基于DMR的站場(chǎng)無(wú)線通信頻率分配方案研究

趙 哲，葉 晞

（北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044）

鐵路站場(chǎng)無(wú)線通信包括：平面調(diào)車、駝峰調(diào)車、車號(hào)、商檢、貨運(yùn)、列檢、行包和客運(yùn)等系統(tǒng)的無(wú)線通信。其中，平面調(diào)車無(wú)線通信是站場(chǎng)無(wú)線通信中一項(xiàng)非常重要的業(yè)務(wù)。平面調(diào)車是在平面牽出線上進(jìn)行的調(diào)車作業(yè)，其任務(wù)的完成是通過(guò)調(diào)車長(zhǎng)和調(diào)車員等作業(yè)人員之間的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信（調(diào)車指令和調(diào)單數(shù)據(jù)等）來(lái)實(shí)現(xiàn)。調(diào)車作業(yè)對(duì)無(wú)線通信的安全性要求比較高，這就要求各無(wú)線通信信道之間沒(méi)有相互干擾。站場(chǎng)通信的無(wú)線信道，是由鐵道部指定的一組頻點(diǎn)，將其合理地分配給各個(gè)編組站進(jìn)行安全作業(yè)。

目前，平面調(diào)車無(wú)線通信采用的是模擬的常規(guī)對(duì)講方式，存在頻率利用率低、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)不能同傳、站場(chǎng)內(nèi)各系統(tǒng)間干擾嚴(yán)重等問(wèn)題。DMR系統(tǒng)是多信道時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，作為鐵路站場(chǎng)新一代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，相比模擬常規(guī)通信系統(tǒng)具有多種優(yōu)點(diǎn)，已被率先確定應(yīng)用于鐵路調(diào)車無(wú)線通信業(yè)務(wù)。

因此，經(jīng)過(guò)分析站場(chǎng)無(wú)線通信的業(yè)務(wù)需求以及基于DMR無(wú)線通信方式的特點(diǎn)，在充分利用頻率資源解決好調(diào)車頻率的優(yōu)化利用，減少同頻干擾及互調(diào)干擾的基礎(chǔ)上，本文提出了站場(chǎng)無(wú)線通信頻率的解決方案，并通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)無(wú)線通信頻率的自動(dòng)分配。

1 站場(chǎng)無(wú)線通信業(yè)務(wù)需求

鐵路平面調(diào)車無(wú)線通信業(yè)務(wù)需求分為：

（1）話音通信：站場(chǎng)內(nèi)每個(gè)調(diào)車機(jī)車的相關(guān)成員組成一個(gè)調(diào)車作業(yè)組，該調(diào)車組成員之間的話音通信包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)呼叫、個(gè)別呼叫以及組呼、緊急呼叫。

（2）調(diào)車指令數(shù)據(jù)通信：包括啟動(dòng)、推進(jìn)、減速、停車、十車、五車、三車、連結(jié)、溜放、緊急停車等調(diào)車機(jī)車信號(hào)。該類信息數(shù)據(jù)量小，但對(duì)實(shí)時(shí)性、安全性要求比較高，端到端延時(shí)應(yīng)小于500 ms。

（3）調(diào)車作業(yè)單信息傳輸：數(shù)據(jù)量較大，一般為500 bit~2000 bit，但該類信息對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高。

2 DMR通信方式的優(yōu)點(diǎn)

DMR數(shù)字通信方式采用TDMA方式，通話數(shù)據(jù)能同傳，解決了調(diào)車通話時(shí)信令強(qiáng)插的問(wèn)題。DMR可使單個(gè)12.5 kHz信道支持兩個(gè)同步通話或獨(dú)立通話。在DMR標(biāo)準(zhǔn)中，時(shí)分多址（TDMA）方式可保留 12.5 kHz帶寬并將其分為兩個(gè)交替的時(shí)隙。每個(gè)時(shí)隙具有等同的帶寬6.25 kHz并且可以作為獨(dú)立的通信信道運(yùn)行，原信道的配置與模擬信號(hào) 12.5 kHz的配置仍可保持相同。這就表示DMR可以完全兼容現(xiàn)有的頻點(diǎn)，所以就無(wú)需重新購(gòu)買或重新配置頻點(diǎn)，同時(shí)還可將12.5 kHz的信道帶寬容量擴(kuò)增一倍。

TDMA系統(tǒng)中，如果第1個(gè)時(shí)隙傳輸語(yǔ)音數(shù)據(jù)，則第2個(gè)時(shí)隙可用于傳輸應(yīng)用程序數(shù)據(jù)，例如：文本信息等數(shù)據(jù)，同時(shí)還能進(jìn)行語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸，這對(duì)于當(dāng)前平面調(diào)車無(wú)線通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能至關(guān)重要。雙時(shí)隙TDMA制式應(yīng)用程序的發(fā)展方向包括結(jié)合兩個(gè)時(shí)隙以使數(shù)據(jù)傳輸速率加倍，或同時(shí)使用兩個(gè)時(shí)隙以便啟用全雙工通話。

DMR 數(shù)字技術(shù)可更好地抑制噪音，尤其是在覆蓋范圍的邊緣，擁有比模擬技術(shù)更優(yōu)質(zhì)的語(yǔ)音質(zhì)量，這些優(yōu)點(diǎn)均得益于窄帶編解碼器的應(yīng)用以及數(shù)字糾錯(cuò)技術(shù)。數(shù)字處理可過(guò)濾噪音并從降級(jí)的發(fā)射中重新構(gòu)造信號(hào)，因此可使用戶的通話更加清晰；DMR擴(kuò)大了無(wú)線通信的有效覆蓋范圍，因此用戶可以靈活地處理現(xiàn)場(chǎng)情況。

