鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的方法及途徑

中國(guó)鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司烏魯木齊通信段 莊艷霞

時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展,在鐵路通信規(guī)劃布局上,無(wú)線通信技術(shù)成為當(dāng)前鐵路通信建設(shè)的核心趨勢(shì)。本文在觀點(diǎn)分析的過(guò)程中,結(jié)合當(dāng)前我國(guó)鐵路無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀,就目前在鐵路無(wú)線通信布局過(guò)程中采用的450M無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)、GSM-R鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)等,分析不同系統(tǒng)的內(nèi)涵基本結(jié)構(gòu)布局,在進(jìn)行鐵路無(wú)線通信布局過(guò)程中的功能表現(xiàn)以及特點(diǎn)等,指出目前我國(guó)在鐵路無(wú)線通信布局過(guò)程中存在的問(wèn)題,并結(jié)合問(wèn)題給出針對(duì)性的問(wèn)題改善對(duì)策。結(jié)合論文觀點(diǎn)分析,就我國(guó)鐵路無(wú)線通信技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

從20世紀(jì)50年代開始,我國(guó)在鐵路規(guī)劃的過(guò)程中正式引入了無(wú)線通信技術(shù)。最初為無(wú)線列車調(diào)度系統(tǒng),其為150M和450M的單、雙工或單雙工兼容的通信系統(tǒng),隨著技術(shù)的升級(jí),而后推出了450M無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)[1]。2000年,我國(guó)在鐵路無(wú)線通信方面,開始引入GSM-R系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)多年的沉淀和發(fā)展,目前我國(guó)在GSM-R系統(tǒng)開發(fā)上也實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的進(jìn)一步升級(jí)發(fā)展,至少完成了幾十個(gè)核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的建設(shè)。而今,我國(guó)能夠充分結(jié)合鐵路運(yùn)營(yíng)的需求,盡可能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)資源的優(yōu)化配置,引入更多先進(jìn)技術(shù),充分推動(dòng)鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)(如圖1)的優(yōu)化和完善,促使在布局的過(guò)程中更好契合當(dāng)前鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)建設(shè)的需求。

圖1 鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)基礎(chǔ)模型Fig.1 Basic model of railway wireless communication system

1 當(dāng)前鐵路無(wú)線通信的問(wèn)題

隨著高速鐵路的不斷發(fā)展,其也對(duì)鐵路無(wú)線通信技術(shù)研發(fā)提出了更高的要求。雖然既有的無(wú)線通信技術(shù)在一定程度上能夠基本滿足鐵路無(wú)線通信的服務(wù)需求,但是結(jié)合高速鐵路的發(fā)展趨勢(shì),以及立足長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展視角來(lái)說(shuō),顯然既有的鐵路無(wú)線通信技術(shù)在應(yīng)用上依然存在較多的問(wèn)題。主要體現(xiàn)在:

1.1 突發(fā)性干擾問(wèn)題

由于當(dāng)前鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)為充分確保高速鐵路運(yùn)行過(guò)程中依然可以實(shí)現(xiàn)較為出色的無(wú)線通信服務(wù)支持,所以在進(jìn)行通信技術(shù)表現(xiàn)上,采取的是寬帶通信。這種通信方式有較寬的頻譜,有較為出色的傳輸速率。為此這也導(dǎo)致在鐵路無(wú)線通信的實(shí)現(xiàn)上,既有的無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用可能會(huì)有較大的干擾存在。

此外從高速鐵路的建設(shè)布局現(xiàn)狀來(lái)說(shuō),為了充分滿足高速鐵路運(yùn)行需求,在過(guò)程中一般會(huì)有較多的電氣設(shè)備搭載,這也很容易有相對(duì)復(fù)雜的電磁干擾產(chǎn)生。由于較多的電氣設(shè)備使用,以及在過(guò)程中電氣設(shè)備產(chǎn)生的脈沖干擾,均會(huì)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)性能表現(xiàn)帶來(lái)消極影響,產(chǎn)生信號(hào)干擾。

