重載鐵路通信技術現狀與發展綜述

摘要：近年來，信息技術和通信技術在重載鐵路上得到了廣泛的運用，有效地滿足了運輸行業的發展需求。其核心通信技術和系統包括GSM-R技術、區間通信系統、升級的LTE-R網絡技術以及正在研究的5G-R技術等。本文首先探討了相關技術的發展現狀，然后分析了相關技術在重載鐵路應用的發展前景和相關技術熱點，如5G技術、超大帶寬毫米波通信技術等。最后，總結了發展現狀并指出新一代軌道通信系統所面臨的各類挑戰。其中，需要重點解決的有：頻率資源有限和新需求不斷涌現之間的矛盾，高速移動性與可靠性問題，以及需要適應各類場景，包括全業務、全場景、全鏈接、強安全等。

關鍵詞：重載鐵路；通信技術；GSM-R；LTE-R；區間通信

一、重載鐵路通信技術現狀概述

作為一種高安全性的大運載量交通工具，重載鐵路交通系統具有高效益和高效率的特點，適用于運載煤炭、礦石、建筑材料和農作物等多種大宗貨物。車地通信系統是保證列車運行過程安全和高效的基礎，是其核心組成部分。然而，受氣候、地形地貌、列車移動速度等多種因素的影響，重載鐵路車地通信帶寬常常不能滿足需求，導致當前的車地通信方式往往難以為列車提供持續穩定的高速通信鏈路。因此，需要采取一些特殊的優化策略來滿足核心業務的運作需求，并合理分配為數不多的帶寬資源。

一般重載列車在既定軌道上有序運行，其所處位置和運行時間、運行速度的對應關系非常嚴格，被限制在一定區間。這些對應規則和約束條件都在列控系統中得到體現。工程師能夠通過實際測量或者理論建模等手段，基于列車控制系統，計算出車地通信帶寬需求和列車位置之間的對應關系。這個位置和帶寬關系具有顯著的可重復性，即每次列車出現在指定的地理位置時，均會形成同樣的通信帶寬。

目前，我國鐵路系統廣泛使用GSM-R技術、區間通信系統、升級的LTE-R網絡技術等。其中，我國鐵路技術裝備政策明確要求，必須大力發展與建設鐵路專用移動通信系統（GSM-R）。其中，速度超過300km/h的高鐵通信活動應采取以GSM-R技術為基礎的CTCS-3級列車控制系統。我國鐵路車地通信系統，大部分還是采用了窄帶的GSM-R技術，少部分線路采用了LTE-R技術。5G-R作為最先進的通信技術，已有不少單位機構投入大量資源，進行深入研究，下面對這些通信系統分別介紹。

（一）GSM-R網絡

我國幅員遼闊，鐵路線網遍布全國，是國民經濟的重要基礎設施。然而，由于地區氣候環境差異等因素影響，國內鐵路運行環境復雜。為滿足鐵路行業中的通信需求，GSM-R通信系統被廣泛應用。尤其在面對復雜場景的時候，需要適當優化網絡，優先滿足核心通信業務的需求。比如，大秦重載鐵路線科學地利用GSM-R技術，擴大了無線網絡的有效覆蓋面，大幅提升了網絡通信的能力和條件，使得重載鐵路通信技術得到了持續升級。而國鐵呼和浩特集團有限公司則通過頻率調整優化、無線資源整合、通信容量優化等措施，較為妥善地解決了相關線路的通信質量問題，減少了頻率干擾、掉話率、網絡阻塞等難題，對資源進行了很好的優化配置。因此，GSM-R通信系統的應用效果非常突出，在鐵路行業中發揮了重要的作用。

（二）LTE-R網絡

LTE-R網絡是一種基于TD-LTE網絡演變而來的專業通信網絡，旨在滿足重載組合列車的特殊應用。相對于第二代的GSM-R技術，LTE-R屬于第四代寬帶通信技術，具有系統容量大、傳輸速率高和網絡結構平滑等優點。為更加高效地契合重載鐵路對通信專用調度的需要，LTE-R特別添加了無線調度命令、集群調度通信、無線重聯以及信息傳送、無線車次號校核、信息傳送等多種業務。國能朔黃公司有限責任公司于2015年1月正式開通了全球第一套正式商用的LTE-R通信系統，具有很強的技術先進性和引領效應。

