鐵路站場無線通信技術(shù)探析
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目前，根據(jù)鐵路總公司的技術(shù)政策，無線列調(diào)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(shù)字集群等實現(xiàn)站場各類業(yè)務(wù)的無線通信。隨著無線通信技術(shù)發(fā)展，450MHz無線電臺在鐵路列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)應(yīng)用中將逐漸被其他技術(shù)替代。鐵路總公司將LTE無線通信技術(shù)作為下一代鐵路列車無線調(diào)度通信技術(shù)正在展開應(yīng)用技術(shù)研究。
1.1數(shù)字無線電臺應(yīng)用
目前，鐵路常用的數(shù)字無線電臺主要有450MHz、400MHz數(shù)字無線電臺。450MHz數(shù)字無線電臺主要用于普速鐵路列車無線調(diào)度通信、調(diào)度命令和無線車次號校核信息傳送，400MHz數(shù)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(wù)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(diào)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(zé)向?qū)俚厥〖墴o線電管理部門申請400MHz額外的頻率。對于當(dāng)前使用450～470MHz頻段頻率用于鐵路養(yǎng)護維修、生產(chǎn)組織、監(jiān)控監(jiān)測、公安保衛(wèi)、應(yīng)急保障等各類區(qū)域性普通無線電對講通信業(yè)務(wù)，應(yīng)結(jié)合更新改造退出450～470MHz頻率。需要繼續(xù)使用的業(yè)務(wù)，由鐵路局統(tǒng)一向?qū)俚厥〖墴o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(wù)，為簡化終端設(shè)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(wù)頻率工作在同一頻段。站場所有業(yè)務(wù)采用無線電臺通信，則會造成無線設(shè)備設(shè)置分散、數(shù)量多、無法集中維護和管理。而且，無線電臺通信不適應(yīng)高速率、高帶寬的車地數(shù)據(jù)信息業(yè)務(wù)傳送，不能滿足未來站場的自動化、智能化、高帶寬業(yè)務(wù)發(fā)展需求。
1.2數(shù)字集群無線通信技術(shù)應(yīng)用
集群通信，即無線專用調(diào)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(wǎng)形式、異頻雙工組網(wǎng)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(diào)度系統(tǒng)，并在政府部門、警務(wù)、鐵路、地鐵、電力、民航等各行各業(yè)的指揮調(diào)度中發(fā)揮了重要作用。國際上數(shù)字集群調(diào)度系統(tǒng)主要有TETRA、iDEN和FHMA3種較為先進的技術(shù)體制，由于這3種技術(shù)體制構(gòu)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(wǎng)應(yīng)用，未在鐵路領(lǐng)域獲得推廣應(yīng)用。近年來，隨著數(shù)字移動無線電標準（DMR）制定，我國無線設(shè)備供貨商根據(jù)數(shù)字移動無線電標準（DMR）為各企業(yè)用戶提供DMR數(shù)字集群系統(tǒng)設(shè)備。DMR標準是完全公開的標準，國內(nèi)擁有眾多供應(yīng)商支持，國內(nèi)設(shè)備廠家生產(chǎn)的400MHz的DMR數(shù)字集群系統(tǒng)已在部分鐵路站場獲得應(yīng)用。鐵路使用的400MHz的DMR數(shù)字集群系統(tǒng)主要采用403～470MHz頻段的專用頻點，通過數(shù)字通道實現(xiàn)基站與IP控制服務(wù)器間的連接，控制臺、運用服務(wù)器與IP控制服務(wù)器連接，構(gòu)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(jù)站場業(yè)務(wù)特性要求進行業(yè)務(wù)與頻點綁定，也可以各業(yè)務(wù)采用公共頻點通信。400MHz的DMR數(shù)字集群無線通信系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)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(shù)據(jù)信息傳送。站場所有業(yè)務(wù)采用400MHz集群無線通信，其無線設(shè)備可以集中設(shè)置、減少設(shè)備數(shù)量、并能集中維護和管理，最適用于解決站場平面調(diào)車業(yè)務(wù)和無線對講業(yè)務(wù)，以及綜合自動化SAM系統(tǒng)車地信息傳送。但是，不適應(yīng)高速率、高帶寬的車地數(shù)據(jù)信息業(yè)務(wù)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(wù)容量有限。
