鐵路通信工程的無線接入技術標準研究

毛鵬翀

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

鐵路是人們出行、物流運輸的重要交通工具，是國家重要交通設施，為保障鐵路的穩定運行，鐵路站點以及沿線工作人員需要保持穩定、通暢的通信，為鐵路調度、應急指揮提供支撐。在鐵路高速化發展的背景下，鐵路系統對通信網絡有了更高的技術要求，要在傳統的通話傳輸基礎上，增加數據傳輸、視頻信號傳輸，以及高速低延遲通信傳輸等多樣化的服務，提升穩定性、可擴展性等多方面性能。以往鐵路通信工程主要采用有線接入技術，這種通信方案的需要耗費大量的人力、財力來架設通信電纜，而且線路會受到自然環境影響，維護檢修的難度也比較大。且擴展性也比較差，對于新建鐵路工程，或增加新的通信設備，就會涉及到新的布線工程。而無線通信接入技術不需要架設通信電纜，有效降低經濟成本和時間成本，也不會受到自然環境影響，運行更加穩定，且擴展性也比較理想，搭設好的無線通信網絡還能為乘客提供信息服務。因此從成本、穩定性、服務性等多角度來看，無線通信技術是鐵路通信工程的重要發展趨勢。

1 鐵路通信工程無線接入技術的優勢

在鐵路高速化發展，以及信息化時代的背景下，鐵路系統對于通信網絡有了更高的要求，需要提供更加強有力的通信保障功能，以滿足新時期體鐵路列車通信指揮的工作需要，構建更高速度、更加穩定的通信網絡，并積極拓展通信業務內容，構建數字通信網絡。我國幅員遼闊，很多鐵路站點的距離遠，而且可能會途經一些地形地勢復雜的地區，傳統的有線接入技術難度很大、建設成本也非常高，后期的維護檢修工作難度也非常大。因此目前鐵路通信工程更青睞無線接入技術，這類技術需架設通信電纜，可以有效降低成本，除此之外，還具備以下幾方面的技術優勢。

1.1 覆蓋面廣傳輸穩定

我國是世界第三大領土大國，地域幅員遼闊，共有18個鐵路局，鐵路列車不僅會經過不同第二路站點，還會跨越不同省、不同鐵路局轄區。因此在鐵路運行時就可能遇到不同站點，甚至不同鐵路局之間的通信傳輸，需要借助鐵路通信網絡來實現，這就需要鐵路通信網絡要盡可能全面覆蓋。有線通信網絡的覆蓋面主要是在通信電纜的覆蓋范圍內，被物理媒介所限制，而且如果每個區域的線路因環境因素而損壞，會直接導致這個區域的通信傳輸失靈。而無線通信網絡則是基站遠程收發通信信號，這種方式的覆蓋面更廣，也不會出現線路受到破壞的問題，通信傳輸更加穩定。

1.2 支持多樣化的數據傳輸

鐵路管理是一項綜合性工作，涉及的信息也復雜多樣，鐵路通信不能只局限于通話傳輸，還應當能夠實現音頻、圖片、視頻等多樣化的數據傳遞。構建基于無線通信技術的數字化鐵路移動通信網絡，能夠傳輸更加多樣化的數據信號，滿足多方面的鐵路管理需要。比如GSM-R系統不僅能夠完成基礎的通話通信功能，還能實時傳輸車輛監控信息，并借助GPRS技術獲取車次號、車輛當前運行狀態等，為鐵路管理提供更加及時、準確、全面的列車信息。

2 符合鐵路通信工程技術標準的幾種無線通信接入技術

2.1 蜂窩技術

蜂窩技術是鐵路系統最常用的無線接入技術，是符合鐵路通信工程技術標準的無線通信接入技術，利用通信基站接收和發送數字通信信號（電磁波），對講機、手機等移動終端可以接收來自基站的電磁波，實現無線通信。每隔一段距離布置通信基站，連點成片，形成整片區域的通信覆蓋，新建鐵路只要在基站覆蓋范圍內，就無需新建基站。因為基站的布置形態如同連點成面的蜂窩一般，故而得名蜂窩技術。GSM-R系統也是一種基于蜂窩技術的鐵路通信無線接入技術，理論上一個GMS通信基站可以覆蓋35 km范圍的通信傳輸。

2.2 點對多點數字微波技術

這種無線通信技術主要適合地勢平坦的平原地區，這樣能夠減少阻擋。首先確定無線傳輸的范圍，在中間區域設置中心站，之后在不同方向設置圍站，如果中心站和圍站之間設置中繼站，則可以將覆蓋范圍實現數百公里，利用這一無線介入技術可以實現電話通信、數據傳輸、電報等多項通信功能，能夠同時為多個在線用戶提供服務。也可以將這種技術和蜂窩技術相結合，延伸蜂窩通信基站的覆蓋范圍，這也是一種符合國家鐵路通信工程技術標準的無線接入技術。

