鐵路通信工程中無線接入技術(shù)研究

于景偉

（中鐵十九局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，北京 102600）

0 引 言

在交通領(lǐng)域中安全性、高效性以及穩(wěn)定可靠性成為了現(xiàn)階段最新發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)，鐵路作為不可或缺的一種交通形式，其發(fā)展也逐漸慢慢向上述標(biāo)準(zhǔn)靠攏。為了達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，首先要有效解決鐵路通信的流暢問題，使鐵路通信網(wǎng)絡(luò)更加優(yōu)化、更加合理、更加科學(xué)，確保鐵路通信網(wǎng)絡(luò)可以在高速運(yùn)行的鐵路交通運(yùn)輸過程中快速而準(zhǔn)確地傳遞服務(wù)信息，以便乘客們可以在第一時(shí)間了解鐵路信息，讓鐵路的運(yùn)輸效率得到顯著提升。在鐵路通信中借助現(xiàn)代科技技術(shù)可以創(chuàng)建快速而穩(wěn)定的鐵路通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，讓乘客輕而易舉地獲得需要的信息服務(wù)，為了成功實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想，則不能再采用原有的鐵路有線技術(shù)，應(yīng)當(dāng)引入無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，立足于根本使鐵路通信網(wǎng)得以升級(jí)和優(yōu)化，使通信工程得到全面的改變。

1 無線接入技術(shù)

無線接入網(wǎng)是指接入網(wǎng)的部分或全部采用無線電波傳輸介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)連接交換機(jī)和終端。無線接入網(wǎng)用戶的接入點(diǎn)可以是移動(dòng)的或固定的。無線接入網(wǎng)根據(jù)使用方式可分為固定無線接入網(wǎng)和移動(dòng)接入網(wǎng)兩大類。固定無線接入網(wǎng)為固定位置的用戶或僅在小范圍內(nèi)移動(dòng)的用戶服務(wù)。移動(dòng)接入網(wǎng)主要為位置需要在較大范圍內(nèi)移動(dòng)的用戶服務(wù)。移動(dòng)接入技術(shù)可以分為集群接入和蜂窩接入2種。其涵蓋3大部分，一是控制器，二是基站，三是用戶終端設(shè)備。應(yīng)用技術(shù)一般包括3種，一是微波一點(diǎn)多址技術(shù)，二是蜂窩技術(shù)，三是微蜂窩技術(shù)。無線接入最突出的優(yōu)勢(shì)是靈活性強(qiáng)，便于建設(shè)，因此得到了大范圍的應(yīng)用[1]。

2 鐵路通信工程無線通信技術(shù)的特征

2.1 覆蓋范圍廣

我國地域廣闊，資源豐富。鐵路沿線綿延萬里，在全國各個(gè)地方均設(shè)立了鐵路管理局，在任何線路上運(yùn)行的火車、高鐵等到達(dá)任何地方均需接受當(dāng)?shù)罔F路管理局的管理。但是不同地方的鐵路管理局在人員管理、工作要求、工作模式等諸多方面都存在明顯的差異，雖然設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，但是在具體應(yīng)用時(shí)還是因?yàn)榈胤轿幕嬖诨蚨嗷蛏俚牟町悾谶@種客觀因素的影響下，致使在原本建設(shè)的線路上對(duì)通信設(shè)備予以升級(jí)優(yōu)化的工作頻頻受阻[2]。在正式建設(shè)無線通信之前，應(yīng)當(dāng)對(duì)相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)予以統(tǒng)一，對(duì)于計(jì)劃接入的無線通信網(wǎng)創(chuàng)建一套標(biāo)準(zhǔn)的、完善的呼叫流程，明確規(guī)定由主控中心對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址和所有的路由設(shè)備予以嚴(yán)格的通信管理，通過上述管理模式和一系列的規(guī)則能夠使鐵路無線通信的運(yùn)行效果得到顯著的提升，確保通信可靠而順暢。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸效率高