LTE-R吸收了以演進型通用陸地無線接入網為重點的移動通信網絡，和以演進型分組核心網為重點的固定有線通信網絡的優點，實現了有線和無線網絡的互通互聯，旨在打造出一種融合了列車控制、信息傳輸、調度通信的高性能通信系統。該系統的移動用戶必須借助無線連接和有線連接兩個傳輸過程，才能和其他固定、移動用戶進行通信。整合無線和有線兩部分網絡連接的方式，使得LTE-R網絡將成為一個更加智能化、高效率通信的專業系統，為未來鐵路運輸業的快速發展提供更為可靠的保障。

（三）鐵路區間通信

隨著重載鐵路的迅速發展，關鍵指標列車牽引噸位快速提升，牽引質量和軸重指標持續增大，由五千噸級逐步增加到1萬噸、2萬噸甚至3萬噸級。這種發展導致軌道運輸系統將面臨更多的系統安全問題，例如車輛斷鉤、制動失效、橋梁軌道結構承壓損壞等。為保證列車運行的安全可靠，鐵路行業需要實時監測列車運行狀況。然而，傳統的模擬式區間通信采用電纜通信，只能傳輸少量的信息，僅限于語音業務，易受到強電磁干擾，通信質量下降，后期維護成本高。因此，建設高性能光區間通信系統可以滿足重載鐵路的業務發展需求。

現今，重載鐵路的區間通信系統均采用了先進的光通信系統，可以覆蓋既有區間的相關電話業務，并支持橋隧、邊坡守護、安全監控，支持應急通信、視頻監控、道口電話等多種寬帶業務的接入。此外，光區間通信系統有利于強化安全管理，促進運營效率的提高，進而契合重載鐵路對高水平區間通信的需要。因此，建設高性能光區間通信系統已成為重載鐵路業務發展和列車運行安全的關鍵。

二、重載鐵路通信技術發展綜述

（一）重載鐵路車地通信系統模型創新

近年來，隨著重載列車應用場景的逐漸增多，例如自動無人駕駛、視頻實時監控、列車健康智能診斷等，高帶寬可信傳輸的通信系統已然成為這些業務的基礎。然而，頻譜資源有限、列車快速移動及通信場景的復雜多變，給現有的通信系統帶來極大挑戰。因此，在復雜多變的通信場景下，充分分析信道變化機理和影響因素，構建高效容錯的信道模型，是保證智慧重載通信持續穩定的關鍵技術問題。目前，已有信道模型只適應少數場景，當業務場景發生較大變化時，難以實現信道動態變化調整通信方案。同時，廣泛應用的分組級信道模型技術雖然具有較好的性能指標（如復雜度與準確度），但是該網絡不是單獨針對重載鐵路場景，無法準確描述時頻域信道劇烈變化的特征。因此，構建面向重載鐵路車地通信全場景的信道模型尤其重要。