2.3 集群通信技術

集群通信技術是通過程控交互設備、計算機互聯網技術、微處理技術等集合于一體的無線通信接入技術，這種技術可以實現無線和無線端的短時間通信，通過無線撥號的方式進行群呼、組呼通信。集群通信主要是一對群通信，適合應用在應急搶險、緊急調度指揮等情況。

2.4 衛星通信技術

衛星通信技術是利用衛星作為通信傳輸的中繼站，利用衛星通信可以實現非常大面積的覆蓋面，對于我國邊境地區、沙漠地區等難以建造基站的區域可以利用衛星通信技術接入到無線通信網中。但是這種技術也有明顯的劣勢，就是通信費用高，而且有一定延遲，雖然覆蓋面比較廣，但在使用時還會受到氣候等因素影響傳輸信號，因此難以構建基站實現覆蓋的區域，還是盡量不采用這種無線接入技術。

3 鐵路無線通信網絡系統

鐵路無線通信網絡系統（GSM-R）全稱為Global system of mobile for railway，意為針對鐵路的全球移動通信系統，它以GSM系統（全球移動通信系統）為基礎，是一種利用基站收發通信信號（電磁波）的蜂窩式無線通信網絡。這以系統目前已經非常成熟，2002年首次被歐洲多個國家使用，并取得了顯著的應用效果。我國在2015年1月經由中國鐵路總公司工作會議通過，決定正式引入這一系統構建我國鐵路無線通信網絡。GSM-R系統作為當前鐵路系統中最為成熟且國際通用的無線通信設施，能夠滿足鐵路通信的各項基本功能，如群呼、優先級別、強插以及組呼等。適合應用在無線列車調度、編組調車、應急指揮、養護維修組織等多種場合，且GSM-R系統的通信傳輸能夠適應300~500 km/h的高速鐵路，可以有效滿足我國鐵路高速化發展背景下對通信傳輸的需求，其主要功能包括以下幾點：

①調度通信。無線列車調度功能是GSM-R的基礎性功能，可以進行一對一呼叫、一對多的組呼，或是廣播呼叫，適用于客運列車調度、貨運列車調度、牽引變電調度、站場通信、應急指揮、維護調度、道口通信等多種場合。比如當在列車前方出現事故時，調度人員可及時下達應急指令通過無線通信網絡傳遞給列車司機，司機就能夠根據指令操控車輛，保證車輛及乘客的安全。目前我國鐵路朝著高速度方向發展，這就要求信息傳遞必須快速、及時，最大限度降低延遲問題，提高工作效率。而且GSM-R還能在常規調度通信、語音傳輸的基礎上，將通話記錄保存起來，方便管理和責任回溯。②數據信息傳輸。GSM-R系統能夠及時傳輸車次號、列車停穩信息、列車尾部風壓數據等信息，通過GPRS裝置，及車輛上的終端感知設備收集車輛運行的相關數據參數，傳遞給GSM-R系統中并傳輸給鐵路管理人員，為鐵路車輛安全管理決策提供重要參考。③遠程監控及監控影像傳輸。在站臺及車輛中裝設監控設備終端，收集視頻信號，將視頻信號傳遞給列車人員，對車廂內部情況進行實時監控。且這些影像信號還可以通過GSM-R無線網絡進行傳輸，列車就可以在進站前可查看前方站臺監控影像信息。④移動辦公作業。鐵路沿線及鐵路局轄區的水電、信號、供電、工務等各崗位人員在開展作業時可以利用GSM-R手持通話設備，和車站工作人員、各站點調度人員等建立聯系。在特殊情況下，作業人員可以緊急呼叫列車司機，和司機進行通信聯絡。⑤應急指揮。在鐵路沿線遭遇自然災害或一些影響交通的突發事件情況下，需要立即通知列車司機。或是在列車運行過程中遭遇突發事件，需要和救援中心聯絡時，都可利用GSM-R系統進行應急指揮，除了能進行通話傳輸外，還能傳輸圖像、視頻等數據信息。⑥緊急呼叫。緊急呼叫可具體分為列車緊急呼叫以及調度緊急呼叫。一旦發起呼叫就會被系統列為最高優先級，保證這一線路的通暢。而且接受方不能拒絕也不能退出，除非發起方主動取消緊急呼叫。在GSM-R無線通信網絡中，緊急呼叫的延遲可以控制在1秒以內，這種延遲能夠有效滿足各類緊急情況下的通信要求。

