鐵路客站無線通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

陳 昳 虞 凱 段永奇

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

鐵路客站是鐵路部門辦理客運業(yè)務、供旅客上下車之用的場所。目前，我國已發(fā)展形成了小、中、大以及特大等類型的鐵路客站。并有一大批新型現(xiàn)代化鐵路客站相繼開通運營，如上海虹橋、北京南、廣州南、成都東站等[1]。該類客站具有占地面積大、結(jié)構(gòu)復雜、功能劃分多、作業(yè)人員多、作業(yè)分工細等特點。

鐵路客站作為鐵路行業(yè)對外服務的窗口，既要滿足人們出行速度、品質(zhì)、環(huán)境等需求的不斷提升，更要保證公共安全，提高應對突發(fā)事件的指揮、協(xié)調(diào)和處理能力。為便于客站的運營管理，給旅客出行提供優(yōu)質(zhì)服務，客站均配置了大量的客運作業(yè)人員。作業(yè)人員之間通過語音通信，實現(xiàn)互相的溝通、協(xié)調(diào)。隨著客站規(guī)模的不斷擴大及作業(yè)人員的增加，現(xiàn)代化客站對客運作業(yè)人員的業(yè)務要求越來越高，客運人員之間的語音通信需求量持續(xù)增大。同時，隨著我國鐵路數(shù)字化和智能化戰(zhàn)略的實施[2-3]，鐵路客站增加了圖像、視頻、大數(shù)據(jù)等大帶寬數(shù)據(jù)無線傳輸以及多媒體調(diào)度通信應用的需求。因此，無線通信是鐵路客站運營管理服務以及保障公共安全的重要技術(shù)手段，也是構(gòu)建未來鐵路智能客站的重要支撐平臺。

本文重點研究了現(xiàn)有鐵路客站無線通信系統(tǒng)的使用情況，從技術(shù)特點和客站運營需求角度分析各類客站無線通信系統(tǒng)存在的問題，并結(jié)合客站的作業(yè)需求，提出了未來鐵路客站無線通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 鐵路客站無線通信技術(shù)使用現(xiàn)狀

20世紀90年代初，原鐵道部制定了《大中型客站客運無線通信系統(tǒng)主要技術(shù)條件》，提出利用同頻單工模擬對講技術(shù)解決鐵路大中型客站內(nèi)管理人員與流動客運作業(yè)人員之間以及流動客運作業(yè)人員之間的無線語音通信。客站作業(yè)人員配備模擬對講機，實現(xiàn)相互聯(lián)系。所有作業(yè)人員對講機工作在同一頻點，實現(xiàn)組呼通信；也可根據(jù)作業(yè)需求，分為客運、售票、行包等作業(yè)組，不同作業(yè)組工作于不同頻點。模擬對講技術(shù)對鐵路客運作業(yè)產(chǎn)生了非常積極的影響，是鐵路客運作業(yè)必備工具，直到現(xiàn)在，絕大部分鐵路客站仍采用模擬對講機。

隨著我國鐵路客站的大規(guī)模建設和鐵路數(shù)字化、智能化發(fā)展，原本結(jié)構(gòu)簡單、功能單一、相互孤立的客站發(fā)展為結(jié)構(gòu)復雜、功能劃分多、作業(yè)人員多、分工細的新型現(xiàn)代化客站，鐵路客站對無線通信提出了新的需求，同頻單工模擬對講技術(shù)的缺陷逐漸突顯，已不能滿足客站無線通信的需求。該技術(shù)主要存在以下問題：

(1)信號覆蓋問題

現(xiàn)有客站模擬設備基本沒有中繼轉(zhuǎn)發(fā)，通信僅在對講機信號覆蓋范圍內(nèi)實現(xiàn)，地下及過站通道、大型客站等存在通信盲區(qū)。

(2)頻道問題

所有用戶在單一頻點進行大組通信，通話干擾嚴重，特別是大站用戶多時，存在通信質(zhì)量差、容量受限而呼不通等問題。

(3)功能問題

僅能實現(xiàn)語音對講通信功能，缺乏語音分組、數(shù)據(jù)傳輸、優(yōu)先級呼叫、通話錄音等功能。

(4)干擾問題

抗環(huán)境噪聲干擾能力弱，易受周邊商業(yè)、工地等對講機干擾而串音。

此外，在產(chǎn)業(yè)政策上，國家已明確了無線通信由模擬轉(zhuǎn)為數(shù)字。2009年，工業(yè)和信息化部明確數(shù)字對講機替代模擬對講機；2010年，原鐵道部發(fā)文確定停止模擬對講機的型號核準，全面推廣數(shù)字對講機。