1.2 頻繁信號(hào)切換容易出現(xiàn)掉線

既有的高速鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)在系統(tǒng)的建設(shè)和規(guī)劃上,為了保證不同區(qū)域始終能夠有較強(qiáng)的無(wú)線信號(hào)覆蓋,通常在進(jìn)行無(wú)線信號(hào)收發(fā)的過(guò)程中,由于鄰近區(qū)域之間信號(hào)存在重合,這也會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)設(shè)備在檢測(cè)到無(wú)線信號(hào)后會(huì)自動(dòng)完成信號(hào)的切換。

由于高速鐵路一般有較高的運(yùn)行速度,為此在列車運(yùn)行的過(guò)程中由于有較快運(yùn)行速度,導(dǎo)致信號(hào)切換的間隔更短。在這種情況下,若是信號(hào)切換的時(shí)延比系統(tǒng)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)處理時(shí)延更小情況下,就容易導(dǎo)致出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸丟失的問(wèn)題。

1.3 多普勒擴(kuò)展問(wèn)題

若是在無(wú)線通信系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中有較大的多普勒頻率,這也就會(huì)致使在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中,信號(hào)接收端下已經(jīng)完成變頻的基帶信號(hào)有頻偏的額情況發(fā)生。在這種情況下,導(dǎo)致信號(hào)是真情況發(fā)生。由于信號(hào)失真,不僅不利于信道的均衡布局,同時(shí)也可以對(duì)相應(yīng)解調(diào)性能產(chǎn)生消極影響,不利于通信品質(zhì)保障。

為此對(duì)于鐵路無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用而言,在進(jìn)行無(wú)線通信系統(tǒng)布設(shè)過(guò)程中,不同徑對(duì)應(yīng)的多普勒頻移有所差異,所以這也導(dǎo)致移動(dòng)終端設(shè)備在進(jìn)行相應(yīng)無(wú)線信號(hào)檢測(cè)上會(huì)有較大的實(shí)現(xiàn)度,不利于無(wú)線通信服務(wù)品質(zhì)的保障。

1.4 無(wú)線信道加劇

高速鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,其會(huì)有較快的信道移動(dòng)情況。在這種背景下,對(duì)于無(wú)線通信技術(shù)也提出了更高的要求。若是在無(wú)線信道移動(dòng)的過(guò)程中,移動(dòng)臺(tái)周邊反射體以及散射體存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),那么此時(shí)就會(huì)加劇無(wú)線信道。這不利于無(wú)線通信品質(zhì)的保障。

2 鐵路無(wú)線通信的核心技術(shù)分析

在高速鐵路飛速發(fā)展背景下,對(duì)鐵路無(wú)線通信技術(shù)研發(fā)也提出了更高的要求。目前來(lái)說(shuō),結(jié)合高速鐵路無(wú)線通信服務(wù)需求,當(dāng)前在無(wú)線通信系統(tǒng)建設(shè)上常用的技術(shù)主要是無(wú)線寬帶信道建模技術(shù)、多天線技術(shù)以及無(wú)線資源管理優(yōu)化技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)等。結(jié)合不同技術(shù)的整合應(yīng)用,為改善高速鐵路無(wú)線通信品質(zhì)起到了一定的推動(dòng)作用。

2.1 無(wú)線寬帶信道建模技術(shù)

