間的呼叫和區間電臺之間的呼叫是完全隔離的, 由基站本身自動區別, 這樣就排除了對主基站的干擾可能性, 由于采用分段處理, 呼損率也大大降低, 基站自身具備遠程參數管理、監控管理等

圖2 　方案2 網絡結構示意方式, 基站通過傳輸通道與市局的350 M 集群系統節點控制器和交換單元聯網。由于采用了有線鏈路的方式,市局350 M 中心網管可以監控所有基站的當前工作狀態, 包括每個基站的信道當前配置信息、工作狀態信息、實時通話信息等, 可以實現很強的功能。
采用有線聯網的組網方式, 地下車站基站間、地下與地面基站間的通話都要通過市局350 M 中心節點交換機進行交換, 目前市局地面350 M 系統已建設2 個節點控制交換單元, 連接十多個基站。由于每個節點控制交換設備最大控制容量為30 個分基站, 由于每個車站都要安裝分基站, 到后期如果更多的地鐵投入使用, 應對市局350 M 集群系統中心機房再增加相應的節點控制交換設備, 保證今后越來越多地下車站分基站的建設容量要求。
③ 方案3 :350 M 無線集群分基站方案(無線鏈路) 網絡結構如圖3 所示。
與采用有線鏈路的分基站相當的網管功能。無線分基站方式在結構上可以認為是相對應地面屬主基站的垂直延伸, 也可以看作是獨立通信基站。地下無線基站與地面基站網組網的關聯結構是當需要與地面通信時, 邏輯上地面基站已經需要分配話音信道, 在這個信道的基礎上, 自動增加一個地下聯網工作信道, 相對簡單而且效率高。在采用大數量大規模基站組網時在理論技術上和實際應用上都沒有基站數量的限制, 系統在擴容時不需要象采用有線鏈路的無線分基站設備增加節點控制交換設備, 增加無線分基站對既有地面系統帶來的影響相當于增加地面無線終端, 可以較好地適應地鐵車站逐年增加, 系統負荷增大的問題(主要是區間通話帶來的占用地面通話信道的問題) 。但隨著地下分基站數的增多必須增加系統對應的地面屬主基站的容量, 增加區間集群信道機和相應的配套設備以緩解大量使用分基站帶來的對地面通話信道的壓力。但是不斷擴容還是會帶來一定的維護

圖3 　方案3 網絡結構示意
該方案的基本工作原理與采用有線鏈路的無線集群分基站類似, 但在鏈路技術上有相當的改進, 采用了無專用鏈路的的無線鏈路技術。
④ 方案4 :采用350 M 無線集群基地臺+ 常規中轉臺組合方案網絡結構如圖4 所示。350 M 無線集群基地臺+ 常規中轉臺這種技術上較簡單、經濟的組合方案, 由于在地下部分采用了常規中轉臺, 所以在地下范圍內公安的模擬集群終端只能使用常規模擬的方式工作。雖然不能完全實現地面網絡的所有功能, 但大部分公安日常的呼叫和調度功能可以實現, 如果采用專門設備還可以實現電臺的身份碼顯示功能。
該方案是在已建的市局地面350 M 系統的基礎之上, 在地下車站各建設1 套2 信道的集群-常規中轉站, 其中上行與地面350 M 集群基站聯網部分為350 M 集群基地臺, 地下車站下行部分為常規中轉臺。
與地面350 M 系統聯網部分的350 M 集群基地臺各設置1 個預置當前組,4 個被叫組,其中1 個為當前組,1 個備份組,1 個通播組,1 個通播備份組。集群基地臺可注冊的地面集群基站,由市局350 M 中心機房網管終端設定2 個主基站,一旦任何1 個地下常規中轉臺接收到移動臺的呼叫,中轉臺將啟動連接地面集群基站的集群車臺發起當前組呼,通過地面集群基站將呼叫信號轉發給每個地下車站中轉臺,再通過常規中轉臺將呼叫信號發送給地下車站的每個移動臺。重干擾,全部地面地下相關電臺無法再工作。而這時幾乎無法檢測出是哪個基站出了問題發出干擾信號。
第2 種方案,采用有線鏈路集群分基站引入方案。該方案的特點:系統管理完善,基站信息數據交換不占用無線通道,地下車站間的通話,外部干擾小,通話質量能夠得到保障。但是,該方案不足的地方,需要有線鏈路的支持,如果沒有現成的有線鏈路,需要另外投資建設有線鏈路,具體實施難度較大。
第3 種方案,采用無鏈路集群分基站(無線鏈路) 。該方案已在地鐵1 號線北延伸的地下車站得到運用。新建地鐵線的設計也多采用這種方案。該方案的特點:系統管理完善,故障弱化能力強,維護方便, 地下區間通話不占用地面集群信道資源,外部干擾小,通話質量能夠得到保障,無線鏈路可以多重備份。該方案不足的地方是由于每個車站均需設置無線分基站,而規劃建設的地鐵車站很多,那需要建設的基站數量將會很大(遠遠超過公安地面所用的基站數總和),將來的維護和管理任務也相對艱巨。
第4 種采用集群-常規引入的方案,具有投資

圖4 　方案4 網絡結構示意
地下車站常規基站區間呼叫必須占用地面集群基站的話音信道,因此350 M 集群引入系統對應的地面集群主基站應增加區間集群信道機和相應的配套設備。到地鐵大量建成的時候,建議所有地下車站基站連接地面集群系統的350 M 集群基地臺都使用相同的當前組呼,既可以一呼百應,又可以節省地面集群基站的信道和頻率資源。
(3)方案比較
第1 種方案,采用無線鏈路的集群基站延伸引入方案。該方案雖有安裝簡單,無需有線鏈路支持的特點,但由于區間呼叫需要地面集群基站的信道支持,到2005 年后上海9 條軌道交通環線的全面開通,地面至少需要建設1 個12 信道的集群基站。目前市局地面350 M 系統已建成16 個集群基站,80 多個集群信道。如果2005 年后繼續擴展地面集群基站或信道,可能存在的問題是用于無線鏈路頻率資源緊張、頻率相互間的干擾增多(包括與周邊省的頻率干擾) 、投資成本增加等。
延伸站最大的缺陷,是因為其通明工作方式決定電臺發出的信號必須原時間穿過延伸站到達中心基站,如果延伸站收到的是干擾信號,同理也馬上轉到中心基站,當使用大量的延伸站,有一個延伸站被巧合的連續干擾信號穿過去,中心基站的控制信道將受到嚴成本低,維護方便(設備更換簡單易行,一般基層干警也可以完成),呼叫快捷,使用簡單的特點。不足的地方就是需要地面集群基站的支持,由于采用地下常規無線通信方式,部分在地面可以使用的模擬集群功能受到限制,手機進入地下時,須手動將集群模式轉換成常規模式。
5 　推薦意見
根據以上的方案比較可知,有較充足的投資并能落實維護管理費用情況下,選擇采用方案3 即無鏈路集群分基站(無線鏈路)方案從性能上講是最理想的。但是第4 種采用集群-常規引入的方案雖然有部分的功能損失,但不失為一種性價比很高的方案,可以作為地鐵建設公安無線引入系統的備用可選方案。