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王 鹏
（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）
地铁消防无线通信系统是城市应急指挥窄带通信地面网在地铁地下范围内的延伸，是轨道交通应急救援设施的重要组成部分[1]。随着2018年《地铁设计防火标准》的发布，行业内首次明确消防无线系统在地铁范围内至少提供3个信道，其中1个信道供消防指挥员用，2个信道供消防队员使用[2]。
2019年12月，中华人民共和国应急管理部在《关于印发地方应急管理信息化2020年建设任务书的通知》中指出，应急指挥窄带无线通信网是基于370 MHz应急专用无线电频率、采用PDT(professional digital trunking，专业数字集群)体制建设的数字集群网。2020年10月，应急管理部又印发ePDT系统总体技术规范、建设指南、频率规范文件，进一步明确固定基站采用集群同频同播技术体制，最大限度地兼容PDT通信系统系列标准，实现同频组网[3]。
现以西安市地铁8号线为例，阐述新技术框架规划下的地铁消防无线通信系统设计思路，特别针对换乘车站的复杂场景模型进行分析，提出相应的设备配置策略。
西安地铁既有线的消防无线通信系统与当前的地面网保持一致，均为基于MPT1327技术的350 MHz模拟常规通信网。在既有线地铁车站公安通信机房内，设置3信道机(载频)数模混合基站[4]。其中：第1个信道机用于消防模拟常规通信，并具备平滑升级为数字PDT模式的能力；
第2个信道机提供两个数字信道，其中一个数字信道用作公安数字集群用户的控制信道，另一个数字信道用作公安数字集群用户的语音信道；
第3个信道机提供两个数字语音信道，在消防无线通信地面网数字化改造后优先用于消防通信用户使用，紧急情况下可灵活分配给公安无线用户使用，或在突发事件情况下转为临时脱网常规通信，或在有线链路故障时用作无线链路信道与公安地面主基站通信[5]。
由于国家应急管理部已经明确其基站采用370 MHz频段，考虑到同一个载频无法同时工作在两个频点，因此公安无线基站与消防无线基站合设时，一个信道机的两个逻辑信道不能分别提供给公安无线和消防无线使用。
如图1所示，基站设备柜内的公安无线信道机和消防无线信道机经过350 MHz同频电桥合路后，经射频线缆馈入专用通信设备室内的POI(多频段分合路器)，与专用无线通信800 MHz的TETRA信号进一步合路，共享车站内室分天馈系统以及区间漏泄同轴电缆覆盖系统[6]。
图1 既有线公安及消防无线系统组网Figure 1 Existing police and fire-fighting wireless system
国家应急管理部要求消防无线通信系统是基于数字PDT技术的集群同频同播系统。地铁消防集群同频同播系统基站空中接口侧须提供控制信道，基站侧配置BDS/GPS(北斗卫星导航系统/全球定位系统)同步单元，实现同频同播基站的严格时间同步，以避免同频干扰中的中心频偏引起的“啸叫”现象[7]。
另外，需要在地面设置同播基站控制器，控制所有的地铁消防同播基站。各同播基站通过其控制器进行互联互通，所有空口信令都由同播基站通过内部接口发送给其控制器进行处理；
同时，处理同播基站控制器发送的各类业务，并保证各同播基站空口发送帧的时间对齐。
因此，新标准下消防无线通信系统只能与公安无线通信系统共用机柜、电源、基站网络交换机等资源。从检修维护、资源共享等角度出发，新建线路的消防无线通信与公安无线通信可按照基站分别独立建设，室分天馈、区间漏缆系统、直放站完全共享的方式建设。
按照国家应急管理部的频率规划，西安地区固定站使用Gd2频率组，包含有51和139两个频道号对应的2对频点，共4个逻辑信道。结合《地铁设计防火标准》，新建线路消防无线通信系统基站应按照2载频配置，共提供1个控制信道和3个业务信道。消防人员在进入地铁的地下部分时，可自动过渡到地下为无线网进行通信[8]。
对于大型车站和长大区间引入直放站系统用于信号的延伸覆盖，采用宽频(同时支持350 MHz和370 MHz频段)模拟光纤直放站，同时对公安无线信号和消防无线信号进行放大。
