電氣化鐵路及軌道交通無線通信系統(tǒng)用頻研究

林于新，賴新權(quán)

（國家無線電監(jiān)測中心福建監(jiān)測站，廈門 361004）

1 引言

近年來，大量高速鐵路和城市軌道交通線路的投入使用極大的提升了我國交通事業(yè)，而電氣化鐵路和城市軌道交通系統(tǒng)應(yīng)用大量工作在不同頻段的無線通信系統(tǒng)來保證通信和運行安全。隨著各無線通信系統(tǒng)日益增多以及電磁環(huán)境愈加復(fù)雜，干擾現(xiàn)象時有發(fā)生，各地?zé)o線電管理機構(gòu)時有收到來自鐵路部門的干擾投訴。為了保障電氣化鐵路及城市軌道交通無線通信系統(tǒng)的安全及穩(wěn)定運行，無線管理部門應(yīng)當(dāng)掌握其用頻特性及主要功能。有鑒于此，本文對電氣化鐵路和城市軌道交通主要無線通信系統(tǒng)的功能及用頻特性進(jìn)行了闡述。

2 電氣化鐵路主要無線通信系統(tǒng)

2.1 GSM-R

GSM-R數(shù)字移動通信技術(shù)是當(dāng)前中國鐵路主要采用的無線通信技術(shù)，高速鐵路、客運專線、重載鐵路、城際鐵路及部分普速鐵路均選擇GSM-R構(gòu)建鐵路無線通信系統(tǒng)，主要提供無線列調(diào)、編組調(diào)車通信、區(qū)段養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)通信、應(yīng)急通信、隧道通信等通信功能，并可為列車自動控制與檢測信息提供數(shù)據(jù)傳輸通道。為此，鐵路總公司建立了一整套相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，不斷規(guī)范GSM-R的使用。

GSM-R的工作頻段為885-889MHz（上行）及930-934MHz（下行），相鄰頻道間隔為200kHz。作為綜合無線通信系統(tǒng)，GSM-R在鐵路得到了廣泛應(yīng)用。

2.1.1 基于GSM-R的機車同步操控系統(tǒng)[4]

該系統(tǒng)主要應(yīng)用于大秦（大同至秦皇島）重載運煤專線。為了提高運力，重載鐵路采用多機車牽引模式，如果多牽引機車操作不同步，就會造成車箱間的擠壓或者拉鉤現(xiàn)象，影響運輸安全及工作效率。大秦鐵路利用GSM-R網(wǎng)絡(luò)提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道，采用無線通信的方式來實現(xiàn)機車間的同步操控，保證了運行的可靠性。

2.1.2 基于GSM-R的CTCS-3級列控系統(tǒng)

CTCS-3系統(tǒng)是基于GSM-R無線通信的列車運行控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過軌道電路和應(yīng)當(dāng)器實現(xiàn)列車占用檢查及定位，無線閉塞中心RBC根據(jù)區(qū)間軌道電路、聯(lián)鎖系統(tǒng)生成的進(jìn)路狀態(tài)信息生成行車許可，再通過GSM-R系統(tǒng)將行車許可、線路參數(shù)、臨時限速等信息傳輸給列車，車載設(shè)備根據(jù)此信息及列車參數(shù)，生成列車動態(tài)速度曲線，保證列車的高速安全運行。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于時速300至350公里高速鐵路上，是高鐵核心技術(shù)之一。

在CTCS-3中，應(yīng)答器主要向車載設(shè)備傳輸區(qū)間定位、級間轉(zhuǎn)換和RBC切換等信息。點式應(yīng)答器設(shè)備分為地面應(yīng)答器和車載傳輸設(shè)備（BTM）兩部分。工作頻率為27.xxx MHz（車至地傳輸/4.xxx MHz（地至車傳輸），調(diào)制方式為FSK。

2.2 站場無線通信系統(tǒng)[1]

2.2.1 列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)

列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)以運輸調(diào)度為目的，主要完成列車與調(diào)度中心間或列車間的通信，簡稱無線列調(diào)。我國鐵路列車從20世紀(jì)50年代開始使用無線調(diào)度電臺，從90年代開始，工作頻段逐步從150MHz過渡到450MHz頻段，目前列車無線調(diào)度通信主要采用GSM-R系統(tǒng)或450MHz列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)。典型450MHz列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)調(diào)度臺、機車電臺、車站電臺間語音通話功能以及車次號校核、調(diào)度命令、列車尾部風(fēng)壓數(shù)據(jù)信息的數(shù)字承載功能。工作頻段為457.200MHz-458.650MHz和467.200MHz-468.650MHz。

圖1 450MHz列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

根據(jù)鐵路總公司相關(guān)規(guī)定，新建、改建鐵路將全面采用GSM-R系統(tǒng)，而不再安排450MHz無線列調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計。在建的無線列調(diào)工程項目，可根據(jù)項目實施情況對設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整，具備條件的可變更為GSM-R系統(tǒng)。

