鐵路站場無線通信技術探析

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1鐵路站場無線通信技術運用及發(fā)展

目前，根據鐵路總公司的技術政策，無線列調通信主要選擇450MHz無線通信系統(tǒng)和GSM-R移動通信系統(tǒng)之一。站場常規(guī)無線通信主要采用400MHz無線電臺、400MHz數字集群等實現站場各類業(yè)務的無線通信。隨著無線通信技術發(fā)展，450MHz無線電臺在鐵路列車無線調度通信系統(tǒng)應用中將逐漸被其他技術替代。鐵路總公司將LTE無線通信技術作為下一代鐵路列車無線調度通信技術正在展開應用技術研究。

1.1數字無線電臺應用

目前，鐵路常用的數字無線電臺主要有450MHz、400MHz數字無線電臺。450MHz數字無線電臺主要用于普速鐵路列車無線調度通信、調度命令和無線車次號校核信息傳送，400MHz數字無線電臺主要用于站場常規(guī)無線通信。國家規(guī)定給鐵路的450MHz、400MHz頻點有限，需要各鐵路局申請額外頻點才能滿足站場無線對講業(yè)務需求。鐵路總公司鐵運函[2014]31號要求，貨車列尾裝置可采用GSM-R/400MHz雙模列尾裝置，在非GSM-R鐵路區(qū)段，列尾無線通信使用400MHz頻率；站場無線調車繼續(xù)使用鐵路專用的400MHz頻段頻率。在編組站，規(guī)劃分配的400MHz專用頻率資源不足，無法滿足運用需求時，由各鐵路局無線電主管部門負責向屬地省級無線電管理部門申請400MHz額外的頻率。對于當前使用450～470MHz頻段頻率用于鐵路養(yǎng)護維修、生產組織、監(jiān)控監(jiān)測、公安保衛(wèi)、應急保障等各類區(qū)域性普通無線電對講通信業(yè)務，應結合更新改造退出450～470MHz頻率。需要繼續(xù)使用的業(yè)務，由鐵路局統(tǒng)一向屬地省級無線管理部門申請400MHz、150MHz、160MHz的頻率。鐵路總公司規(guī)定，對涉及車地人員之間相互通信的業(yè)務，為簡化終端設備的配置，宜優(yōu)先規(guī)劃申請400MHz頻率，以便與總公司規(guī)劃的跨局通信業(yè)務頻率工作在同一頻段。站場所有業(yè)務采用無線電臺通信，則會造成無線設備設置分散、數量多、無法集中維護和管理。而且，無線電臺通信不適應高速率、高帶寬的車地數據信息業(yè)務傳送，不能滿足未來站場的自動化、智能化、高帶寬業(yè)務發(fā)展需求。

1.2數字集群無線通信技術應用

集群通信，即無線專用調度通信系統(tǒng)，早期，集群通信從“一對一”的對講機形式、同頻單工組網形式、異頻雙工組網形式以及進一步帶選呼的系統(tǒng)，發(fā)展到多信道用戶共享的調度系統(tǒng)，并在政府部門、警務、鐵路、地鐵、電力、民航等各行各業(yè)的指揮調度中發(fā)揮了重要作用。國際上數字集群調度系統(tǒng)主要有TETRA、iDEN和FHMA3種較為先進的技術體制，由于這3種技術體制構成的無線通信系統(tǒng)互通性不太理想，主要用于地鐵、航空、公安等專網應用，未在鐵路領域獲得推廣應用。近年來，隨著數字移動無線電標準（DMR）制定，我國無線設備供貨商根據數字移動無線電標準（DMR）為各企業(yè)用戶提供DMR數字集群系統(tǒng)設備。DMR標準是完全公開的標準，國內擁有眾多供應商支持，國內設備廠家生產的400MHz的DMR數字集群系統(tǒng)已在部分鐵路站場獲得應用。鐵路使用的400MHz的DMR數字集群系統(tǒng)主要采用403～470MHz頻段的專用頻點，通過數字通道實現基站與IP控制服務器間的連接，控制臺、運用服務器與IP控制服務器連接，構成站場無線通信平臺，可提供同頻單工或異頻雙工方式，根據站場業(yè)務特性要求進行業(yè)務與頻點綁定，也可以各業(yè)務采用公共頻點通信。400MHz的DMR數字集群無線通信系統(tǒng)主要功能是實現移動人員間點對點對講功能，以及移動終端與固定終端或移動終端與移動終端間的點對點低速率數據信息傳送。站場所有業(yè)務采用400MHz集群無線通信，其無線設備可以集中設置、減少設備數量、并能集中維護和管理，最適用于解決站場平面調車業(yè)務和無線對講業(yè)務，以及綜合自動化SAM系統(tǒng)車地信息傳送。但是，不適應高速率、高帶寬的車地數據信息業(yè)務傳送，頻點也受限于國家規(guī)定給鐵路的400MHz頻點，系統(tǒng)能提供的業(yè)務容量有限。