1.3GSM-R移動通信技術(shù)應(yīng)用
GSM-R數(shù)字移動通信技術(shù)作為中國鐵路列車無線通信主要采用的技術(shù)，鐵路總公司已建立了一整套相關(guān)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(shù)字移動通信技術(shù)構(gòu)建鐵路無線通信系統(tǒng)，主要用于列車無線調(diào)度語音通信，以及調(diào)度命令、車次號校核、列控信息、機車同步操控等數(shù)據(jù)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(wǎng)子系統(tǒng)（IN）、通用分組無線業(yè)務(wù)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(wǎng)子系統(tǒng)（IN）由鐵路總公司統(tǒng)一設(shè)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(shè)置移動交換子系統(tǒng)（SSS）、通用分組無線業(yè)務(wù)子系統(tǒng)（GPRS）、運營與支撐子系統(tǒng)（OSS）各1套設(shè)備，根據(jù)用戶需求在鐵路沿線、車站、樞紐設(shè)置無線子系統(tǒng)（BSS），配置相應(yīng)的無線終端設(shè)備。雖然，GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)可以實現(xiàn)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(diào)度通信、站場常規(guī)無線通信語音和低速數(shù)據(jù)信息傳送，設(shè)備能集中維護和管理。但是，由于GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)的頻點有限，站場所有業(yè)務(wù)采用GSM-R的系統(tǒng)實現(xiàn)會造成信道占用很大，現(xiàn)有的頻點不夠使用，當(dāng)站場靠近正線鐵路或通過正線列車時，會對列車調(diào)度指揮系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此，GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)未被全面應(yīng)用于站場常規(guī)無線通信業(yè)務(wù)。目前，只能適用于解決站場部分語音業(yè)務(wù)，以及低速率、時延要求不高的數(shù)據(jù)信息傳送。
1.4WLAN無線局域網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用
WLAN無線局域網(wǎng)是指利用無線通信技術(shù)在一定的局部范圍內(nèi)建立的網(wǎng)絡(luò)，屬于計算機網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。WLAN無線局域網(wǎng)技術(shù)使用戶擺脫各種線路的束縛，可以隨時隨地接入網(wǎng)絡(luò)。WLAN（Wi-Fi）無線通信可采用2.4GHz或者5.8GHz通信頻段。在鐵路領(lǐng)域，WLAN無線局域網(wǎng)技術(shù)主要應(yīng)用在編組站綜合自動化車地數(shù)據(jù)信息無線傳送。采用2.4GHz頻段和IEEE802.11g、IEEE802.11n標準的設(shè)備進行組網(wǎng)，實現(xiàn)綜合自動化CIPS調(diào)機業(yè)務(wù)等信息傳送需求。綜合自動化WLAN無線局域網(wǎng)系統(tǒng)主要由WLAN終端設(shè)備、接入點設(shè)備（AP）、接入控制點設(shè)備（AC）、PORTAL服務(wù)器、RADIUS認證服務(wù)器、用戶認證信息數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)運營支撐系統(tǒng)等組成。由于WLAN無線局域網(wǎng)頻點是公眾頻點，將會受到外界終端設(shè)備的干擾，列車遮擋物影響，以及缺乏站場無線對講業(yè)務(wù)、無線調(diào)車等業(yè)務(wù)的終端設(shè)備支持。因此，WLAN無線局域網(wǎng)不適用于涉及行車安全的鐵路調(diào)車業(yè)務(wù)，不適應(yīng)未來站場業(yè)務(wù)發(fā)展需求。
1.5LTE移動通信技術(shù)應(yīng)用