我國已經(jīng)初步建成了無線通信系統(tǒng)，在所有的火車、動(dòng)車以及高鐵當(dāng)中無線通信設(shè)備已被大量使用，無線通信設(shè)備的無線電臺(tái)功能能夠保證列車在高速運(yùn)行的過程中準(zhǔn)確而清晰地接受到語音傳輸信息，且能夠獲得明顯的功率效果，使得列車上的服務(wù)和管理都得到明顯優(yōu)化。在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，鐵路通信也可以借助大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)而使自身功能變得強(qiáng)大，目前增加的無線通信設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，在運(yùn)行時(shí)能夠把無窮無盡的列車信息分門別類予以收集歸納，參照數(shù)據(jù)的具體類別實(shí)施統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)完畢就會(huì)分別傳輸至監(jiān)管部門以及鐵路調(diào)度部門，所獲得的通信效率極高。另外，列車在高速運(yùn)行的過程中，還能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控安全問題，確保每一次出行足夠安全。

2.3 適應(yīng)性強(qiáng)

鐵路工程的復(fù)雜程度可類比于其鐵路線路，內(nèi)容繁雜。鐵路工程的運(yùn)營內(nèi)容涉及的方面十分廣泛，且受到諸多因素的影響。另外，鐵路工程系統(tǒng)必須要依靠多方面的大力支持方可實(shí)現(xiàn)，在這之中，車務(wù)、工務(wù)、電務(wù)、水務(wù)每一項(xiàng)都發(fā)揮著重要的作用。由于所牽涉的合作部門廣泛，針對(duì)鐵路通信的無線網(wǎng)絡(luò)的具體需求不同的部門因自身工作性質(zhì)的不同而存在一定的差異，不單單是需要保障鐵路無線通信的實(shí)際運(yùn)行效率，還必須確保能夠適用于不同的部門，具有極強(qiáng)的適配性，方可讓所有部門的工作如期展開，只有這樣，鐵路工程這一個(gè)龐大而復(fù)雜的運(yùn)行系統(tǒng)方可按部就班地開展工作管理。

3 無線接入技術(shù)在鐵路通信工程中的應(yīng)用

3.1 GSM-R 技術(shù)的應(yīng)用

（1）鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R）技術(shù) 理論。GSM-R技術(shù)的誕生，是以蜂窩通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)研發(fā)的，新增了一項(xiàng)調(diào)度功能，滿足了列車在高速運(yùn)行的狀態(tài)下對(duì)無線通信的實(shí)際需求。GSM-R技術(shù)和公網(wǎng)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications，GSM）技術(shù)有相似的地方，因此也可以說GSM-R是對(duì)GSM技術(shù)的一種借鑒，而且沿用了GSM技術(shù)當(dāng)中絕大部分的通信結(jié)構(gòu)，基于此，充分考慮鐵路通信服務(wù)的實(shí)際需求，針對(duì)性地開發(fā)了一些新的功能，以達(dá)到鐵路無線通信更多的要求。就目前鐵路無線通信而言，GSM-R技術(shù)得到了十分廣泛的應(yīng)用，而且應(yīng)用效果非常可觀[3]。

（2）GSM技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)功能及結(jié)構(gòu)組成。立足于鐵路通信網(wǎng)絡(luò)來看，大部分情況下會(huì)受到一定程度的制約，傳統(tǒng)無線通信也無法避免受到這些制約的影響，不能完成互聯(lián)。但是得益于GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸投入使用，這種受制約的網(wǎng)絡(luò)依然可以完成互聯(lián)，這在很大程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的互通性。立足于GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)來看，這項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，通常包括3個(gè)子系統(tǒng)：其一是基站子體系、其二是操作維護(hù)子體系、其三是網(wǎng)絡(luò)子體系，每個(gè)子系統(tǒng)間可以順利實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸和通信?；贕SM-R網(wǎng)絡(luò)環(huán)境當(dāng)中可以實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能，包括呼叫處理、緊急呼叫、短消息、信令信息加密等。GSM-R技術(shù)除了可以實(shí)現(xiàn)上文提及的基礎(chǔ)功能以外，還可以實(shí)現(xiàn)蜂窩系統(tǒng)操作，因此在列車實(shí)施位置等級(jí)、切換等各種操作的過程中，可以保證整個(gè)操作快捷而方便。