3 站場(chǎng)無(wú)線通信干擾分析

3.1 互調(diào)干擾

站場(chǎng)無(wú)線通信在一個(gè)相對(duì)狹窄的地域，由十幾個(gè)通信組在同時(shí)使用所分配的頻率，不可避免地存在頻率間的互調(diào)干擾，而在所有互調(diào)干擾中，三階互調(diào)干擾尤為突出如圖1所示。

所謂三階互調(diào)是指當(dāng)兩個(gè)信號(hào)在一個(gè)線性系統(tǒng)中，由于非線性因素存在，使得一個(gè)信號(hào)（F1）的二次諧波與另一個(gè)信號(hào)（F2）的基波產(chǎn)生差拍（混頻）后所產(chǎn)生的寄生信號(hào)（2F1-F2）。如果這個(gè)寄生頻率與正在使用的某個(gè)頻率（F3）吻合，則會(huì)對(duì)該頻率造成干擾。舉例說(shuō)明：所用站場(chǎng)無(wú)線通信頻率F1=418.55 MHz，F(xiàn)2=418.5375 MHz，F(xiàn)3=418.5625 MHz，則 2×418.55 MHz-418.5375 MHz=418.5625 MHz， 即 為 2×F1-F2=F3，F(xiàn)1、F2和F3之間產(chǎn)生了三階互調(diào)干擾，如圖2所示。

圖1 三階互調(diào)干擾示意圖

圖2 三階互調(diào)干擾產(chǎn)物

3.2 同頻干擾

樞紐地區(qū)有十幾個(gè)甚至幾十個(gè)站場(chǎng)通信系統(tǒng)，距離在幾公里到十幾公里不等，在通信條件良好的情況下會(huì)產(chǎn)生同頻互相干擾，即相同的頻率在進(jìn)行距離復(fù)用時(shí)，可能造成接收干擾，如圖3所示，因此根據(jù)距離遠(yuǎn)近優(yōu)選頻率顯得尤為重要。

圖3 三系統(tǒng)內(nèi)的同頻干擾示意圖

4 頻率分配方案及數(shù)學(xué)模型建立

在鐵路系統(tǒng)中專用的頻率有16對(duì)雙工頻率和16個(gè)單工頻率，將16對(duì)雙工頻率拆成32個(gè)單工頻率使用，因此選用頻率集共含48個(gè)頻率。所設(shè)計(jì)分配方案如圖4所示。

圖4 頻率自動(dòng)分配方案示意圖

設(shè)計(jì)模型：

（1）從48個(gè)頻率中，選出n個(gè)，在滿足一定條件時(shí)使這n個(gè)頻率之間無(wú)三階互調(diào)干擾。

（2）一個(gè)樞紐地區(qū)有m個(gè)通信組，有L個(gè)樞紐站或中間站，一個(gè)通信組占用一個(gè)頻率，頻率集合為n。

（3）其中樞紐站或中間站的數(shù)量可選，并且每個(gè)樞紐站所包含的通信組的數(shù)量可選。

（4）當(dāng)兩個(gè)樞紐站距離大于20 km時(shí)，頻率可以復(fù)用（距離復(fù)用，即頻率可以再次使用且不用考慮三階互調(diào)干擾）。

（5）當(dāng)兩個(gè)樞紐站距離小于20 km時(shí)，頻率不可以復(fù)用，且在20 km內(nèi)所有通信組選用的頻率必須滿足無(wú)三階互調(diào)干擾的條件。

5 軟件解決方案

5.1 頻率間無(wú)三階互調(diào)，有2種類型

（1）三階一型：2f1-f2=f3

（2）三階二型：f4+f5-f6=f7

要想實(shí)現(xiàn)無(wú)三階互調(diào)干擾，則要確保f3、f7不能為選出的頻率。

5.2 復(fù)用問(wèn)題

同頻干擾：為解決同頻干擾問(wèn)題，考慮到無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度隨距離的衰減效應(yīng)，所以采用距離復(fù)用的方法，暫定20 km為復(fù)用界。

臨頻干擾：在此模型下的臨頻干擾，即為三階互調(diào)干擾。解決臨頻干擾，就是要優(yōu)選頻率。

5.3 樞紐站間的距離

樞紐站間的距離由GPS坐標(biāo)計(jì)算得出，即知道各個(gè)樞紐站的經(jīng)緯度坐標(biāo)，計(jì)算出他們之間的距離，通過(guò)距離來(lái)考慮復(fù)用問(wèn)題。

設(shè)計(jì)軟件界面如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)軟件界面示意圖

軟件的流程圖如圖6所示。

通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)分配，準(zhǔn)確無(wú)誤的計(jì)算出了各個(gè)通信組所需的無(wú)線調(diào)車電臺(tái)頻率，相比以前手工作業(yè)分配更加快速、準(zhǔn)確、無(wú)干擾，實(shí)現(xiàn)了無(wú)三階互調(diào)干擾頻率的快速布置。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)鐵路通信的特點(diǎn)決定了平面調(diào)車無(wú)線通信解決方案的獨(dú)特性和先進(jìn)性。平面調(diào)車無(wú)線通信與鐵路運(yùn)輸調(diào)度安全密切相關(guān)，同時(shí)也是我國(guó)編組站無(wú)線通信中需要重點(diǎn)解決的難題。我國(guó)平面調(diào)車無(wú)線通信業(yè)務(wù)由模擬制式向DMR等數(shù)字通信方式的過(guò)渡方案，需以滿足鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)實(shí)際要求為前提，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和長(zhǎng)期發(fā)展等因素來(lái)確定實(shí)施，且應(yīng)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。基于以上幾點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)論證，最終確定并實(shí)現(xiàn)了合理的頻率分配方案。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程示意圖

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