西安市地铁8号线是西安地铁线网中的环线，其中有18座换乘站。针对不同类型的换乘形式，公安消防通信设备机房的设置方式存在差异。8号线部分换乘站公安消防通信设备用房的设置情况如表1所示。
表1 8号线部分换乘站形式Table 1 Forms of some interchange stations on Line 8
对于通道换乘方式，新线侧车站相当于一个独立的标准车站，新设有公安消防通信机房。在新机房内，设2载频消防无线基站和公安2载频无线基站，信号合路后与地铁TETRA系统共享室分系统和漏缆，完成新线侧站内和区间的覆盖。
对于同台换乘/L型换乘/T型换乘方式，新线新增设备安装在既有线的公安通信机房内，新线侧区域覆盖有3种方式。
方式1：对既有基站扩容。将既有的公安消防3信道机全部调整为公安PDT工作模式，同时新增消防无线2信道机及BDS/GPS时间同步单元。通过引入宽频光纤直放站系统，将5载频信源引至换乘站新线侧的地铁专用通信机房内，与地铁TETRA系统集群调度系统合路，完成新线站内及区间覆盖。
如图2所示，该方式的优点在于无线链路预算不受站型及新老机房间距的影响。由于光纤直放站远端机的最大输出功率为40 dBm，承载5载频时B点信源功率最大为33 dBm/载频。该方式缺点在于要将既有线的窄带直放站设备同步改造为宽频光纤直放站设备，否则既有线区间就没有370 MHz信号覆盖。
图2 扩容方案系统组网Figure 2 Schematic of capacity expansion scheme
方式2：新设公安及消防基站。在既有线机房内，新设一套2载频消防无线基站及一套2载频公安无线基站，信号在柜内合路后，通过射频馈线接入新线侧专用通信设备室内，与地铁TETRA系统集群调度系统再合路，完成新线站内及区间覆盖。
如图3所示，考虑到7/8射频馈线百米传输损耗典型值为2.3dB@370MHz，新设消防无线基站与新线专用通信设备室内的POI合路器间距为300 m时，仅馈线损耗达7 dB；
再计入柜内合路及接头跳线综合损耗2dB，即当基站满功率45 dBm输出时，B点信源功率最高可达36 dBm/载频。
图3 L型换乘站基站安装位置Figure 3 Base station locations in L-type interchange station
方式3：如图4所示，相比于扩容方案，新设基站后的B点信源功率有了3 dB的提升，覆盖能力得到增强。考虑到新增4载频基站的投资额数倍于直放站系统设备，在两者均能满足系统覆盖需求的前提下，扩容方案更为经济合理。但模拟直放站系统的引入，会导致基站上行底噪抬升，有造成系统上行链路受限的风险，所以需进一步定量分析扩容方案的适用范围。
以图中的L型换乘站为例，对于站内25副天线组成的室分天馈系统，设定单天线覆盖半径20 m、移动终端边缘接收场强工程经验值-85 dBm时，若B参考点POI输入功率不小于32 dBm，则末端天线口功率值可有效控制在0～15 dBm范围内，普通规模车站内的覆盖一般不存在瓶颈。因此，考虑覆盖方案是否合理主要集中于两点：一是区间因为覆盖距离过短，是否会造成额外增加直放站；
二是下行覆盖满足要求时，是否上行链路预算受限而造成系统不可用。
现选取极端应用场景，建立链路预算模型：当手持移动终端位于以80 km/h速度运行的车厢内且车内人员密度较大时，分析扩容既有基站并引入直放站系统方案中的换乘站新线区间下行链路的覆盖效果，链路预算如下：
式中：Pin_POI为POI合路器输入功率，直放站系统承载5载频且考虑1dB回退，按32 dBm/载频计列；
POI_DL为以POI输入端为起点的下行链路总损耗；
L_POI为POI插损，当设备类型为2进1出时，取值1.5 dB；
Lp为人体及行李等附加损耗，取值6 dB；
Lsp为隧道内漏缆安装宽度因子，4 m距离时，取值3 dB；
Lb为车体损耗，地铁8号线为A型，车取值9 dB；
Lcou6为6 dB耦合器的直通损耗，取值1.5 dB；
Ldiv4为4功分器插损，取值6.5 dB；
Lcable为基站到区间漏缆接头之间的7/8″射频电缆总损耗，路由按照100 m时取值2.3 dB；
Lm_co为漏泄同轴电缆耦合损耗，取值74 dB；
