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1、基于分布式无线和高级信元的地铁通信系统摘要:提出一种基于分布式无线通信系统构架和高级信元网络技术的宽带地铁综合业务通信系统。该系统具有设计可靠性高、系统伸缩性强、施工方便、便于提供新业务等特点,能够在满足地铁行车调度通信的同时,支持广播电视、移动通信、无线多媒体等综合业务,具有广泛的应用前景。关键词:无线电通信;地铁通信;高级信元1 地铁通信系统的现状 传统的地铁通信系统一般由无线集群通信子系统、光纤传输子系统、中继器加泄漏电缆传输子系统、程控电话子系统、路站监控子系统等构成,用于地铁列车的指挥和运营管理。调度员发出的信息经控制中心及无线移动交换机传至集群基站,基站发出的信息通过光缆传送至各车
2、站中继器,由中继器将信号放大后馈送至全线泄漏电缆辐射出去,使列车司机、车站值班员、手持台持有者均能很好地收到来自调度员的信息。列车司机、车站值班员、手持台持有者发出的信息由泄漏电缆接收后传送至中继器,中继器将信号放大后经光电转换设备、光合路器与光缆相连,通过光缆将信息传送至基站,再由基站经控制中心及无线移动交换机传至调度员。这种配置下系统能够满足工作人员之间的两两相互通信要求,但没有考虑到对公众无线和蜂窝移动通信系统的支持,已经不能适应现代地铁运营环境的要求。 为此,移动通信运营公司和地铁运营公司采取一系列的措施,向乘客提供移动通信服务。但由于缺乏统一规划,各自为政,形成了地铁内有多个网络系统
3、设备和传输天线或电缆的局面,这不仅增加了施工难度,而且重复建设的费用巨大。对于新建地铁系统而言,如何以较低的成本代价建设高质量的地铁通信系统,成为系统规划时需要解决的重要问题。 我们提出一种综合了最新技术的分布式无线通信技术和高级信元网络技术的综合地铁通信网络系统,完全可以实现在地铁内享受业务多样、话音清晰、图像流畅、绿色无害的通信服务。 2 分布式无线通信系统DWCS和高级信元传输ACT 理论研究表明多天线系统的容量远大于单天线系统,而本文提出的分布式天线系统是多天线理论在系统网络结构层面的一种有效应用。分布式无线通信系统1DWCS(distributedwirelesscommunicat
4、ionsystem)将蜂窝系统中的基站简化为收发天线和信号转换装置,天线之间用光纤连接,天线的设置与用户密度相对应:在用户密度低的地区,可以减少天线数目,类似于现有蜂窝系统,在用户密度较高的地区,则采用较大的天线密度,降低各天线的发射功率,形成分布式接入系统。分布式天线系统中各天线的收发信号处理是在处理单元(分布式或半分布式)而不是在天线处进行的。 DWCS的最大特点是采用分布式结构和处理方法实现无线通信系统。在系统的结构上,传统的移动通信系统采用蜂窝结构,一个地区被划分成多个小区,每个小区设立一个中心基站和天线,负责覆盖整个小区,而在DWCS系统中,多根天线分布在一个地区的不同位置,负责向所
5、有用户收集和发送无线信号,所有信号由分布式处理单元统一处理,因此完全打破了传统的蜂窝结构,可以解决在高传输速率、高业务质量和高通信容量情况下,蜂窝小区结构容易崩溃的危险。 分布式概念的另一层含义是处理单元的分布性,即由多个网络处理器分别负责天线信号的处理。这样易于引入并行计算,解决高速通信中集中处理计算复杂度高的问题,同时增加系统的可靠性。高级信元传输ACT(advancedcelltransfer)协议是一组面向连接的传输层网络协议。与ATM相比,它具有两个突出特点:一是多级信元长度,二是增强服务质量保证,能够克服现有ATM网络的缺点,解决了目前网络发展存在的问题,具有广阔的应用前景。 高级
6、信元传输网络借鉴了IP和ATM网络中的合理经验,能够在现有的硬件条件和网络应用技术下,使网络在服务效率、服务质量和安全性等多方面得到保证,并能够与现有的IP网络兼容。 3 基于DWCS和ACT的现代地铁综合通信系统 现代地铁通信系统应该是一个集列车指挥运行、地铁运营管理、地铁环境公众服务和各种信息传递于一体的“综合传输网”,囊括GSM网、CDMA网、GPRS和WAP上网、调频广播、无线寻呼、无线局域网甚至数字电视、移动多媒体,是一个高可靠、易扩充、组网灵活、并能传递语音、数据和视频等各种信息的综合业务数字通信网。 地铁综合通信系统将网络传输与业务应用相分离,以实现对多种不同业务的支持。其应用模