為了改善高速鐵路無(wú)線通信服務(wù)品質(zhì),可以通過(guò)模擬高速鐵路無(wú)線通信環(huán)境,今習(xí)慣寬帶信道模型的建立。綜合運(yùn)用理論以及實(shí)踐數(shù)據(jù)分析,利用模型就高速鐵路無(wú)線信道性能表現(xiàn)展開分析。諸如在過(guò)程中是否存在信號(hào)衰落或是信號(hào)路徑損耗等情況,以及是否存在多普勒擴(kuò)展、多徑效應(yīng)沖擊響應(yīng)等。借助模型分析,找尋高速鐵路環(huán)境下無(wú)線信道寬帶通信性能的核心影響要素,基于此合理進(jìn)行相應(yīng)無(wú)線通信技術(shù)的篩選,確保所使用的無(wú)線通信技術(shù)能夠充分契合高速鐵路無(wú)線通信服務(wù)需求[2]。

實(shí)際上在進(jìn)行高速鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)(如圖2)建設(shè)上,借助信道建模技術(shù)的引入,能夠確保在獲取到鐵路無(wú)線通信的相關(guān)數(shù)據(jù)信息后,直接將數(shù)據(jù)輸入到模型中。借助模型完成數(shù)據(jù)的分析,總結(jié)現(xiàn)有無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題。并結(jié)合問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)調(diào)整,將完成調(diào)整后計(jì)算獲取數(shù)據(jù)輸入模型,進(jìn)行改進(jìn)方案的驗(yàn)證。通過(guò)這種方式進(jìn)行無(wú)線信道建設(shè)分析,不僅可以確保所規(guī)劃的無(wú)線信道能夠充分契合鐵路無(wú)線通信服務(wù)需求,還可以有效節(jié)省成本,降低由于前期規(guī)劃失誤導(dǎo)致無(wú)線信道規(guī)劃和鐵路無(wú)線通信服務(wù)需求不一致情況發(fā)生的概率。

圖2 鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Railway wireless communication system architecture

2.2 多天線技術(shù)

即我們所說(shuō)的MIMO、智能天線等技術(shù)應(yīng)用。其中就MIMO技術(shù)在鐵路無(wú)線通信方面的應(yīng)用而言,其可以基于線性或是非線性預(yù)先編碼方式有效進(jìn)行不同區(qū)域空間的分集,或是達(dá)成空分復(fù)用,通過(guò)這種方式確保在進(jìn)行無(wú)線信道的建設(shè)上能夠有更為可靠的應(yīng)用保障,進(jìn)一步改善信道的容量。而智能天線技術(shù)指的是在進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用上,借助智能天線實(shí)現(xiàn)對(duì)指定用戶的精準(zhǔn)跟蹤,這有助于保證在無(wú)線信道規(guī)劃上合理減少干擾情況的發(fā)生概率,從而保證所規(guī)劃的無(wú)線信道有更大的系統(tǒng)容量。

結(jié)合高速鐵路目前無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀,既有的技術(shù)已經(jīng)難以滿足高速鐵路發(fā)展需求。所以要立足既有技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的升級(jí),并引入更多先進(jìn)技術(shù)。通過(guò)這種方式,促使既有的無(wú)線通信技術(shù)能夠通過(guò)改進(jìn)充分契合高速鐵路對(duì)無(wú)線通信服務(wù)的需求,更好的確保在進(jìn)行高速鐵路無(wú)線通信信號(hào)覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)規(guī)劃,合理利用空間,以有效提升無(wú)線通信的可靠性和安全性。

2.3 無(wú)線資源管理優(yōu)化技術(shù)

考慮到高速鐵路的環(huán)境特點(diǎn),在進(jìn)行無(wú)線通信資源的管理方面,要重視信號(hào)切換、資源調(diào)度以及干擾協(xié)調(diào)等相應(yīng)技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化。唯有不斷的進(jìn)行資源管理的優(yōu)化,為鐵路無(wú)線通信服務(wù)踐行提供更高效和更合理的資源配置,這也是改善鐵路無(wú)線通信服務(wù)品質(zhì)的基礎(chǔ)。

隨著我國(guó)鐵路運(yùn)行速度的不斷提升,要求在鐵路無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用上,要充分確保不同區(qū)域間信號(hào)切換有較高的成功率,降低由于信號(hào)切換失敗導(dǎo)致的數(shù)據(jù)信息傳輸受阻,甚至是所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)資源丟失的情況發(fā)生。

