基于TETRA的輕軌無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周瑋，董全德

(宿州學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

基于TETRA的輕軌無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周瑋，董全德

(宿州學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽宿州234000)

為了解決軌道交通通信系統(tǒng)對(duì)無線通信的需求，對(duì)數(shù)字集群通信系統(tǒng)TETRA進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了基于TETRA網(wǎng)絡(luò)的無線通信系統(tǒng)。分析了輕軌無線通信模型，并設(shè)計(jì)了軟交換系統(tǒng)架構(gòu)。為了解決輕軌速度過快信號(hào)頻繁切換帶來的問題，設(shè)計(jì)了AP無線切換模式，并通過冗余的STA設(shè)計(jì)了可靠的協(xié)同通信系統(tǒng)?；赥ETRA的無線通信系統(tǒng)能夠滿足輕軌交通需求，有一定的實(shí)用價(jià)值。

TETRA；軌道交通；無線切換

隨著城市軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展，輕軌作為方便、快捷的交通工具得到普及。由于輕軌運(yùn)行速度快，越區(qū)切換頻繁，傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)無法滿足在輕軌無線通信系統(tǒng)的需求。WLAN覆蓋半徑短，AP干擾強(qiáng)[1]；GSM網(wǎng)絡(luò)延時(shí)大；McWill需要多個(gè)網(wǎng)絡(luò)中繼；因此本文采用TETRA技術(shù)搭建輕軌無線通信網(wǎng)絡(luò)。

TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)源于TDMA[2]協(xié)議，采用數(shù)字時(shí)分多址接入可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、語音話務(wù)等業(yè)務(wù)。TETRA承載業(yè)務(wù)廣，組網(wǎng)靈活，具有高保密性，高兼容性和高頻譜利用率等特性。數(shù)字集群通信系統(tǒng)能提供輕軌交通調(diào)度、數(shù)據(jù)傳輸和話務(wù)通信等功能，對(duì)城市輕軌通信系統(tǒng)的研究非常重要。

本文主要研究了基于TETRA的城市輕軌通信系統(tǒng)，能夠?yàn)閲鴥?nèi)輕軌系統(tǒng)的搭建提供靈活，可靠的通信控制。

1 TETRA系統(tǒng)模型

數(shù)字集群通信系統(tǒng)采用的是全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)[3-4]，能夠滿足用戶需求組建移動(dòng)專網(wǎng)，在很多網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中都有應(yīng)用需求[5]。TETRA具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、語音通信、業(yè)務(wù)調(diào)度等功能。采用TETRA構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)集群通信平臺(tái)不僅能實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)字通信業(yè)務(wù)，如數(shù)據(jù)傳輸、短信收發(fā)和語音通信，還可以在集群中實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)調(diào)度、通信指揮和身份鑒權(quán)等功能，能夠在集團(tuán)內(nèi)部搭建虛擬專用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，符合軌道通信系統(tǒng)建設(shè)需求。

圖1是TETRA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為BTS-BSC基站模塊、DAC-DAS調(diào)度模塊、VPN-VCC模塊和軟交換模塊[6]。

圖1 TETRA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

BTS-BSC基站模塊負(fù)責(zé)基站信號(hào)的通信和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)BTS和移動(dòng)臺(tái)之間通過空中接口的無線傳輸及控制。TETRA系統(tǒng)的開放標(biāo)準(zhǔn)化接口包括系統(tǒng)空中接口、終端設(shè)備接口、直通模式接口等[7]。信道傳輸調(diào)制比特率為24 kb/s，工作頻段在325 MHz～826 MHz范圍內(nèi)。

DAC-DAS調(diào)度模塊包括集群調(diào)度服務(wù)器DAS和客戶端DAC。DAS服務(wù)器集成用戶調(diào)度操作，和DAS采用C/S架構(gòu)。DAS與VPN-VCC模塊交互，互聯(lián)MSCe/VLR和HLR/AuC模塊。用戶數(shù)據(jù)接入采用ALOHA時(shí)隙[8]，支持網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)重組。

軟交換模塊提供對(duì)TETRA系統(tǒng)的軟交換，MSCe負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)管理和控制網(wǎng)絡(luò)，HLR負(fù)責(zé)移動(dòng)用戶管理，在呼叫業(yè)務(wù)中提供被叫用戶的網(wǎng)絡(luò)路由。軟交換模塊支持信令用戶切換[9]。TETRA無線通信系統(tǒng)支持用戶數(shù)據(jù)分組和電路交換，承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)未保護(hù)的語音和數(shù)據(jù)比特率為7.2 kb/s～28.8 kb/s，高保護(hù)度的數(shù)據(jù)比特率為2.4 kb/s～9.6 kb/s。

2 無線通信模型

2.1 通信模型設(shè)計(jì)