4 基于鐵路通信工程技術標準的通信無線接入技術

鐵路運行根據不同場景可以分成包括地面鐵路、隧道鐵路、橋梁鐵路等幾種情況，不同場景下的無線接入技術都有著不同的要求，需要結合實際情況選擇最佳接入方案，增強無線通信網絡的覆蓋效果。

4.1 地面鐵路的無線接入

對于地面鐵路的無線接入需要考慮地形地勢，以及地面上的物體。在鐵路沿線分布式設置基站，將RRU（射頻拉遠單元）設置在塔頂位置，提高通信信號的發送覆蓋面，新建基站和鐵路之間的垂直距離控制在50~300 m的范圍。對于專網、公網的出入口位置，比如站臺部分，可采用宏站的形式，或是宏站和室內分布系統相結合的方式設置。對于鐵路的彎道部分，設置的基站建議位于彎道內側，這樣能夠擴大入射角，使無線接入更加穩定。

4.2 隧道鐵路的無線接入

對于隧道鐵路需要考慮隧道的具體長度來設置無線接入方案：①如果是長度不足100 m的小型隧道鐵路，為保證這部分鐵路能夠接入到無線通信網絡中，可在隧道出口的位置設置信號發射裝置，向隧道內部定向發射通信信號，因此隧道的距離比較短，這種方式可以達到無線接入的目的。②對于長度超過100 m，但不足200 m的隧道，只在出口位置發射信號可能無法實現完全覆蓋，建議分別在隧道兩側進出口分別設置信號收發裝置。且需要注意，切換帶不能設置在隧道之中，防止鐵路列車進出對信號切換造成影響。③對于長度在200~500 m的中型隧道，可以在隧道兩端布置信號收發裝置的同時，在其中一端安裝RRU，并利用功分器將信號分成兩路，一路為接收，另一路為朝著隧道中定向發射。此外，也需要切換帶不能設置在隧道之中，防止鐵路列車進出對信號切換造成影響。④500~1 000 m長的大型隧道，則是在隧道兩端布置信號收發裝置的同時，兩端均安裝RRU，并利用功分器將信號各分成兩路，分別是信號接收路，和朝著隧道方向定向發射信號的發射路。切換帶不能設置在隧道之中，防止鐵路列車進出對信號切換造成影響。⑤對于1 000~2 000 m的長隧道，則要在500~1 000 m無線接入方案基礎上，在隧道的中間位置增加一個信號收發裝置，并安裝RRU，且利用功分器將信號分成兩路，這兩路分別朝向隧道的兩端。如果是超過2 000 m的超長隧道，則按照第五種接入方案類推，每1 000 m加入一個信號收發裝置并安裝RRU和功分器，將信號分成朝著隧道兩端的兩條路。

4.3 橋梁鐵路的無線接入

設計接入方案時要考慮通過鐵路橋梁的列車速度、橋梁形態、周邊地形等來確定基站的設置方案。如果橋梁的長度比較短，在鐵路橋梁的一端設置基站站點即可，如果橋梁長度中等，則在鐵路橋梁兩端位置分別設置基站。如果是跨過大江、大河、山谷的大跨度鐵路橋梁，橋梁上沒有設置基站的空間，那么可利用橋梁上的電桿架空搭設無線直放站。

4.4 基站站址的選擇

鐵路GSM-R無線通信網絡建立在GSM基礎之上，技術是相通的。一般情況下，城市、鄉村等鐵路沿線已經建立了大量GSM基站，涵蓋到了鐵路沿線，如果鐵路沿線周圍能夠目視到GSM基站，那么直接利用這些現場基站即可，無需新建基站。如果鐵路周邊沒有基站，就需要在和鐵路垂直距離300 m的距離之內建立高度在20~30 m的基站，并在站頂安裝RUU，增強無線通信網絡的接入效果。

5 結束語

綜上，為了增強鐵路通信質量，以為鐵路系統安全穩定運行提供更加強有力的保障，中國鐵路總公司于2015年正式引入GSM-R無線通信網絡技術，這種技術非常成熟，覆蓋面廣、延遲小、能夠滿足高速鐵路的通信要求，且這也是國內各鐵路局以及國際上通用的無線通信網絡系統，在跨國鐵路線也可以實現互通。在無線接入方面，需要考慮不同鐵路運行場景的地形、地勢，以保證充分覆蓋的原則設置基站，有效接入到鐵路無線通信網絡中，打造高質量、全覆蓋的優質鐵路無線通信網絡。