鐵路通信系統(tǒng)中移動通信技術(shù)的應(yīng)用分析

郭亞昀，姜麗敏

（信陽航空職業(yè)學(xué)院，河南 信陽 464000）

0 引 言

隨著我國高鐵時速不斷提升，對鐵路通信系統(tǒng)的要求也越來越高。鐵路通信系統(tǒng)是確保列車安全運行的重要保障，通過有線和無線通信設(shè)備，實現(xiàn)車地之間與車載設(shè)備之間的信息交換，從而實現(xiàn)運營指令的發(fā)出和執(zhí)行、列車遙控和監(jiān)控、故障報警等功能。

1 鐵路通信系統(tǒng)概述

1.1 鐵路通信系統(tǒng)組成

鐵路通信系統(tǒng)組成主要包括有線傳輸系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、自動信號設(shè)備、調(diào)度通信設(shè)備、行車通信設(shè)備及列車運行控制系統(tǒng)等，具體如圖1 所示。

圖1 鐵路通信系統(tǒng)的基本組成

有線傳輸系統(tǒng)采用光纜、同軸電纜等有線傳輸介質(zhì)，構(gòu)成鐵路通信傳輸?shù)母删€，承載大容量的業(yè)務(wù)信息，確保鐵路運營指揮與行車調(diào)度信息的可靠傳輸。自動信號設(shè)備以軌道電路為主，采用電子和微機技術(shù)實現(xiàn)列車間距的自動控制保障系統(tǒng)。調(diào)度通信設(shè)備包括調(diào)度電話網(wǎng)、調(diào)度集群通信系統(tǒng)等，能夠?qū)崿F(xiàn)鐵路運營指揮與各級車站值班人員之間的語音通信聯(lián)絡(luò)。行車通信設(shè)備提供列車運行途中與車站及調(diào)度中心之間的語音通信，如列車電話、調(diào)度無線等。列車運行控制系統(tǒng)以列車自主保護裝置和自動列車運行管理系統(tǒng)為代表，利用計算機和通信技術(shù)監(jiān)控與控制列車運行狀態(tài)，保障運行安全[1]。

1.2 鐵路通信系統(tǒng)的技術(shù)特點

鐵路通信系統(tǒng)具有設(shè)備分散、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、業(yè)務(wù)繁多及技術(shù)要求高等顯著特點。鐵路通信設(shè)備布局分散，終端除設(shè)置在鐵路管理機構(gòu)外，還布置在全國各地的機務(wù)段、車務(wù)段、車輛段、工務(wù)段、電務(wù)段以及無數(shù)個車站、工區(qū)，形成大規(guī)模的區(qū)域網(wǎng)。同時，在鐵路沿線每隔1 ～2 km 設(shè)有區(qū)間電話，從而滿足運營和維護需求。這種高度分散的設(shè)備布置，使鐵路通信系統(tǒng)組網(wǎng)難度增大。鐵路通信以運輸為中心，實現(xiàn)列車和車輛的統(tǒng)一調(diào)度指揮，保證運行安全。因此，在各類業(yè)務(wù)中，調(diào)度電話和行車電話最重要，通信故障時要先保證這兩者暢通，決定了鐵路通信的業(yè)務(wù)重心在運輸指揮上。鐵路通信融合有線與無線，有線通信構(gòu)成主體骨干，以保證語音和數(shù)據(jù)高速穩(wěn)定傳輸；無線通信可使運行中的列車與指揮中心實時聯(lián)系，兩者優(yōu)勢互補。鐵路通信業(yè)務(wù)類型繁多，設(shè)備復(fù)雜，對通信質(zhì)量要求極高，且各項業(yè)務(wù)需要準(zhǔn)確可靠，分秒不誤。因此，鐵路通信網(wǎng)須作為專用綜合網(wǎng)，采用多樣化設(shè)備，提供豐富的通信服務(wù)。

2 鐵路通信系統(tǒng)中移動通信技術(shù)的應(yīng)用分析

2.1 GSM-R 技術(shù)的應(yīng)用

鐵路全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R）作為一種專為鐵路通信設(shè)計的國際標(biāo)準(zhǔn)，在當(dāng)前的鐵路通信系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。GSM-R 是基于全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications，GSM） 語音和數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)專門針對高速移動的鐵路環(huán)境進行改進設(shè)計的。圖2 為某全場景的GSM-R 接口服務(wù)器測試平臺。

圖2 某全場景的GSM-R 接口服務(wù)器測試平臺系統(tǒng)