2.2.2 站場常規(guī)通信系統(tǒng)

站場常規(guī)無線通信主要為站場的流動作業(yè)人員之間、流動作業(yè)人員與固定作業(yè)人員之間提供無線通信和信息傳送，主要包括調(diào)車作業(yè)、監(jiān)控、貨檢、列檢、客運等業(yè)務(wù)。

2.2.2.1 模擬對講系統(tǒng)

模擬對講系統(tǒng)在鐵路站場內(nèi)被廣泛采用，主要工作頻率為450-470MHz。但該系統(tǒng)功能單一、占用頻點較多、易受內(nèi)外部干擾、無網(wǎng)絡(luò)能力，已不能適應(yīng)時代發(fā)展的需求。目前，國家已停止對150MHz、400MHz頻段模擬對講機設(shè)備的型號核準(zhǔn)，全面推廣數(shù)字對講機，鐵路部門也表態(tài)推進(jìn)“模轉(zhuǎn)數(shù)”工作，可見鐵路部門在用的模擬對講系統(tǒng)將逐漸被數(shù)字系統(tǒng)所取代。

2.2.2.2 數(shù)字集群通信系統(tǒng)[2]

DMR（Digital Mobile Radio，數(shù)字移動無線通信）技術(shù)，是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ESTI）制定的數(shù)字對講機標(biāo)準(zhǔn)，于2005年被正式批準(zhǔn)，在國內(nèi)擁有眾多供應(yīng)商支持。在鐵路系統(tǒng)主要使用403-470MHz頻段的專用頻點。目前，該技術(shù)已在成都、成都南、成都東等客站成功運營，解決了鐵路客站無線通信網(wǎng)建設(shè)滯后、傳輸通道擁擠堵塞等問題。

數(shù)字制式相比傳統(tǒng)模擬制式的語音通信功能，增加了數(shù)據(jù)通信、聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)管等功能，但頻點也受限于國家指配給鐵路的400MHz頻點，系統(tǒng)能提供的業(yè)務(wù)容量有限。

2.2.2.3 WLAN無線局域網(wǎng)技術(shù)[3]

WLAN技術(shù)在鐵路貨運方面被廣泛使用，部分大型貨運站、物流園區(qū)在場內(nèi)布置WLAN熱點，并為集卡車輛和作業(yè)人員配置終端，通過無線網(wǎng)絡(luò)下達(dá)調(diào)度命令，引導(dǎo)司機行駛，提高了作業(yè)效率。此外，部分鐵路站場使用WLAN無線接入平臺，實現(xiàn)了售票、補票、充值、進(jìn)出站等各類票卡的業(yè)務(wù)辦理及數(shù)據(jù)存儲分析。

2.3 貨列車尾部安全防護(hù)系統(tǒng)

2.3.1 貨車尾部安全防護(hù)系統(tǒng)

貨車守車取消后，該系統(tǒng)被用于保證尾部無人職守情況下的安全運輸，主要功能有查詢尾部風(fēng)壓、輔助排風(fēng)制動、電池欠壓及風(fēng)壓不正常報警并可兼作列車晝夜尾部標(biāo)識等。

根據(jù)鐵路總公司相關(guān)文件要求，貨車列尾裝置可采用GSM-R/400MHz雙模列尾，雙模貨車列尾裝置具有GSM-R和400MHz數(shù)字兩種通信方式。GSM-R通信方式下，列尾裝置通信由GSM-R/GPRS網(wǎng)絡(luò)承載；在非GSM-R鐵路區(qū)段，列尾無線通信使用400MHz數(shù)字工作方式，采用DMR點對點直接通信方式下的CSBK協(xié)議傳輸，收發(fā)頻率為414.xxx MHz/404.xxx MHz。

2.3.2 旅客列車尾部安全防護(hù)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要功能與貨車列尾裝置相似，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集編碼器、800MHz機車電臺（LBJ）、道口報警設(shè)備、施工防護(hù)報警設(shè)備、列車接近預(yù)警器、旅客列車尾部安全防護(hù)裝置（KLW）和專用維護(hù)設(shè)備等組成。

編碼器和LBJ安裝于機車，KLW安裝于列車尾部，道口報警設(shè)備安裝于道口，工務(wù)人員配備施工防護(hù)報警設(shè)備和預(yù)警器，維護(hù)人員配備便攜測試臺和數(shù)據(jù)管理器，出入庫檢測設(shè)備安裝于機車出入庫檢測地點。其工作頻點表1所示。

2.4 基于LTE的鐵路無線通信系統(tǒng)

針對現(xiàn)有GSM-R系統(tǒng)頻譜資源有限、傳輸速率低、呼叫建立時間長的缺點，國際鐵路聯(lián)盟UIC己經(jīng)確定鐵路下一代移動通信系統(tǒng)直接由GSM-R技術(shù)向LTE-R演進(jìn)。相比于GSM-R通信系統(tǒng)，LTE-R 系統(tǒng)可提供高速率、大容量的傳輸效果，可承載的鐵路業(yè)務(wù)類型從調(diào)度語音、列控信息、車次信息等傳統(tǒng)業(yè)務(wù)擴展到視頻監(jiān)控、電話會議、旅客業(yè)務(wù)等新型業(yè)務(wù)。