因此，無論從實際應用還是國家產(chǎn)業(yè)政策出發(fā)，模擬對講技術(shù)的使用已不適應現(xiàn)代化客站的客運作業(yè)與管理需求，無法應對高速鐵路客站現(xiàn)代化的客運指揮調(diào)度，無法為旅客提供更優(yōu)質(zhì)的客運服務。目前，已有部分新建鐵路客站開始采用新的無線通信技術(shù)服務于鐵路客站。

2 新技術(shù)在鐵路客站無線通信中的應用

2.1 DMR數(shù)字無線通信系統(tǒng)

2.1.1 DMR數(shù)字無線對講技術(shù)

DMR是歐洲電信標準協(xié)會(ESTI)于2007年公布的數(shù)字無線對講技術(shù)標準，用以替代模擬無線對講技術(shù)[4]，該技術(shù)克服了模擬對講技術(shù)的大部分缺陷，其主要特點有：

(1)提高了頻率利用率。信道間隔12.5 kHz，單個12.5 kHz信道可支持2個同步或獨立的通話，頻率利用率是傳統(tǒng)模擬技術(shù)的4倍。

(2)支持數(shù)據(jù)傳輸。單信道可支持2.4 kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

(3)抗干擾能力強。采用窄帶編解碼和數(shù)字糾錯等技術(shù)，可更好地抑制噪聲，擁有比模擬技術(shù)更優(yōu)質(zhì)的語音質(zhì)量。

(4)支持語音分組、優(yōu)先級呼叫、緊急呼叫、語音錄音等功能。

DMR的優(yōu)勢在語音通信，相比于GSM、TETRA等集群語音通信系統(tǒng)，具有組網(wǎng)簡單、造價低廉等優(yōu)勢，近年來逐漸應用于各行各業(yè)專網(wǎng)無線通信領域。

2.1.2 基于DMR的客站無線通信系統(tǒng)

目前，許多新建客站相繼采用DMR來建設鐵路客站無線通信系統(tǒng)[5]，如成都東站、成灌鐵路客站、貴陽北站等。

基于DMR的客站無線通信系統(tǒng)由中心設備(服務器、交換機)、基站設備(含天饋、分合路器等)、有線調(diào)度臺、手持臺等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于DMR的客站無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

中心設備和基站設備設置于客站通信信息機房內(nèi)，主要負責用戶終端的鑒權(quán)、注冊、通信的交換、控制與管理以及與信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通等。在高架候車廳、站臺、出站層等設置天饋系統(tǒng)，實現(xiàn)DMR系統(tǒng)的無線覆蓋；在客站綜控室、公安值班室等重要部門設置有線調(diào)度臺，通過全呼與組呼實現(xiàn)客站內(nèi)所有移動終端的作業(yè)調(diào)度；作業(yè)人員配備數(shù)字手持臺，按需求進行分組，每個手持臺有唯一的ID號碼且可有多個組ID號，通過不同的分組，手持臺可實現(xiàn)不同分組內(nèi)的呼叫和數(shù)據(jù)接收功能。

2.1.3 DMR系統(tǒng)特點

相比模擬對講機，基于DMR的客站無線通信系統(tǒng)極大地提高了鐵路客站的生產(chǎn)組織作業(yè)效率，其優(yōu)點主要表現(xiàn)為：

(1)通過系統(tǒng)建設，實現(xiàn)了客站內(nèi)無線信號的全覆蓋。

(2)通過分組功能，提高了作業(yè)效率，有效解決了單個分組繁忙時的資源緊張問題。

(3)通過數(shù)據(jù)傳輸功能，實現(xiàn)了生產(chǎn)作業(yè)信息化，并通過與藍牙等技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)了作業(yè)人員位置信息的無線傳輸，解決了客站內(nèi)人員的定崗定位管理。