2.4 組網(wǎng)技術(shù)

不管是鐵路,亦或是其他場(chǎng)景,要想實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋,就必然要涉及到組網(wǎng)技術(shù)。當(dāng)前我國(guó)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方面已經(jīng)有相對(duì)成熟的技術(shù)支撐。但是對(duì)于鐵路無(wú)線通信組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō),考慮到鐵路無(wú)線信號(hào)所覆蓋環(huán)境的復(fù)雜性,要求我們必須結(jié)合既有的組網(wǎng)技術(shù),融入鐵路無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)要求,實(shí)現(xiàn)既有組網(wǎng)技術(shù)的升級(jí)發(fā)展,使其更契合鐵路無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的要求。

需要結(jié)合高速鐵路運(yùn)行情況合理進(jìn)行既有無(wú)線寬帶組網(wǎng)技術(shù)的升級(jí)和創(chuàng)新,結(jié)合鐵路無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用需求,針對(duì)鐵路車站地面骨干、蜂窩望樓哦和列車車廂內(nèi)部局域網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合組網(wǎng),確保組網(wǎng)的高效、可靠,充分保障無(wú)線通信過(guò)程中有更低傳輸時(shí)延,通過(guò)既有資源整合利用,達(dá)成最優(yōu)組網(wǎng)效果。

3 未來(lái)鐵路無(wú)線通信的發(fā)展展望

通過(guò)對(duì)當(dāng)前我國(guó)鐵路通信技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀分析和解讀,在鐵路運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中,要求所使用的通信技術(shù)能充分確保在列車高速運(yùn)行狀態(tài)下,借助通信技術(shù)應(yīng)用依然可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行列車相應(yīng)數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)獲取,并能夠滿足列車視頻監(jiān)控需求,合理進(jìn)行列車運(yùn)營(yíng)組織,并能夠通過(guò)通信技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵路在運(yùn)行過(guò)程中存在的故障信息,快速完成故障的診斷和排除。此外從鐵路乘客需求角度來(lái)說(shuō),要求在通信系統(tǒng)布局上,通過(guò)搭載先進(jìn)通信技術(shù),能夠充分滿足乘客使用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的需求。

雖然當(dāng)前我國(guó)在鐵路無(wú)線通信技術(shù)的研發(fā)方面已經(jīng)取得了一些成績(jī),但是既有成績(jī)的取得相較于飛速增長(zhǎng)的鐵路無(wú)線通信服務(wù)需求來(lái)說(shuō),依然有較大的改善空間。隨著鐵路運(yùn)行速度的不斷提升,未來(lái)要求在鐵路無(wú)線通信技術(shù)研發(fā)上,要充分滿足更快運(yùn)行速度下依然能夠?qū)崿F(xiàn)安全可靠的無(wú)線通信服務(wù),保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝Ш蜏?zhǔn)確。所以立足技術(shù)研發(fā)視角,未來(lái)相應(yīng)的研發(fā)人員在鐵路無(wú)線通信技術(shù)的研發(fā)上,其不僅要有較高的運(yùn)行速率、較低的時(shí)延以及較為出色的使用安全性和可靠性[3]。這也是鐵路無(wú)線通信未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)(如圖3)。

圖3 未來(lái)鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)的模型Fig.3 Model of the future railway wireless communication system

引用

[1] 鐵道部運(yùn)輸局.450MHz調(diào)度命令無(wú)線傳送系統(tǒng)主要條件(V.4)[S].2005:4.

[2] 鐘章隊(duì),黃吉瑩.我國(guó)鐵路GSM-R的發(fā)展研究[J].中國(guó)鐵路,2006(11):12-14.

[3] 沈嘉.LTE-Advanced關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)[J].移動(dòng)通信,2008(16):20-25.