鐵路無線數字化方案探討

劉正自

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

目前，鐵路無線通信系統存在兩大技術類型的4種系統，分別是GSM-R數字移動通信系統和TETRA數字集群通信系統（TETRA系統僅個別鐵路線路試用，沒有大量推廣）、模擬制式的無線列調系統和站場無線通信系統。其中，GSM-R和TETRA均為TDMA方式，GSM-R工作頻段為上行885～889 MHz，下行930～934 MHz，收發間隔45 MHz；TETRA工作頻段為上行806～821 MHz，下行851～866 MHz，兩種系統的收發間隔45 MHz。無線列調系統采用有線無線結合的模擬方式，有A、B、C 3種制式，主要應用的有四頻組（B1制式）、同異頻單工和同頻單工（C制式）3種，B1制式主要工作頻段為450 MHz，收發間隔10 MHz，C制式在450 MHz和150 MHz兩個頻段都有應用。站場無線通信系統一般采用無線對講模式，各群組獨立組建無線工作組，系統之間沒有實現頻率資源共用，工作頻段為450 MHz和150 MHz。

1 鐵路無線通信數字化的必要性

眾所周知，模擬制式無線電通信系統存在頻譜資源利用率低、抗干擾能力差、數據傳輸能力極其有限等重大缺陷。為適應鐵路客運專線、高速鐵路的快速發展，鐵道部在進行TETRA組網試驗的基礎上，通過深入研究和比選，最終決定選用UIC標準化組織“歐洲集成鐵路無線增強網（EIRENE）”的GSM-R。

從我國鐵路引入GSM-R移動通信系統至今，除個別干線既有普速鐵路無線通信系統改造升級為GSM-R外，幾乎所有的客運專線、高速鐵路全部采用了GSM-R移動通信系統。但GSM-R的推廣應用過程并非一帆風順，許多重大問題逐漸顯露。

1）頻譜資源嚴重不足。國家分配給GSM-R的工作頻帶只有4 MHz，考慮到保護間隔，只有19個可用頻點。在5小區帶狀復用模式下，每個基站最多只有4個頻點；在7小區帶狀復用模式下，每個基站最多只有3個頻點。對于一般鐵路區間和車站而言，這些頻點基本夠用，但對于多線并行區間、鐵路樞紐及大型客站，頻率資源不足問題十分突出。

2）GSM-R用于站場無線通信時，系統功能的適應性差，系統二次開發量大，且需要采取一定的措施解決站場無線通信對鐵路正線列車調度干擾的問題（移動臺切換到錯誤的基站甚至出現頻繁切換問題）。

3）GSM-R本身面臨技術過時和技術演進問題，近期演進路線為移動軟交換和IMS（IP多媒體子系統），遠期演進至基于3GPP LTE(移動通信長期演進)的第四代移動通信技術。演進過程中既涉及MSC的改造，也涉及BSC、基站和移動終端的根本變革。

4）如果對使用無線列調的既有近7萬km鐵路進行GSM-R改造，不僅工程量巨大，而且改造資金難以落實。

解決上述問題，可以同時從兩方面入手：一是積極向國家無委會申請更多的GSM-R頻率資源，但這一方案只能解決頻率資源不足問題，且實現的可能性甚小。二是最大限度地保留和利用國家已經批準的鐵路無線頻譜資源，并對既有鐵路無線頻譜資源進行數字化改造，同時采用集群技術，極大地提高頻譜資源的利用率，以充分滿足日益增長的鐵路移動通信需求；保留和充分利用既有鐵路無線頻譜資源還可以帶來額外的效益，即既有鐵路無線通信基礎設施（例如天饋線、鐵塔、漏纜等）可以保留利用，可以降低無線通信系統升級改造難度和改造費用。

隨著無線數字調制技術、頻率共用和頻率復用技術發展，頻率資源的利用率越來越高。為鼓勵對既有頻率資源數字化運用，國家層面出臺了相應政策，對模擬方式的無線通信系統嚴加限制。因此，對既有鐵路模擬無線通信系統進行數字化變革勢在必行，也完全可行。