輕軌無線通信系統(tǒng)架構(gòu)分成：終端接入層，中間交換層和控制應(yīng)用層。實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一平臺(tái)的車輛通信調(diào)度和監(jiān)控，通過TETRA搭建輕軌交通的虛擬專網(wǎng)，整個(gè)架構(gòu)如圖2所示，包括：

終端接入層：包括車輛、音頻、視頻等應(yīng)用接入點(diǎn)。入網(wǎng)車輛、車載PC、交通控制等無線接入點(diǎn)在此接入無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。輕軌專用無線網(wǎng)絡(luò)采用移動(dòng)通信可視化系統(tǒng)，列車網(wǎng)絡(luò)接入延遲lt;120 ms，保障交通正常運(yùn)行。終端接入層各終端設(shè)備接入采用自由頻段和額定頻段雙網(wǎng)通信方式，數(shù)據(jù)丟包率小于1%。當(dāng)入網(wǎng)車輛、車載PC采用額定頻段進(jìn)行通信時(shí)，需要對(duì)通信節(jié)點(diǎn)建立鑒權(quán)實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證。節(jié)點(diǎn)接入安全策略還包括多層次訪問控制機(jī)制和動(dòng)態(tài)密鑰加密機(jī)制。

中間交換層：輕軌無線通信核心網(wǎng)絡(luò)采用全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由遠(yuǎn)端射頻模塊RRU和基帶處理單元BBU和車載終端進(jìn)行接入，采用2.5射頻信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)協(xié)議配置和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入等功能。軟交換基于TETRA網(wǎng)絡(luò)采用MGCP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，配套媒體網(wǎng)關(guān)MGW和信令網(wǎng)關(guān)SS7。中間交換層承載軌道通信集群調(diào)度、PIS車輛監(jiān)控通信和CBTC車輛數(shù)據(jù)通信等業(yè)務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)各系統(tǒng)在該網(wǎng)上的互聯(lián)和運(yùn)行。

控制應(yīng)用層：包括PIS車輛監(jiān)控裝置和CBTC車輛自控裝置[10]，實(shí)現(xiàn)車-地之間的雙向通信。使用大于15 Mb/s下行速率，控制命令下行速率1 Mb/s，用戶在此可實(shí)現(xiàn)對(duì)輕軌無線通信系統(tǒng)的監(jiān)控，包括車輛狀態(tài)、參數(shù)、運(yùn)行切換、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)等參數(shù)信息。

采用TETRA的輕軌無線通信平臺(tái)能夠給用戶提供安全的訪問控制機(jī)制，核心網(wǎng)的交換控制模塊是提供網(wǎng)絡(luò)訪問的關(guān)鍵。

圖2 輕軌無線通信網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 交換控制設(shè)計(jì)

為了保證輕軌無線通信平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)采用VxWorks開放的嵌入式平臺(tái)，使用Twisted軟件框架[8]，整個(gè)軟交換控制模塊包括列車調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)控制和呼叫控制等。輕軌無線通信系統(tǒng)采用Tonado，遵循電信設(shè)備軟件標(biāo)準(zhǔn)。輕軌無線通信軟交換架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示：

圖3 交換控制模塊設(shè)計(jì)

語音控制BCM為用戶提供車輛消息控制，業(yè)務(wù)流程轉(zhuǎn)換，基站交換處理等業(yè)務(wù)，上載32 MHz主頻，采用Ng通信接口完成主被叫信令的傳輸?？刂茊卧瓿烧Z音呼叫，數(shù)據(jù)漫游，業(yè)務(wù)中繼等功能，數(shù)據(jù)中繼模塊連接數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和電話網(wǎng)關(guān)并對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，并實(shí)現(xiàn)與VDB/HDB,DCS等網(wǎng)元接口。交換控制模塊通過將下移的IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)和交換實(shí)現(xiàn)輕軌無線通信的群組業(yè)務(wù)。

輕軌無線通信的交換控制模塊可以為用戶提供呼叫調(diào)度、調(diào)度臺(tái)主被叫控制、語音下放和數(shù)據(jù)漫游控制等功能，實(shí)現(xiàn)輕軌無線通信系統(tǒng)的交換控制設(shè)計(jì)。

3 詳細(xì)功能設(shè)計(jì)

3.1 無線切換設(shè)計(jì)

為了保障輕軌無線通信系統(tǒng)信號(hào)覆蓋范圍的完整性，必須計(jì)算輕軌無線信號(hào)AP切換頻率。列車中的感應(yīng)器周期性的檢測無線信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度小于閾值時(shí)，重新感應(yīng)環(huán)境信號(hào)并將感應(yīng)到的強(qiáng)度最大的AP作為新的AP接入點(diǎn)。鏈路信道切換過程如圖4所示，包括：

圖4 無線切換設(shè)計(jì)

(1)檢測當(dāng)前信道強(qiáng)度階段，列車在運(yùn)行時(shí)，通過車載STA系統(tǒng)周期性地判斷AP信號(hào)強(qiáng)度，信號(hào)強(qiáng)度RSSI根據(jù)電壓大小進(jìn)行測量。為了精確測量結(jié)果，對(duì)t時(shí)刻信號(hào)強(qiáng)度RSSI值取連續(xù)n次測量的結(jié)果。