（二）GSM-R持續優化

從國內鐵路通信領域來看，目前GSM-R在國內鐵路行業占據了主導地位。為了優化和提升該網絡的內在潛力，國內鐵路需要努力把握以下方面：首先，持續提升理論研究層次和水平。當前，該技術在我國鐵路領域廣泛運用，要密切聯系國內鐵路運用的豐富實踐，特別是注意化解技術運用的主要瓶頸和突出問題，強化GSM-R主要問題和難點研究，在多元化的鐵路運行環境中增強其通信潛力。其次，增強現場測試力度。在運用該技術的過程中，不斷增強現場測試力度，對實驗室測試機制進行長期優化，使GSM-R不僅滿足于實驗室測試，還要滿足各類現場環境測試。全國鐵路系統要全面地開展現場GSM-R測試，特別是要分析比較各個生產企業的相關設備現場測試結果，從整體上保證GSM-R系統的互聯互通和設備兼容性。再其次，融入信息安全機制，并深入優化通信模型。國內鐵路通信必須確保信息的絕對安全，覆蓋信息的傳送，互通安全、身份識別和信息加密等。需要在現有信息安全機制上，融入更多的安全機制和方案，確保公用和專用網絡之間通信網關的安全性，有線無線網絡之間互通的可靠性和安全性等。只有充分解決通信安全性問題，才能確保軌道交通各類各種場景業務的可靠性。最后，統一現有技術標準。可以通過強化技術規范要求，顯著擴大通信技術的應用范圍。同時，制定標準需具備國際化視野，需要充分掌握該技術的現行研究成果和技術標準，充分估量該技術應用行業的發展趨勢，對標世界先進水平，兼容國內的現有GSM-R技術標準體系。 技術標準的統一有利于促進我國鐵路行業推廣該技術，更好地促進國內在該領域的理論研究創新和行業的可持續發展。

（三）推進5G-R新技術

近期，中國國家鐵路集團和工業和信息化部已經在建設高鐵5G領域達成了共識，希望采取2.1GHz頻段推動5G-R高質量建設，這也預示著國內鐵路將從GSM-R逐步過渡到5G-R時代。中國將有可能成為世界上第一個采取5G-R的國家。中國鐵路集團也指出：“加速推動大數據技術、5G技術等多種新一代信息技術在我國鐵路領域的運用，增強鐵路智能化、信息化能力，推動傳統產業升級提質”。所以，隨著國內三大運營商持續開展大規模的5G網絡建設，我國鐵路通信系統必將跨過4G門檻，直接進入5G時代。

5G-R在未來的鐵路系統中，會覆蓋下列主要應用場景：站場、樞紐等熱點區域、正線廣域區域通信、沿線地面設施監控等。鐵路正線通信要實現了全路或者鐵路局內的通信，關鍵是地面和列車之間的通信。該通信業務類別涵蓋了車上作業人員語音、行車安全數據、調度通信語音、行車信息數據、調度通信多媒體等，對通信系統提出更的要求，例如：高帶寬、高可靠性。

鐵路樞紐或者站場等熱點區域，因為人員和基礎設施的密集度高，因此5G通信的容量以及帶寬需要達到較高水平才能滿足此類場景，其場景業務類別涵蓋編組站通信、站場維護作業多媒體數據、車上視頻監控數據等。同時，各類設施監控系統也會有大量的通信需求，例如：鐵路沿線地面設施監控，要求通過無線方式接入更多數量的監測終端，并傳輸相關監測數據給控制中心。

隨著新一代5G-R移動通信系統建設推進和GSM-R設備逐步退網，5G-R和GSM-R網絡將存在較長的共存期，為保證鐵路調度通信業務在兩種不同制式網絡之間平滑過渡，兩類網絡的互聯互通問題亟待解決。具體措施如下：首先，需對雙網絡共存場景及業務需求進行分析，并提出支持互聯互通的鐵路調度通信業務系統架構。其次，對不同網絡用戶之間開展語音個呼、語音組呼、功能尋址、基于位置尋址等調度通信業務互聯互通流程進行分析研究，并提出實現方案，同時針對數據業務和視頻業務互聯互通的可能性進行分析。最后，需要總結提出 5G-R和GSM-R網絡調度通信平滑過渡建議。該方案在盡可能減少對既有GSM-R網絡調整的基礎上，分析實現跨網用戶之間開展各類業務的可行性，為網絡升級時調度通信業務平滑過渡提供了核心技術支撐。