2 數字化技術路線選擇

對鐵路無線通信系統進行數字化升級，除了推廣應用GSM-R，自然會想到TETRA數字集群通信系統。TETRA數字集群不僅具備強大的調度通信和虛擬組群功能，而且系統初始設計就考慮在450～470 MHz這一工作頻段，但我國規定TETRA系統只能使用800 MHz頻段，此外，TETRA數字集群沒有考慮150 MHz頻段的利用。該系統除在國內城市軌道交通大量應用外，僅在國鐵個別線路采用。在國鐵選擇了GSM-R之后，受頻譜資源和國家產業政策限制，TETRA數字集群通信系統不可能繼續用于鐵路移動通信。

對工作在450 MHz和150 MHz頻段的模擬無線通信系統數字化改造，可供選擇的技術路線很多?？梢越梃b基于第二代技術的TETRA技術體制特點，也可以直接采用3G或LTE技術?？紤]到LTE技術日漸成熟，應優選LTE技術，但應注意一個關鍵問題：鐵路無線通信系統是一個專用的無線通信系統，在借鑒公共無線通信系統技術時，應注意簡化系統規模、結構和協議，以便系統的快速開發和部署。

數字化后的鐵路無線列調和站場無線通信系統是融合還是分立，也必須做出明確的抉擇。無線列調和站場無線通信的使用場合、使用對象和功能迥異。

首先，無線列調移動終端可能漫游至全國，且移動速度很高，對于提速后的既有鐵路，列車最高運行速度達到了250 km/h；而站場無線通信系統的移動終端往往限于站場地理范圍內使用，其移動速度低，屬于“游牧”速度范圍。

其次，無線列調系統中用戶群組很單一，主要是調度、各類值班員、各種機車的司機，還要兼顧列車尾部風壓、調度命令和車次號校核等數據傳送；而站場無線通信系統需要劃分多個邏輯上相互獨立的群組，這些群組與鐵路正線運輸調度無關，且各群組之間基本不允許通信。

有鑒于此，宜對兩個系統分別處理，即分別開發數字無線列調和站場數字無線通信系統。

3 數字化目標

對既有模擬無線列調和站場無線通信系統數字化改造，應達成如下目標。

1）新系統除了必須實現原模擬系統無線列調和站場無線通信系統相應的所有功能外，無線列調系統應具備GSM-R系統的基于位置的尋址功能（LDA）、功能號尋址、緊急呼叫等功能，站場無線通信系統應具備多層次搶占和預清除（eMLPP），虛擬分組功能等。

2）系統工作頻段可以同時或分別采用450 MHz和150 MHz等頻段。

3）系統應該具備靈活的組網結構，以適應鐵路無線通信的各種需求。

4）系統應具備終端的快速接入和切換能力，力爭控制在1 s之內。

5）系統應具有低時延和低誤碼率，數據傳輸時延應控制在100 ms之內，誤碼率控制在10-4/h。

6）采用先進的數字集群技術，實現多系統之間頻率共用，爭取將頻譜資源利用率提高5倍以上；采用先進的調制、復用和多址技術，爭取頻帶數字化效率達到3.5～5 b/s/Hz。

7）采用成熟的、高壓縮率的語音編碼技術，降低語音通信所需物理信道帶寬。

8）全面采用分組技術，語音通過VoIP方式實現，在保證語音通信質量的前提下，提供良好的數據傳輸能力和質量。因此，準確地說，數字化改造后的無線通信系統是基于包交換的無線通信系統。

數字化之后的系統應用定位：作為GSM-R的補充，用于250 km/h及以下列車運行速度的普速鐵路調度通信和鐵路樞紐無線通信，同時滿足鐵路區間移動通信需求。

4 數字無線列調系統總體框架設想

為便于對數字無線列調系統總體框架的理解，首先簡要介紹一下筆者先前設想的既有調度系統IP化方案。IP調度通信系統借鑒軟交換的體系架構，整個網絡分為4個層面：業務應用層、控制層、傳送層和媒體接入層，如圖1所示。其中控制層提供各種業務的呼叫控制、連接以及部分應用業務。該系統僅僅停留在筆者的設想之中，尚未見相應產品，限于篇幅，不作詳細介紹。

設想的數字無線列調系統總體框架如圖2所示。該系統建立在獨立設置的“基于IP的有線調度通信系統”之上，系統的物理實體由4大部分組成。

1）位于調度機械室的無線控制器，實現對整個無線列調系統包括固定設施和移動終端的管理、控制；對調度區劃分的管理；對移動終端位置的跟蹤登記；對調度臺與移動終端之間的呼叫進行連接控制。