表1 旅客列車列尾系統(tǒng)頻率配置表

朔黃鐵路是世界首條采用TD-LTE方案的重載貨運鐵路，工作頻段為1785MHz-1795MHz，承載重載列車重聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸、列車調(diào)度通信、車次號校驗、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)[5]。

此外，部分鐵路局站也引入LTE技術(shù)應(yīng)用于站場貨檢、無線對講和作業(yè)信息的傳送。可以預(yù)見，未來LTE將被廣泛應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)。

3 城市軌道交通主要無線通信系統(tǒng)

3.1 專用無線通信系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要為運營人員提供無線語音通信以及調(diào)度臺和車載臺之間的數(shù)據(jù)通信服務(wù)。

各城市軌道交通專用無線調(diào)度網(wǎng)基本采用800MHz TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)。TETRA數(shù)字無線集群系統(tǒng)的工作頻率為上行806-821MHz和下行851-866MHz，頻道間隔為25kHz?？梢詾檐壍澜煌ㄌ峁┩ㄔ?、編組、呼叫及數(shù)據(jù)傳送功能。

3.2 基于無線通信的列車控制移動閉塞CBTC 系統(tǒng)[6]

CBTC系統(tǒng)通過部署在列車上以及軌道旁的無線設(shè)備，實現(xiàn)了車地間不中斷的雙向通信，控制中心可以根據(jù)列車實時的速度和位置動態(tài)計算和調(diào)整列車的最大制動距離，保證相鄰列車以很小的間隔同時前進(jìn)，從而提高運營效率。

系統(tǒng)主要基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)并工作ISM頻段，至2015年底，我國共有75條城市軌道交通線路采用了2.4GHz頻段CBTC系統(tǒng)。但另一方面，該頻段為公用頻段，共享此頻譜系統(tǒng)眾多，電磁環(huán)境復(fù)雜，一旦出現(xiàn)外來有害干擾，并且干擾時間超過車地雙向通信允許的最長時延，列車自動保護(hù)（ATP）系統(tǒng)將觸發(fā)緊急制動。2012年，深圳地鐵蛇口線和環(huán)中線列車多次發(fā)生車地通信系統(tǒng)被乘客隨身攜帶的Wi-Fi干擾而引起列車緊急制動的事故。

表2 國內(nèi)部分使用LTE車地?zé)o線系統(tǒng)的城市軌道交通系統(tǒng)

3.3 基于LTE的軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)

針對CBTC系統(tǒng)所存在的問題，中國城市軌道交通協(xié)會于2015年發(fā)文建議各城市軌道交通單位盡快申請1785-1805MHz頻段內(nèi)的專用頻率，專用頻率主要考慮承載以CBTC信號系統(tǒng)為核心的城市軌道交通業(yè)務(wù)。同時，申請專用頻段時應(yīng)明確采用TD-LTE技術(shù)制式。近年來，國內(nèi)新建軌道交通開始廣泛采用基于LTE的車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)，工作頻率為1795～1805MHz，主要承載CBTC（含列車狀態(tài)信息）、PIS（乘客信息系統(tǒng)，含車載視頻監(jiān)控CCTV、緊急文本）業(yè)務(wù)。表2為國內(nèi)部分使用LTE車地?zé)o線系統(tǒng)的城市軌道交通系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

面對鐵路、軌道交通無線系統(tǒng)不斷發(fā)展、電磁環(huán)境日益復(fù)雜以及用頻不規(guī)范時有發(fā)生的緊迫形勢，無線電部門只有做到緊密跟蹤其用頻需求，對頻率進(jìn)行合理規(guī)劃，引導(dǎo)規(guī)范用頻行為，才能保證鐵路和軌道交通系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

[1] 謝衡元.鐵路站場綜合無線通信技術(shù)研究[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2015，12（03）：26-30.

[2] 趙武元，胡華，段永奇.鐵路客站數(shù)字無線通信系統(tǒng)[J].中國鐵路，2011（12）：23-26.

[3] 嚴(yán)思廣.鐵路WLAN技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢探討[J].鐵路計算機應(yīng)用，2013，22（01）：82-84.

[4] 李培釗.基于GSM-R的大秦線機車同步操控QoS保障的研究[D].北京交通大學(xué)，2007.

[5] 曹彥平.TD-LTE技術(shù)構(gòu)建朔黃鐵路寬帶移動通信系統(tǒng)可行性研究[J].鐵道通信信號，2014，50（04）：68-72.

[6] 李土超.CBTC技術(shù)的發(fā)展及無線干擾研究[D].中國鐵道科學(xué)研究院，2015.