LTE移動通信技術(shù)是鐵路下一代寬帶無線通信技術(shù)發(fā)展方向，比較適用于寬帶數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jù)上下行的數(shù)據(jù)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(shù)應(yīng)用于列車同步操控、列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)構(gòu)成；在部分鐵路局站引入TD-LTE集群技術(shù)應(yīng)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(shù)用于車地間PIS信息和視頻監(jiān)控圖像傳送。工信部根據(jù)《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(shè)時分雙工（TDD）工作方式的寬帶數(shù)字集群專網(wǎng)系統(tǒng)。而1785～1805MHz頻段，則主要用于本地公眾網(wǎng)接入，對確有需要的本地專網(wǎng)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(gòu)負責(zé)。在同一地區(qū)給一具有無線接入業(yè)務(wù)經(jīng)營權(quán)的公眾網(wǎng)運營商或?qū)＞W(wǎng)單位指配的頻率寬帶一般不超過5MHz。未來，在鐵路領(lǐng)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(wù)。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(wǎng)。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(wù)保障，可二次開發(fā)定制終端、調(diào)度臺、無線通信模塊等；可提供調(diào)度通信語音業(yè)務(wù)、低速率或高速率數(shù)據(jù)信息傳送業(yè)務(wù)，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(shù)在鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)中的應(yīng)用正在研究開發(fā)階段，在站場或編組站中的無線調(diào)車、無線對講、綜合自動化信息無線傳送系統(tǒng)中尚未被應(yīng)用開發(fā)。
2未來站場綜合無線通信系統(tǒng)技術(shù)選擇
站場或編組站作業(yè)范圍比較獨立，技術(shù)作業(yè)業(yè)務(wù)較多，綜合上述幾種無線通信技術(shù)應(yīng)用介紹，以及應(yīng)用于站場多種業(yè)務(wù)情況下的可適用性進行分析，結(jié)合無線通信技術(shù)發(fā)展，選擇TD-LTE移動通信技術(shù)作為未來站場綜合無線通信技術(shù)。TD-LTE移動通信技術(shù)已在鐵路和地鐵領(lǐng)域獲得應(yīng)用，具有技術(shù)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(wù)綜合承載能力和未來各業(yè)務(wù)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(wù)。站場無線通信使用TD-LTE數(shù)字集群系統(tǒng)，可將公網(wǎng)MME、HSS、S-GW以及P-GW等多個網(wǎng)元合并為一個網(wǎng)元eCN，使其小型化，降低核心網(wǎng)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(yīng)用預(yù)留互聯(lián)互通條件。TD-LTE數(shù)字集群通信系統(tǒng)主要由核心網(wǎng)節(jié)點、無線子系統(tǒng)和無線終端組成。其中，核心網(wǎng)節(jié)點設(shè)置TD-LTE核心網(wǎng)設(shè)備，核心網(wǎng)設(shè)備通過交換機等設(shè)備與各種業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器相連；無線子系統(tǒng)根據(jù)站場覆蓋和業(yè)務(wù)需求在鐵路站場內(nèi)設(shè)置，無線子系統(tǒng)設(shè)備包括LTE基站設(shè)備BBU（BasebandUnit）和RRU（RadioRemoteUnit）設(shè)備；根據(jù)需要配置相應(yīng)的無線終端。TD-LTE系統(tǒng)組網(wǎng)方案結(jié)構(gòu)。
3結(jié)束語
TD-LTE數(shù)字集群技術(shù)可以滿足站場各類業(yè)務(wù)需求，可承載大部分站場業(yè)務(wù)。但是，TD-LTE網(wǎng)1.8G頻點需要申請，各鐵路局能否申請到TD-LTE網(wǎng)1.8G頻點是該技術(shù)應(yīng)用于鐵路站場的關(guān)鍵問題。目前，采用TD-LTE數(shù)字集群通信系統(tǒng)實現(xiàn)站場無線調(diào)車業(yè)務(wù)和編組站綜合自動化業(yè)務(wù)，沒有成熟的應(yīng)用服務(wù)器設(shè)備、調(diào)車終端設(shè)備和機車臺設(shè)備支持，有待研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品和終端設(shè)備，對調(diào)度通信功能、信息傳送時延等是否滿足站場業(yè)務(wù)需求，需要結(jié)合實際應(yīng)用和終端設(shè)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(shè)計院有限公司