2）位于車站的無線接入網關，實現在移動終端附著狀態選擇收發信機；尋呼信息和廣播信息的發送；無線資源的動態分配，包括多小區無線資源管理；設置和提供接入網關的測量；無線承載的控制；無線接納控制；在移動終端激活狀態的連接移動性控制，無需上一層的無線控制器接入，即可處理本網關內移動終端之間的呼叫連接。

3）位于車站和鐵路區間的收發信機或中繼設備，負責無線信道編碼、無線鏈路控制、干擾檢測和射頻場強覆蓋。

4）移動終端。

考慮到系統可靠性要求，無線控制器和接入網關應該主備冗余配置（圖中2未作表示）。無線控制器的處理容量應能管理整個鐵路局/公司的所有無線列調終端（包括其他路局漫游過來的終端）。

數字無線列調系統建議采用GSM-R系統的編號方案，只是其中的H1H2與GSM-R網絡不同。語音編碼方案建議采用LTE標準，同時具備RPELTP算法，以與GSM-R系統兼容。

該框架的主要特點如下。

①借鑒了TETRA和GSM-R的有線/無線調度一體化的思路，以避免目前有線調度和無線調度分離、同時設置兩套調度臺/值班臺的弊端。

②與TETRA和GSM-R相比，系統摒棄了電路交換技術，完全采用包傳送技術，包括有線部分和空中接口，其中空中接口物理層采用正交頻分多址（OFDMA）技術，既適合于語音通信，更適合數據傳送。但全網需要采用包交換技術中的各種QoS保障措施，確保系統語音和特殊數據的傳送質量。

③邏輯上有線調度和無線調度既是緊耦合關系，又相對獨立，以提高有線調度系統應用的靈活性，便于不同的廠商開發。

④物理上兩個系統共用很多實體，包括承載網、調度終端、車站值班臺等，因此有線和無線兩個系統之間接口標準化十分關鍵。

5 站場數字無線通信系統總體框架設想

站場無線通信的最大特點：通話各方基本處于一個地理范圍相對較小的區域，而且存在多個組群，在非集群方式下，每個組群至少占用一組頻率，組間頻率資源不能共用，頻譜資源浪費極大。因此，對站場無線通信系統的改造首先要實現集群化，以提高有限頻譜資源的利用率，其次才考慮通過數字化技術提高每個頻道的利用率。

站場無線通信可以采用成熟的數字集群通信系統技術，設想的站場數字無線通信系統總體框架如圖3所示。系統由無線控制器、固定終端、基站和移動臺4部分組成。由無線控制器負責整個系統的控制和管理，移動終端和固定終端根據站場通信群組的需要劃分。

與傳統數字集群通信系統不同的是，系統不再采用電路交換技術，而是全部采用包交換技術，其中空中接口物理層采用OFDMA技術。這樣可以帶來如下好處。

1）無線控制器可以設置于站場內任意一個通信機房內，而基站根據站場地理和覆蓋情況按需設置。

2）固定終端設置地點不受無線控制器設置地點的限制，既可以按需要設置在不同地點，也可以集中設置在同一地點。

3）在采取一定QoS措施的前提下，既適合于站場內語音通信，更適合于數據傳送。

6 空中接口建議

如前所述，無論是數字無線列調系統，還是站場數字無線通信系統，均應能工作在150 MHz和450 MHz雙頻段。上下行頻率分配和收發間隔等維持既有模擬系統不變。

物理信道采用LTE的主流復用技術——正交頻分復用（OFDM），其優點是可以獲得極高的頻譜利用率，同時給用戶帶來較高的數據傳送速率。

上下行傳輸方案：下行的多址方式為OFDMA，上行為基于OFDM傳輸技術的單載波頻分多址（SC-FDMA）。

物理信道編碼及調制技術應保證在250 km/h的列車運行速度下，提供峰值256 kb/s的用戶數據速率。幀結構有待試驗后研究確定。

[1] 吳克非．中國鐵路GSM-R移動通信系統設計指南[M]．北京：中國鐵道出版社，2008.

[2] 鄭祖輝，鮑智良．數字集群移動通信系統[M]．北京：電子工業出版社，2001.

[3] 中國鐵路通信信號總公司研究設計院，鐵道部科學研究院通信信號研究所．TB/T3052-2002 列車無線調度通信系統制式及主要技術條件[S].北京：中國鐵道出版社，2002．

[4] 鐵道第二勘察設計院．TB 10006-2005/J451-2005 鐵路運輸通信設計規范[S]．北京：中國鐵道出版社，2005.