(4)通過錄音功能，規(guī)范了對講機使用用語，避免無效用語占用信道，提高了信道利用率。

DMR技術(shù)很好地解決目前鐵路客站作業(yè)管理的基本需求，但因其是窄帶技術(shù)，無法支撐圖像、視頻等大帶寬數(shù)據(jù)的無線傳輸。

2.2 Wi-Fi寬帶無線通信系統(tǒng)

2.2.1 Wi-Fi寬帶無線通信技術(shù)

Wi-Fi是一種被廣泛應用和部署的無線寬帶接入技術(shù)，工作在2.4 GHz或5 GHz公共頻段。Wi-Fi的代表是由IEEE 802.11工作組規(guī)定的無線通信系統(tǒng)，其技術(shù)標準主要包括802.11 b、802.11 a和802.11 g、802.11 n、802.11 ac等物理層標準，有效帶寬可達100 Mbps，理論速率甚至高達600 Mbps。

2.2.2 基于Wi-Fi的客站無線通信系統(tǒng)

Wi-Fi因傳輸帶寬大、易部署、頻段無須申請等優(yōu)點，在軌道交通領域已經(jīng)得到了廣泛應用，常用于傳輸圖像、視頻等大帶寬的數(shù)據(jù)[6]。我國城市軌道交通普遍采用WLAN承載CBTC、PIS和CCTV等系統(tǒng)業(yè)務，在鐵路客站領域，廣州南站、深圳北站等客站采用Wi-Fi寬帶無線通信系統(tǒng)，通過PDA移動終端，為客站作業(yè)提供列車到發(fā)信息、人員管理等信息化功能。

2.2.3 Wi-Fi系統(tǒng)特點

通過Wi-Fi寬帶無線通信系統(tǒng)提供的查詢列車運行信息、作業(yè)任務傳達、打卡等功能，可提高作業(yè)信息化，降低對講機的語音業(yè)務量。還可進一步提供圖像、視頻等傳輸功能。但是Wi-Fi技術(shù)在實際使用中也存在著一些問題。

(1)干擾問題：由于工作于公共頻段，信號不穩(wěn)定，干擾嚴重，甚至導致系統(tǒng)無法使用。

(2)設備過多問題：Wi-Fi未解決語音通信問題，客站作業(yè)人員工作時需同時攜帶對講機和PDA兩個設備。

2.3 LTE寬帶無線通信專網(wǎng)

2.3.1 LTE寬帶無線通信技術(shù)

LTE是第四代無線通信技術(shù)，采用正交頻分復用、多輸入多輸出、自適應調(diào)制編碼、混合自動重傳等技術(shù)，可實現(xiàn)圖像、視頻等大帶寬數(shù)據(jù)的無線傳輸。我國已明確1785～1805 MHz頻段可用于交通、電力等行業(yè)的LTE專網(wǎng)。

2.3.2 基于LTE專網(wǎng)的客站無線通信系統(tǒng)

LTE具備高帶寬和高傳輸速率優(yōu)勢，又工作于授權(quán)頻段，避免了Wi-Fi系統(tǒng)互相間干擾的問題，使其在軌道交通領域得到應用推廣。我國城市軌道交通行業(yè)逐漸采用LTE技術(shù)解決CBTC、PIS、CCTV等車-地無線通信的傳輸。在鐵路客站領域，鄭州東站、上海站[7-8]率先使用LTE無線通信技術(shù)，配備集群手持式終端，實現(xiàn)多媒體調(diào)度、信息發(fā)送、視頻傳輸?shù)裙δ堋?/p>

基于LTE的客站無線通信系統(tǒng)由多媒體調(diào)度系統(tǒng)、LTE核心網(wǎng)、基站(BBU和RRU)、移動終端等組成。其中，多媒體調(diào)度系統(tǒng)由多媒體調(diào)度服務器、錄音服務器、調(diào)度臺、終端等組成。LTE網(wǎng)絡提供多媒體調(diào)度服務器和終端間數(shù)據(jù)傳輸通道，由核心網(wǎng)和基站構(gòu)成。核心網(wǎng)包含了MME、GW、HSS等網(wǎng)元；基站采用BBU+RRU的分布式基站，采用室分系統(tǒng)進行覆蓋。

2.3.3 LTE專網(wǎng)特點

LTE寬帶無線通信技術(shù)可為鐵路客站作業(yè)提供圖像、視頻等大帶寬數(shù)據(jù)的無線傳輸，為客站信息化、智能化建設提供很好的技術(shù)支撐。但在使用中也存在如下問題：