Lm_trans为漏泄同轴电缆单位长度传输损耗，取值1.3 dBm/100 m；
S_UE为系统设定的终端接收边缘场强，一般选值为–85或–90 dBm。
当S_UE设定为–85 dBm时，代入式(1)，得到消防无线信号在单侧漏泄同轴电缆中的最长传输距离1 015 m。以80 km/h列车运行时速下跨小区切换时间10 s为限计算重叠带，即站间距超过1.8 km的区间需要增设直放站。
当S_UE设定为–90 dBm时，代入式(1)，得到消防无线信号在单侧漏泄同轴电缆中最长传输距离1 400 m。列车以80 km/h运行时速下跨小区切换时间10 s为限计算重叠带，即站间距超过2.5 km的区间需要增设直放站。
8号线的站间距均小于2.5km，因此设定–90 dBm为边缘场强时，系统设计方案更为经济合理。
下面进一步分析直放站系统对于基站接收机底噪抬升的影响，判断上述结论应用于系统上行链路的局限性。该场景假设换乘站既有的3载频基站已经挂有1近(端机)4远(端机)直放站系统。在8号线建设时，对既有基站扩容至5载频后额外引入新的2近5远直放站系统，实现完成新线侧站内及相邻区间的覆盖，因此扩容后基站总共挂有3近9远直放站系统。
假设直放站上行噪声系数为7，则包含有N台远端机的直放站系统的上行综合噪声系数NFN为
当N=9时，NFN为16.54 dB。ePDT基站接收机带内底噪计算[9]如下：
式中：k为波尔茨曼常量，取值1.38×10–23J/K；
T为常温下的开尔文温度，取值300 K；
B为ePDT系统的载频间隔[10]，取值12.5 kHz；
Nd为系统带内热噪声，dBm；
NBS为基站接收机的噪声系数，取值7。
由式(4)可得，ePDT系统在12.5 kHz带内热噪声为–133 dBm，而基站接收机带内底噪Ni为–126 dBm，即2.51×10–13mW。将式中的NBS替换为NFN，则9个远端机的直放站系统底噪为–116.46 dBm，即22.6×10–13mW。从有利于基站解调的角度来看，直放站系统上行增益为0dB更有利于覆盖。那么基站侧总底噪为基站和直放站的底噪之和，即25.11×10–13mW，等效为–116 dBm，此时由于直放站的引入，导致基站底噪抬升约10 dB。图5为类推出的不同数量远端机对于底噪抬升的影响。
图5 远端机数量对于上行链路底噪的影响Figure 5 Influence of the number of remote units on the uplink noise floor
根据PDT系统技术指标[10]，ePDT基站设备共道抑制为12 dB，工程上计列3 dB余量，可按15 dB计列系统的C/I(载干比)。因此，引入9台直放站远端机的ePDT基站解调灵敏度恶化为–101 dBm。
终端标称发射功率33 dBm时，上行链路总损耗为134 dB。若基站下行按照45 dBm满功率输出，而边缘场强设计为–90 dBm，则下行链路总损耗为135 dB，此时上行链路受限，需重新设定系统边缘场强标准要大于–90 dBm。
换乘站新线侧通常新设TETRA基站，考虑到与ePDT系统共用室分天馈和区间漏缆，TETRA基站配套所用的800 MHz直放站远端机数量一般少于5台，此时TETRA系统上行链路底噪抬升约8 dB，受底噪影响程度比ePDT系统要小。
研究结果认为，换乘站按扩容改造既有基站并引入宽频模拟光纤直放站的方式，进行消防无线370 MHz ePDT系统设计较为经济合理。通过量化分析进一步明确如下：
1) 考虑到换乘站规模较大，建议将既有350 MHz公安及消防无线基站全部调整为公安无线基站。同时，扩容增加370 MHz频段的2载频及时间同步单元，用于消防无线数字集群同频同播。
2) 在基站扩容改造后，若其下挂的直放站远端机数量不超过9台时，系统边缘场强应设定高于–90 dBm；
若系统所需远端机数量多于9台，应重新计算底噪，相应升高系统边缘场强的设定值，以确保上行链路不受限。
3) 考虑到上下行链路的预算平衡及后期网络优化，建议系统边缘场强设计指标定在不小于–85 dBm较为稳妥，且不会对合路的TETRA系统造成影响。
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