(2)AP選擇階段，當(dāng)車載感應(yīng)器檢測到當(dāng)前AP信號(hào)強(qiáng)度低于閾值時(shí)，啟動(dòng)AP選擇。設(shè)置AP閾值threshold0，計(jì)算t時(shí)刻RSSI1一直到RSSIn。當(dāng)移動(dòng)切換閾值threshold-diff達(dá)到門限時(shí)啟動(dòng)鏈路切換過程。

(3)業(yè)務(wù)切換階段，在進(jìn)行AP切換前，對(duì)收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩沖池中，以免在AP切換過程中帶來的數(shù)據(jù)丟失問題。

為了滿足網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋和業(yè)務(wù)通信需求，PIS車輛監(jiān)控通信和CBTC車輛數(shù)據(jù)通信采用低頻段速率，列車在線監(jiān)控系統(tǒng)和視頻監(jiān)控采用中低速制式，列車公用WIFI采用5 GHz 802.11ac協(xié)議。軌道信號(hào)在站點(diǎn)、室內(nèi)采用射頻信號(hào)全天線覆蓋方式，列車和室外使用定向線纜進(jìn)行輻射，列車區(qū)間使用漏纜進(jìn)行雙網(wǎng)覆蓋以達(dá)到通信的全網(wǎng)覆蓋。

3.2 協(xié)同通信建立

為了確保輕軌無線通信系統(tǒng)的可靠性，需要對(duì)系統(tǒng)軟交換通信系統(tǒng)設(shè)置容災(zāi)備份保護(hù)。本文設(shè)計(jì)了無線系統(tǒng)的協(xié)同通信機(jī)制，在車載STA(移動(dòng)站點(diǎn)系統(tǒng))中搭建傳感器模塊，檢測錯(cuò)誤狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)中存在突發(fā)告警時(shí)檢測網(wǎng)絡(luò)狀況并判斷啟用備份設(shè)備，雙系統(tǒng)協(xié)同通信設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 協(xié)同通信設(shè)計(jì)

通信系統(tǒng)采用冗余的雙STA系統(tǒng)，主STA負(fù)責(zé)主業(yè)務(wù)調(diào)度和與交換中心進(jìn)行數(shù)據(jù)接入，主STA和主通信網(wǎng)關(guān)處于工作模式。當(dāng)發(fā)生對(duì)端設(shè)備故障，主STA將IP和MAC地址分別設(shè)置為輔STA地址，STA向通信網(wǎng)關(guān)發(fā)送上行數(shù)據(jù)。通過增加接入網(wǎng)關(guān)和備用設(shè)備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信可靠傳輸，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電路交換的向上兼容。STA系統(tǒng)采用熱備份模式，設(shè)置接入主通信網(wǎng)關(guān)接入數(shù)據(jù)服務(wù)器。車載PC和接入子節(jié)點(diǎn)通過H.248協(xié)議接入到主STA并能夠雙向接入，當(dāng)主STA處于故障模式時(shí)，車載PC和接入子節(jié)點(diǎn)自動(dòng)注冊(cè)到備份STA并進(jìn)行接入。

4 結(jié)語

通過研究數(shù)字集群通信系統(tǒng)模型，結(jié)合輕軌無線通信存在的問題，設(shè)計(jì)了基于TETRA網(wǎng)絡(luò)的無線通信系統(tǒng)。給出了輕軌無線通信模型，并設(shè)計(jì)了軟交換系統(tǒng)架構(gòu)。結(jié)合輕軌無線通信的信道切換需求，設(shè)計(jì)了車輛無線切換系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)協(xié)同通信的設(shè)計(jì)。通過分析，基于協(xié)同通信的STA能保障無線通信的可靠運(yùn)行，并保證了切換的無縫對(duì)接。

[1]唐超.TETRA協(xié)議分析儀空中接口協(xié)議棧處理軟件的研究和開發(fā)[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[2]王相輝.基于TETRA的石家莊軌道交通無線通信調(diào)度系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[3]趙焱.基于TETRA終端產(chǎn)品的自動(dòng)化檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[4]桑健.基于TETRA系統(tǒng)的一種端到端加密系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽：東北大學(xué)，2008.

[5]馮濤.南京地鐵二號(hào)線中TETRA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011.

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[9]唐超.TETRA協(xié)議分析儀空中接口協(xié)議棧處理軟件的研究和開發(fā)[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

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2017-07-11

[責(zé)任編輯姚勝勛]

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

周瑋(1985-)，女，湖南永順人，宿州學(xué)院信息工程學(xué)院助教，碩士，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

宿州學(xué)院重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2016YZD10)；安徽省教育廳自然科學(xué)項(xiàng)目(KJ2016A769)；安徽省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ20142D31)。