7、型如图1。基础通信设施包括时钟、电源、无线、有线等公用设施。利用这些公用的基础通信设施,可以构建高级信元传输和交换网络,实现网络寻址和传输服务质量保证。其上的公务电话、公众电话、客服系统、票务系统、监控报警子系统等虚拟专用通信子系统,则使用高级信元网络提供的传输能力提供相应的业务服务。 首先考虑无线系统。目前技术均采用无线基站接入,差别仅在于无线信号辐射方法。一种是使用直放站驱动多根天线,延伸基站天线信号覆盖范围。这种方案设计简单、初期安装费用较为低廉;但系统通用性较差,升级维护困难,天线数目多且安装复杂,容易形成信号盲区。另一种是使用泄漏同轴电缆,作为信号辐射和检测的天线,通过调整辐射衰减,
8、可以适应不同的现场环境。泄漏电缆天线的工作带宽可以涵盖GSM、CDMA以及未来的3G通信的频段,甚至包括FM、DAB等广播频段和视频信号;泄漏电缆可以悬挂在隧道两侧,施工简便,但成本较高。 本文提出的无线系统采用了一种新的分布式无线通信技术。系统中接入处理节点可以置于地铁系统的控制中心,也可以根据地铁沿线的站台数适当配置。分布式多天线通过高速光纤网在处理节点处进行集中的信号处理和分发控制,从而充分利用空间资源,成倍地提高了无线频谱利用率及系统容量。系统中各天线的收发信号处理是在处理单元(分布式或半分布式)而不是在天线处进行,这有利于各种先进信号处理技术和分布计算技术的应用。与蜂窝系统相比,分布
9、式无线通信网络从根本上获得了更高的系统容量和更快的传输速率。 这种分布式无线接入系统包括分布式天线、分布式接入处理节点、分布式光纤链路、光分路复接器等。其中,分布式天线包括泄漏同轴电缆、宽频通用光端天线。泄漏电缆和光纤分布式天线的综合运用,可以保证地铁系统内拥有很好的信号覆盖;泄漏电缆适用于隧道区域和车厢覆盖,而光纤分布式天线则适用于地铁站台、站厅和商业街区域覆盖。 综合业务的实现依赖于高级信元交换技术。传统信元交换技术(如ATM)完全可以实现各种业务的综合传输,但同时也存在应用成本较高的不足。高级信元交换技术通过采用多级信元体系,扩展了支持的速率范围;通过显式优先级控制,进一步提高了对多种媒
10、体业务的支持能力。 地铁基础通信网络的主干部分基于分布式光纤的分组交换网络,采用高级信元传输方式来进行带宽分配和管理,能够迅速、准确、透明地传送通信系统中的一切语音、数据、图像等信息,提供弥足珍贵的网络可靠性。通过采用统一的高级信元网络传输层,系统实现了网络接口的标准化,对下便于各种设备之间的互联互通,对上便于多种业务的集成。 地铁综合通信系统业务层由公务电话、公众电话、客服、票务、监控等子系统组成。这里公务电话系统除了普通电话的通话功能,还具备相应的呼叫、广播、录音存储、显示、监测和优先权等功能;公众电话系统除了在站厅、站台上向乘客提供有线付费电话,还通过分布天线向乘客提供地铁环境下的城市蜂
11、窝移动通信信号中继,消除手机信号盲区;客服子系统可为中心调度员、车站值班员、列车广播员提供对相应区域的有线广播;票务系统包括了自动售票、自动检票和电子车票几个部分;监控和报警子系统将采集到的数据送往指定的监控中心,对异常情况采取相应的措施。 4 现代地铁综合通信系统的性能分析 地铁综合通信系统的性能主要取决于基础通信网络的综合传输和处理能力。设计过程中对典型地铁环境下的基础通信网络传输性能进行了仿真。采用了环形和星型两种典型的配置模型,如图2所示。由于地铁本身多呈链状,采用带有自动保护切换的环形配置是很自然的。然而从交换效率的角度看,星型配置可以取得更好的性能,因此同样值得研究。 仿真表明,高
12、级信元网络对于实时业务的交换时延低于每节点200s。对于一个长50km、具有30个站台的线型地铁网络,环形配置端到端传输延迟不超过3ms,无需分级即可实现多种业务的实施传送。如果采用分级星型交换配置,端到端传输延迟不超过1ms。 5 结束语 分布式无线系统和高级信元网络技术的出现,使得现代地铁综合通信系统可以将地铁通信系统划分成基础通信设施和专用通信服务系统两部分来设计,基础通信设施为通信服务系统提供数据传输服务,通信服务系统使用统一的通信接口接入基础通信网络,根据需要提供各种专门的通信服务。这种设计可靠性高、系统伸缩性强、便于提供新业务,可以提供最大限度的系统扩展能力。 参考文献:1ZHOUShi-dong,ZHAOMing,XUXi-bin,:anewarchitectureforfuturepublicwirelessaccessJ.CommunicationsMagazineIEEE,2003,41(3):108-113.CHENXiang-ning,J.2000-S,2000,2:726-729.陈相宁,王京,程时昕,等.ATM技术的回顾与展望J.电子与信息学报,2003,25(9):1268-1275.陈相宁,谭玉平.浅谈地铁综合通信系统C/隆克平,聂能,竺南直.第九届全国青年通信学术会议论文集.北京:电子工业出版社,2004:1498-1501.