相比公共GSM 網(wǎng)絡(luò)，GSM-R 網(wǎng)絡(luò)增加了語音組呼、語音廣播以及多級靜音等鐵路專用業(yè)務(wù)功能。GSM-R 系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、基站子系統(tǒng)、運維子系統(tǒng)及終端設(shè)備組成。網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)包含移動交換子系統(tǒng)、智能網(wǎng)子系統(tǒng)及通用分組無線子系統(tǒng)等。具體來說，移動交換子系統(tǒng)負責(zé)語音業(yè)務(wù)的交換連接，智能網(wǎng)子系統(tǒng)實現(xiàn)業(yè)務(wù)控制邏輯，通用分組無線子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[2]。系統(tǒng)使用主從同步機制，不同節(jié)點設(shè)備從高精度的時鐘同步設(shè)備后臺智能傳輸服務(wù)（Background Intelligent Transfer Service，BITS） 獲取精確的時鐘信號。基站子系統(tǒng)的基站控制器（Base Station Controller，BSC）則從移動交換中心（Mobile Switching Center，MSC）獲取同步時鐘。GSM-R 的頻段規(guī)劃上行頻帶為885 ～889 MHz，下行頻帶為930 ～934 MHz，可以實現(xiàn)不同地域和運營商之間的互操作，每個語音信道的帶寬為200 kHz。GSM-R 技術(shù)在多個方面改進了鐵路通信。第一，實現(xiàn)了語音組呼和語音廣播功能，允許一個呼叫者與一個組內(nèi)的多個用戶同時通話，有效支持列車調(diào)度通信和運維通信。語音組呼可以實現(xiàn)16 人同時通話，語音廣播可以向多個小區(qū)內(nèi)的所有用戶廣播語音信息。第二，可以以2 400 b/s 的速率傳輸車次信息、列車停止信號等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，提高運輸安全性。第三，為調(diào)度員下達書面調(diào)度命令提供無線傳輸通道，調(diào)度命令數(shù)據(jù)傳輸速率可達9 600 b/s。第四，以9 600 b/s 的速率傳輸尾部信號監(jiān)測數(shù)據(jù)。第五，以9 600 b/s 的速率傳輸機車信號和監(jiān)控信息。第六，車地之間以9 600 b/s 的速率實現(xiàn)安全的雙向數(shù)據(jù)通信。第七，為區(qū)間移動辦公提供語音和9 600 b/s 數(shù)據(jù)通信保障。第八，在緊急情況下，可建立應(yīng)急指揮語音和9 600 b/s 的數(shù)據(jù)通信。

2.2 正交頻分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用

正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)是當(dāng)前鐵路通信系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的一種調(diào)制技術(shù)，核心思路是將高速數(shù)據(jù)流分解為多個低速數(shù)據(jù)流，調(diào)制到多個正交子載波上進行傳輸。在接收端，這些正交子載波可以通過相關(guān)技術(shù)分離開來，從而減少子載波之間的干擾。OFDM 技術(shù)具有抗多徑衰落和頻率選擇衰落的能力，可實現(xiàn)高質(zhì)量的無線通信。OFDM 技術(shù)在鐵路通信系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在列車控制系統(tǒng)和無線列調(diào)通信2 大方面。在列車控制系統(tǒng)中，OFDM 可用于實現(xiàn)列車與地面控制中心之間的無線通信鏈路。例如，在基于移動通信技術(shù)的列車控制系統(tǒng)中，OFDM 可用來傳輸列車的位置、速度等關(guān)鍵控制信息，從而實現(xiàn)列車的精準(zhǔn)調(diào)度和安全運行。與傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)相比，OFDM 系統(tǒng)具有更強的抗干擾能力，可提高無線通信的可靠性[3]。在無線列調(diào)通信中，OFDM 也發(fā)揮著重要作用。它可用于無線列調(diào)電臺之間的語音和數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)火車司機與調(diào)度員之間的實時互通，協(xié)調(diào)行車。與傳統(tǒng)調(diào)制方式相比，OFDM 可提供更高速率的無線通信鏈路，滿足列車調(diào)度對通信質(zhì)量的要求。

2.3 衛(wèi)星通信技術(shù)的應(yīng)用

衛(wèi)星通信技術(shù)原理是利用地球同步軌道衛(wèi)星作為中繼站，在發(fā)射端和接收端之間傳輸微波信號。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星、地面控制站、用戶終端等組成，具有覆蓋范圍廣、傳輸速率高、抗干擾能力強及易于網(wǎng)絡(luò)管理等優(yōu)點。在鐵路通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星通信技術(shù)主要應(yīng)用于鐵路主干通信網(wǎng)絡(luò)和鐵路應(yīng)急通信方面。例如，用于連接鐵道部和各鐵路局、各鐵路局之間的視頻會議和數(shù)據(jù)通信以及在災(zāi)害情況下保障重要通信的暢通。具體來說，有以下幾種應(yīng)用。一是鐵路干線衛(wèi)星通信系統(tǒng)，主要用于鐵道部與各鐵路局、各鐵路局之間的話音、傳真、數(shù)據(jù)及會議電視等業(yè)務(wù)，實現(xiàn)全國范圍內(nèi)的鐵路管理指揮。該系統(tǒng)采用Ku 波段衛(wèi)星，每個衛(wèi)星天線站配置2.4 m 口徑的天線，可提供14.5 Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸能力，系統(tǒng)可靠性高，年平均故障時間小于50 min。二是應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)，主要用于在鐵路主干微波通信出現(xiàn)故障時，迅速恢復(fù)通信鏈路，確保重要業(yè)務(wù)的正常進行。這類系統(tǒng)廣泛安裝在如蘭新線等重要鐵路干線上，采用C 波段的可攜帶衛(wèi)星終端，可快速部署使用[4]。