（四）信息化新技術在重載鐵路中的推廣運用

隨著技術的不斷進步和發展，鐵路行業也需要進行持續的信息化和技術革新。目前各類信息系統已經廣泛應用，例如客票發售和預訂系統、車輛調度智慧系統、車號自動識別系統、財務運算和清算系統和自動化辦公系統等。未來，隨著深度AI技術的不斷發展和應用，結合人工智能的信息化應用系統會逐漸增多，如無人自動駕駛，軌道運行安全智能監控與診斷等，將進一步提高鐵路行業的效率和安全性能。此外，國內重載鐵路技術迎來重大突破，第一條基于LTE-R網絡，采用移動閉塞系統的重載鐵路成功投入運營。這一技術可以顯著降低貨運列車的發車間隔，效率提高30%以上，每年可以增加軌道運輸牽引量數千萬噸，降低了信號系統的維護成本，并降低了管理層的安全壓力和現場人員的勞動強度。該技術的成功運營，將推動鐵路行業技術的進一步創新和發展。

三、未來展望

對于通信技術來說，信號頻段和通信帶寬是永恒的話題。無論是成熟的WIFI局域網標準，還是方興未艾的4G、5G通信，信號都集中在低頻段。目前低頻段的無線信道已經比較擁擠，而各類新型業務的不斷涌現對帶寬提出了更高的要求，例如實時監控視頻和數據采集，工業物聯網，短視頻媒體和家庭影院等。隨著AI技術的應用深入發展，軌道通信中面臨更多通信需求，比如列車自動駕駛、列車安全視頻監控等，對現有的通信系統都是一個挑戰。因此，未來的鐵路移動通信技術需要全面革新，不僅可以提供高速信息傳輸業務，而且具有鮮明的特點，例如全鏈接、強安全、多業務和多場景等，是一次革命性的技術革新。當前，在毫米波頻段存在大量的未被使用頻譜資源，而且該波段的數據吞吐率可以達到1Gbps 以上，而且有利于通信設備的小型化。因此，科研機構和各類通信公司都在加快研發旨在充分挖掘該波段潛力的新一代通信網絡。

四、結束語

未來軌道移動通信網絡需要解決有限的頻率資源和持續不斷增長的帶寬需求的矛盾，同時還面臨著高速運動列車引入的網絡可靠性問題以及綜合軌道交通樞紐集群與各類特殊場景帶來的通信挑戰。在解決這些問題的同時，需要人們厘清各類網絡開放性問題，比如技術體制、公專共存、異構網絡協同等，并構建一個全面的網絡信息完全機制。

作者單位：李東曉 丁浩 李太空 中電信數智科技有限公司河北分公司

參 "考 "文 "獻

[1]趙海紅.我國鐵路通信中GSM-R的應用及發展[J].通訊世界，2017（02）：118.

[2]張青.光區間通信系統在準池鐵路中的應用分析[J].鐵道建筑技術，2013（S2）：136-139.

[3]孔賓.LTE-R網絡技術在重載鐵路的應用[J].鐵路計算機應用，2015，24（08）：42-45.

[4]張鵬.數字調度系統在鐵路通信中的運用[J].通訊世界，2017（6）：144.

[5]魏軍.鐵路ＬＴＥ網絡檢測監測系統研究[J].道通信信號，2019，55（12）：50-54.

[6]李平，曹鴻飛，謝鵬.新一代信息技術驅動下的智能重載鐵路總體架構研究[J].鐵路計算機應用，2020，29（06）：25-29.

[7]張斌，重載鐵路車地通信網絡帶寬資源分配方法研究[J].中國鐵路，2016（09）：77-81.

[8]谷志茹，龍永紅，唐軍.無線智能網列車重聯同步車載通信系統？可行性分析[J].鐵路通信信號工程技術，2018，15（06）：15-18.

[9]陳仕博，高速鐵路通信系統從GSM-R到5GNR-R演進研究[J].電子質量，2021（03）：34-37.

[10]梁冠民，基于復雜線路條件下GSM-R網絡優化的研究[J].鐵道運行技術，2022（01）：39-41

[11]張馨丹，李輝，郭強亮.5G-R和GSM-R網絡列車調度通信業務平滑過渡方案研究[J].鐵道標準設計，2022，66（10）：166-171.

[12]鐘章隊，官科，陳為，等.鐵路新一代移動通信的挑戰與思考[J].中興通訊技術， 2021，27（04）：44-50.