1.3GSM-R移動通信技術應用

GSM-R數字移動通信技術作為中國鐵路列車無線通信主要采用的技術，鐵路總公司已建立了一整套相關標準和規(guī)定。在中國高速鐵路、客運專線、重載鐵路、城際鐵路或部分普速鐵路均選擇GSM-R數字移動通信技術構建鐵路無線通信系統(tǒng)，主要用于列車無線調度語音通信，以及調度命令、車次號校核、列控信息、機車同步操控等數據信息傳送。GSM-R系統(tǒng)包括移動交換子系統(tǒng)（SSS）、移動智能網子系統(tǒng)（IN）、通用分組無線業(yè)務子系統(tǒng)（GPRS）、無線子系統(tǒng)（BSS）、無線終端、運營與支撐子系統(tǒng)（OSS）等部分。其中，移動智能網子系統(tǒng)（IN）由鐵路總公司統(tǒng)一設置2套，互為冗余，作為全路GSM-R系統(tǒng)共用。在鐵路總公司各鐵路局設置移動交換子系統(tǒng)（SSS）、通用分組無線業(yè)務子系統(tǒng)（GPRS）、運營與支撐子系統(tǒng)（OSS）各1套設備，根據用戶需求在鐵路沿線、車站、樞紐設置無線子系統(tǒng)（BSS），配置相應的無線終端設備。雖然，GSM-R數字移動通信系統(tǒng)可以實現鐵路沿線和車站統(tǒng)一的綜合無線通信系統(tǒng)平臺，提供列車無線調度通信、站場常規(guī)無線通信語音和低速數據信息傳送，設備能集中維護和管理。但是，由于GSM-R數字移動通信系統(tǒng)的頻點有限，站場所有業(yè)務采用GSM-R的系統(tǒng)實現會造成信道占用很大，現有的頻點不夠使用，當站場靠近正線鐵路或通過正線列車時，會對列車調度指揮系統(tǒng)產生影響。因此，GSM-R數字移動通信系統(tǒng)未被全面應用于站場常規(guī)無線通信業(yè)務。目前，只能適用于解決站場部分語音業(yè)務，以及低速率、時延要求不高的數據信息傳送。

1.4WLAN無線局域網技術應用

WLAN無線局域網是指利用無線通信技術在一定的局部范圍內建立的網絡，屬于計算機網絡與無線通信技術相結合的產物。WLAN無線局域網技術使用戶擺脫各種線路的束縛，可以隨時隨地接入網絡。WLAN（Wi-Fi）無線通信可采用2.4GHz或者5.8GHz通信頻段。在鐵路領域，WLAN無線局域網技術主要應用在編組站綜合自動化車地數據信息無線傳送。采用2.4GHz頻段和IEEE802.11g、IEEE802.11n標準的設備進行組網，實現綜合自動化CIPS調機業(yè)務等信息傳送需求。綜合自動化WLAN無線局域網系統(tǒng)主要由WLAN終端設備、接入點設備（AP）、接入控制點設備（AC）、PORTAL服務器、RADIUS認證服務器、用戶認證信息數據庫、業(yè)務運營支撐系統(tǒng)等組成。由于WLAN無線局域網頻點是公眾頻點，將會受到外界終端設備的干擾，列車遮擋物影響，以及缺乏站場無線對講業(yè)務、無線調車等業(yè)務的終端設備支持。因此，WLAN無線局域網不適用于涉及行車安全的鐵路調車業(yè)務，不適應未來站場業(yè)務發(fā)展需求。