(1)頻率資源問題：工信部規(guī)定1.8 GHz頻段共 20 MHz帶寬資源可用于鐵路、地鐵、電力、石油、機場等行業(yè)建設LTE無線通信專網(wǎng)，并采用先申請先使用的原則。但在很多鐵路客站內(nèi)，20 MHz帶寬資源有大部分被其他行業(yè)占領使用，因此頻率資源申請不易。

(2)終端問題：現(xiàn)有的LTE手持式終端功率偏小，不適合鐵路客站客運作業(yè)嘈雜的環(huán)境，也不符合客運人員的使用習慣(傳統(tǒng)對講機PPT按講的習慣)。因此，終端設備還需進一步改進，以滿足設備使用環(huán)境和習慣。

(3)政策問題：根據(jù)鐵發(fā)改〔2020〕144號《國鐵集團關(guān)于加快推進5G技術(shù)鐵路應用發(fā)展的實施意見》要求，我國鐵路正在開展5G技術(shù)的應用研究，可能會跳過4G直接進入5G時代，因此，今后鐵路可能不會再使用LTE技術(shù)。

2.4 公網(wǎng)無線通信系統(tǒng)

2.4.1 公網(wǎng)技術(shù)

公網(wǎng)技術(shù)是指中國移動、中國電信、中國聯(lián)通三家移動運營商向公眾提供的3G、4G等無線接入技術(shù)服務。三大運營商提供的網(wǎng)絡制式分別為：①中國移動：GSM(2G)、TD-SCDMA(3G)、TD-LTE(4G)；②中國聯(lián)通：GSM(2G)、WCDMA(3G)、TD-LTE(4G)、FDD-LTE(4G)；③中國電信：CDMA1X(2G)、EVDO(3G)、TD-LTE(4G)、FDD-LTE(4G)。采用公網(wǎng)技術(shù)，無須自建無線通信網(wǎng)絡，只需提供后期每年的運營費用。但網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性受制于移動運營商，存在不可控因素。

2.4.2 公網(wǎng)技術(shù)特點

目前有部分軌道交通客站采用公眾移動通信網(wǎng)服務于客站的生產(chǎn)組織作業(yè)。通過終端業(yè)務軟件的定制化開發(fā)，可提供語音對講、數(shù)據(jù)傳輸、視頻和圖像傳輸?shù)裙δ?，滿足智慧客站的部分功能需求。由于無需建設基礎無線通信網(wǎng)絡，可節(jié)省前期投資。京張智能高速鐵路早期即采用公網(wǎng)技術(shù)解決客站作業(yè)的無線需求。

公網(wǎng)技術(shù)雖在投資和寬帶傳輸?shù)裙δ苌暇哂袃?yōu)勢，但結(jié)合軌道交通客站的應用場景和客站作業(yè)人員的使用習慣，仍存在以下問題：

(1)覆蓋問題：客站要做公網(wǎng)引入，特別是大型客站和地下站，否則信號覆蓋不滿足要求。

(2)功能問題：公網(wǎng)不提供專用調(diào)度語音，需進行定制化開發(fā)，通常采用基于IP的語音通信技術(shù)，采用IP數(shù)據(jù)包形式傳輸，在時延等指標方面不如專網(wǎng)。

(3)終端問題：公網(wǎng)終端通常是大屏幕終端，易碎不防摔，不符合客站作業(yè)人員的作業(yè)習慣。

(4)網(wǎng)絡可靠性問題：無線通信網(wǎng)絡受制于移動運營商，其可靠性和穩(wěn)定性存在不可控因素；同時，客站作業(yè)人員與旅客共用一個無線網(wǎng)絡，網(wǎng)絡性能受制于在線用戶數(shù)量，在旅客高峰期，網(wǎng)絡性能可能受影響，客站的作業(yè)指揮可能在關(guān)鍵時刻出現(xiàn)呼叫不通等狀況。

基于以上原因，京張智能高速鐵路沿線客站在后期增設了DMR無線通信系統(tǒng)，由純公網(wǎng)技術(shù)調(diào)整為“DMR+公網(wǎng)”技術(shù)。