2.4 無線列調(diào)技術(shù)的應(yīng)用

無線列調(diào)技術(shù)利用無線電方式實現(xiàn)鐵路運輸過程中的通信指揮，主要實現(xiàn)車站值班人員、調(diào)度員及機車司機之間的語音通信。它工作在專用的無線電頻段，可保證語音通信的可靠性。無線列調(diào)技術(shù)實現(xiàn)了火車運行各環(huán)節(jié)的遠程無線控制，大大提高了鐵路運輸?shù)陌踩院托省Ｆ渲饕獌?yōu)勢有：實現(xiàn)遠距離控制，通信范圍廣；構(gòu)建閉環(huán)控制，執(zhí)行指令反饋快速；頻譜資源占用率低，系統(tǒng)建設(shè)和運維成本較低。無線列調(diào)技術(shù)在鐵路通信系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用，為鐵路運營的指揮調(diào)度提供了重要的技術(shù)支撐，已經(jīng)成為鐵路運營的“三大件”之一。其主要應(yīng)用包括以下幾個方面。一是車站值班人員與機車司機之間的呼叫和通話。利用無線電信號可實現(xiàn)遠距離個別呼叫、群呼及緊急呼叫等。二是調(diào)度員與機車司機之間的語音調(diào)度指令下達。調(diào)度員可通過無線方式對機車司機下達運行指令，司機收到指令后可通過無線反饋執(zhí)行情況。三是實現(xiàn)鐵路運輸過程中的監(jiān)控與預(yù)警。通過無線收集機車和軌道設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，監(jiān)測行車安全，并可及時預(yù)警司機采取應(yīng)急措施。四是救援過程中的應(yīng)急指揮[5]。無線列調(diào)可實現(xiàn)快速呼叫報警，組織指揮救援工作，縮短事故處理時間。

2.5 集群通信技術(shù)的應(yīng)用

集群通信技術(shù)作為一種先進的無線通信技術(shù)，在鐵路通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的無線電通信方式相比，集群通信技術(shù)具有信道共享、動態(tài)分配及群呼功能等優(yōu)勢，可以實現(xiàn)鐵路通信系統(tǒng)的智能化調(diào)度和管理。集群通信技術(shù)的核心是采用時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）技術(shù)實現(xiàn)信道的共享。不同用戶在同一射頻信道上以分時方式傳輸，即在不同的時隙上傳送信息，從而實現(xiàn)信道資源的共享，提高頻譜利用效率。與傳統(tǒng)的頻分多址（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA）方式相比，TDMA 方式可以支持更多的用戶接入。此外，集群通信技術(shù)可實現(xiàn)基站間、基站與移動臺之間的無縫平滑切換，在高鐵等場景中可保證通信的連續(xù)性。歐洲的泛歐集群無線電（Trans European Trunked Radio，TETRA）系統(tǒng)是較早應(yīng)用于鐵路通信的集群通信系統(tǒng)。TETRA 采用25 kHz 信道，可支持Voice+Data 業(yè)務(wù)，具有強大的終端訪問能力和豐富的補充業(yè)務(wù)。在我國，自主研發(fā)的集群通信系統(tǒng)也得到應(yīng)用，如新一代列調(diào)通信系統(tǒng)就是典型的TDMA 系統(tǒng)，可以支持每基站128 個信道，實現(xiàn)無線電全網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（Internet Protocol，IP）化。這類集群通信系統(tǒng)滿足了鐵路調(diào)度對語音、數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)男枨蟆＜和ㄐ偶夹g(shù)在我國鐵路通信系統(tǒng)中的應(yīng)用前景廣闊，可以提供穩(wěn)定可靠的無線通信保障，實現(xiàn)鐵路通信系統(tǒng)的智能化，提高運營效率和安全性。但投入集群通信系統(tǒng)也需要一定資金支持，相關(guān)部門需要在投入與產(chǎn)出之間謀求平衡，推動集群通信在鐵路通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，以適應(yīng)鐵路通信發(fā)展的需要。

3 結(jié) 論

移動通信技術(shù)為鐵路通信系統(tǒng)提供了更高效、更可靠的通信服務(wù)，大幅提升了鐵路通信的質(zhì)量。鐵路部門應(yīng)該持續(xù)跟蹤移動通信領(lǐng)域最新的技術(shù)進展，選擇適合自身實際情況的技術(shù)方案，在移動通信技術(shù)與傳統(tǒng)鐵路專用通信技術(shù)之間找到最佳的結(jié)合方式。同時，要加強移動通信設(shè)備的維護與管理，保證移動通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定、可靠運行。只有這樣，才能推動鐵路通信系統(tǒng)的革命性進步，使鐵路通信達到一個嶄新的高度。