1.5LTE移動通信技術應用

LTE移動通信技術是鐵路下一代寬帶無線通信技術發(fā)展方向，比較適用于寬帶數據信息無線傳輸。LTE有TD-LTE與FD-LTE兩種不同的制式，雖然總體上都滿足大帶寬的數據通信需求，但也存在很多不同。FD-LTE是在分離的兩個對稱頻率信道上進行接收和發(fā)送，依靠頻率來區(qū)分上下行鏈路。TD-LTE是用時間來分離接收和發(fā)送信道，接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時隙作為信道的承載，可以根據上下行的數據大小動態(tài)進行分配，對于頻率信道的利用率更好。未來鐵路移動通信采用TD-LTE的概率較大。目前，在朔黃鐵路已引入TD-LTE集群技術應用于列車同步操控、列車無線調度通信系統(tǒng)構成；在部分鐵路局站引入TD-LTE集群技術應用于站場貨檢、車號等無線對講和作業(yè)信息傳送；在鄭州地鐵引入TD-LTE集群技術用于車地間PIS信息和視頻監(jiān)控圖像傳送。工信部根據《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》及我國頻譜使用情況，確定使用1447～1467MHz頻段建設時分雙工（TDD）工作方式的寬帶數字集群專網系統(tǒng)。而1785～1805MHz頻段，則主要用于本地公眾網接入，對確有需要的本地專網也可用于無線接入，具體頻率指配和無線電臺站管理工作，由各省、自治區(qū)、直轄市無線電管理機構負責。在同一地區(qū)給一具有無線接入業(yè)務經營權的公眾網運營商或專網單位指配的頻率寬帶一般不超過5MHz。未來，在鐵路領域，可以考慮申請使用1785～1805MHz頻段的5MHz帶寬用于站場無線通信業(yè)務。TD-LTE支持1.8G/1.4G/400M專用頻段，覆蓋增強算法、高增益定向天線、高終端發(fā)射功率，多方式天線組網。TD-LTE移動通信系統(tǒng)移動性好，支持350km/h，具有完善的QoS業(yè)務保障，可二次開發(fā)定制終端、調度臺、無線通信模塊等；可提供調度通信語音業(yè)務、低速率或高速率數據信息傳送業(yè)務，是一個比較完善的綜合無線通信系統(tǒng)解決方案。LTE移動通信技術在鐵路調度通信業(yè)務中的應用正在研究開發(fā)階段，在站場或編組站中的無線調車、無線對講、綜合自動化信息無線傳送系統(tǒng)中尚未被應用開發(fā)。

2未來站場綜合無線通信系統(tǒng)技術選擇

站場或編組站作業(yè)范圍比較獨立，技術作業(yè)業(yè)務較多，綜合上述幾種無線通信技術應用介紹，以及應用于站場多種業(yè)務情況下的可適用性進行分析，結合無線通信技術發(fā)展，選擇TD-LTE移動通信技術作為未來站場綜合無線通信技術。TD-LTE移動通信技術已在鐵路和地鐵領域獲得應用，具有技術實用性和先進性，系統(tǒng)安全可靠，具備集中監(jiān)測和維護管理，能滿足站場各類業(yè)務綜合承載能力和未來各業(yè)務信息化、智能化發(fā)展需求。鐵路局可以申請使用1785～1805MHz頻段的5MHz帶寬合法頻點用于站場無線通信業(yè)務。站場無線通信使用TD-LTE數字集群系統(tǒng)，可將公網MME、HSS、S-GW以及P-GW等多個網元合并為一個網元eCN，使其小型化，降低核心網成本，可以有效的節(jié)約近期工程投資，為將來鐵路正線引入LTE移動通信系統(tǒng)應用預留互聯互通條件。TD-LTE數字集群通信系統(tǒng)主要由核心網節(jié)點、無線子系統(tǒng)和無線終端組成。其中，核心網節(jié)點設置TD-LTE核心網設備，核心網設備通過交換機等設備與各種業(yè)務應用服務器相連；無線子系統(tǒng)根據站場覆蓋和業(yè)務需求在鐵路站場內設置，無線子系統(tǒng)設備包括LTE基站設備BBU（BasebandUnit）和RRU（RadioRemoteUnit）設備；根據需要配置相應的無線終端。TD-LTE系統(tǒng)組網方案結構。

3結束語

TD-LTE數字集群技術可以滿足站場各類業(yè)務需求，可承載大部分站場業(yè)務。但是，TD-LTE網1.8G頻點需要申請，各鐵路局能否申請到TD-LTE網1.8G頻點是該技術應用于鐵路站場的關鍵問題。目前，采用TD-LTE數字集群通信系統(tǒng)實現站場無線調車業(yè)務和編組站綜合自動化業(yè)務，沒有成熟的應用服務器設備、調車終端設備和機車臺設備支持，有待研發(fā)相關產品和終端設備，對調度通信功能、信息傳送時延等是否滿足站場業(yè)務需求，需要結合實際應用和終端設備有待進一步試驗測試驗證。

作者：謝衡元 單位：北京全路通信信號研究設計院有限公司