3 鐵路客站無線通信系統(tǒng)發(fā)展方向

3.1 技術(shù)對比

基于現(xiàn)有可用于鐵路客站的無線通信技術(shù)，對比DMR、LTE、Wi-Fi、公網(wǎng)等特點，如表1所示。

表1 無線通信技術(shù)對比表

從表1可以看出：

(1)DMR是窄帶數(shù)字對講技術(shù)，適用于語音對講，兼具短數(shù)據(jù)傳輸，其設備和系統(tǒng)更符合當前軌道交通客站作業(yè)人員的習慣，但不支持大帶寬數(shù)據(jù)傳輸。

(2)LTE、Wi-Fi、公網(wǎng)同屬寬帶無線通信技術(shù)，適合大帶寬數(shù)據(jù)傳輸，幾種技術(shù)各有優(yōu)勢，Wi-Fi易部署，投資低，但易受干擾，目前鐵路領域基本不考慮Wi-Fi無線專網(wǎng)建設；LTE抗干擾性好，傳輸性能好，但投資高，頻率資源不易申請，且未來可能直接進入5G時代；公網(wǎng)最大的優(yōu)勢是不需自建無線通信網(wǎng)絡，但存在后期運營費用，同時其網(wǎng)絡受制于公網(wǎng)運營商，穩(wěn)定性和可靠性低。

3.2 鐵路客站無線通信系統(tǒng)技術(shù)體制選擇

鐵路客站生產(chǎn)組織所需的語音通信和短數(shù)據(jù)傳輸是最普遍存在也最迫切需要解決的通信需求。隨著鐵路客站智能化建設的推進，大型鐵路客站還將增加多媒體調(diào)度、圖像和視頻傳輸?shù)葘拵o線通信業(yè)務的需求。因此，針對鐵路客站管理與作業(yè)要求，對比分析現(xiàn)有無線通信技術(shù)特點，DMR疊加寬帶無線通信的技術(shù)體制將更適合于鐵路客站無線通信系統(tǒng)，具體技術(shù)方案如下：

(1)采用基于DMR的數(shù)字無線通信技術(shù)實現(xiàn)客運生產(chǎn)組織無線通信需求，解決語音通信和短數(shù)據(jù)傳輸，包括：①語音個呼、組呼、緊急呼叫等基本語音通信；②列車到發(fā)信息、作業(yè)工單、定位信息等短數(shù)據(jù)傳輸；③聯(lián)網(wǎng)遠程調(diào)度指揮，大站管小站；④站車語音通信；⑤分組通信、無線小區(qū)廣播、脫網(wǎng)直通、遙斃/遙暈/復活、強插/強拆、通話錄音等功能。

(2)采用寬帶無線通信技術(shù)實現(xiàn)大帶寬數(shù)據(jù)無線傳輸，包括：①可視個呼、可視組呼等多媒體通信；②現(xiàn)場圖像、視頻上傳；③坐席信息等站車數(shù)據(jù)通信；④客站設備監(jiān)控信息傳輸；⑤智能客站相關(guān)信息系統(tǒng)提供無線承載平臺。

(3)DMR和寬帶無線通信分屬不同的通信技術(shù)領域，兩者之間不能直接互通。通過寬窄融合技術(shù)，打通DMR和寬帶無線通信網(wǎng)絡之間的通信障礙，實現(xiàn)業(yè)務功能的無縫融合，實現(xiàn)①DMR終端和寬帶終端之間的語音通信、數(shù)據(jù)通信；②DMR系統(tǒng)和寬帶系統(tǒng)的綜合業(yè)務調(diào)度；③DMR設備和寬帶設備的統(tǒng)一調(diào)度管理。

4 結(jié)束語

針對鐵路客站的大規(guī)模發(fā)展，本文研究了現(xiàn)有鐵路客站無線通信系統(tǒng)的使用情況，對比分析了DMR、Wi-Fi、LTE、公網(wǎng)等技術(shù)的特點及其在鐵路客站使用中存在的問題，結(jié)合客站的管理和作業(yè)需求，提出了未來鐵路客站無線通信系統(tǒng)采用DMR疊加寬帶無線通信的技術(shù)體制，通過經(jīng)濟適用的DMR技術(shù)解決客站最基本的生產(chǎn)作業(yè)組織需求，采用寬帶無線通信系統(tǒng)智能客站大數(shù)據(jù)傳輸，并通過寬窄帶融合技術(shù)實現(xiàn)兩者之間的互聯(lián)互通。