（3）GSM-R 無線通信網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)在鐵路通信工程的應(yīng)用?，F(xiàn)階段，在鐵路通信工程當(dāng)中GSM-R技術(shù)已然得到了十分廣泛的應(yīng)用，且在具體應(yīng)用的過程中發(fā)揮著不可替代的作用。在具體應(yīng)用時(shí)，GSM-R無線接入技術(shù)的常用功能如下。第一，尋址功能。這項(xiàng)功能在GSM-R技術(shù)提供的所有功能當(dāng)中扮演著十分關(guān)鍵的角色，且這項(xiàng)功能十分強(qiáng)大，目前已然在鐵路系統(tǒng)中得到了大范圍的應(yīng)用。如對(duì)于所有工作崗位的列車司機(jī)均編制了確定的功能號(hào)碼，列車司機(jī)與功能號(hào)碼一一對(duì)應(yīng)，這種功能號(hào)碼并不是用戶的MSISND號(hào)碼。倘若司機(jī)使用功能號(hào)碼在系統(tǒng)當(dāng)中進(jìn)行登錄操作，那么功能號(hào)碼便會(huì)和系統(tǒng)建立通信，最終完成數(shù)據(jù)傳輸和語音呼叫的尋址功能。第二，調(diào)度通信功能。列車無線調(diào)度通信可歸納為2項(xiàng)基本形式，其一是整組呼叫，其二是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)呼叫，但無論通信形式如何，GSM-R無線通信技術(shù)均可都達(dá)到調(diào)度要求。在實(shí)施點(diǎn)對(duì)點(diǎn)呼叫的過程中，可直接對(duì)指定的機(jī)車予以呼叫，另外，監(jiān)理數(shù)據(jù)保持關(guān)聯(lián)，借助無線通信，司機(jī)也能夠直接呼叫區(qū)域調(diào)度員，這使得列車調(diào)度的可靠性與效率都得到了明顯的優(yōu)化；就整組呼叫而言，一般由調(diào)度員借助無線通信向區(qū)域內(nèi)全部司機(jī)實(shí)施廣播呼叫或語音呼叫，從而達(dá)到對(duì)站臺(tái)實(shí)施統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理的目的。第三，基于位置的路由。就不同區(qū)域調(diào)度員的指令而言，GSM-R技術(shù)均可滿足，用戶能夠在無線通信系統(tǒng)內(nèi)借助不同的短號(hào)碼來表征各種不同的職責(zé)，在聯(lián)系調(diào)度員之前，可提前設(shè)置好短號(hào)碼再予以撥打，憑借系統(tǒng)具備的尋址功能，系統(tǒng)通過當(dāng)前呼叫路由找到最適合的調(diào)度員。第四，緊急呼叫。在鐵路系統(tǒng)內(nèi)，緊急呼叫是一個(gè)不可或缺的組成部分，在鐵路通信工程內(nèi)，緊急呼叫占據(jù)著非常高的級(jí)別，一般要比廣播呼叫與調(diào)度呼叫的級(jí)別高，參照移動(dòng)臺(tái)的操作模式可以劃分呼叫的類型，移動(dòng)臺(tái)處于調(diào)車模式的狀態(tài)下，倘若按下緊急呼叫按鈕，那么此時(shí)發(fā)出的緊急呼叫指令代表的是調(diào)車緊急呼叫，另外，其他類型的緊急呼叫都可歸類為列車緊急呼叫[4]。

3.2 EUHT技術(shù)的應(yīng)用

增強(qiáng)型超高吞吐率（Enhanced Ultra High Throughput，EUHT）技術(shù)最突出的優(yōu)勢(shì)在于吞吐率高、移動(dòng)性強(qiáng)、延時(shí)低、可靠性強(qiáng)等，因此在鐵路通信工程領(lǐng)域得到了大范圍的應(yīng)用。以EUHT技術(shù)為基礎(chǔ)的軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)其組成有四大部分，其一是中心、其二是車站、其三是軌旁、其四是車載設(shè)備[5]。

（1）中心設(shè)備，該部分包括3個(gè)小的部分，一是 EUHT 數(shù)據(jù)中心（EUHT Data Center，EDC），二是EUHT控制中心（EUHT Control Center，ECC），三是EDU（室內(nèi)單元）。EDC設(shè)備的主要功能是與視頻監(jiān)控系統(tǒng)控制中心建立連接，接收PIS系統(tǒng)控制中心發(fā)送的數(shù)據(jù)，及時(shí)回應(yīng)相關(guān)的請(qǐng)求。ECC設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)全線EUHT系統(tǒng)設(shè)備實(shí)施嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)管理并予以狀態(tài)維護(hù)，ECC、EDC設(shè)備借助安設(shè)在中心的EDU和地面EDU完成同軌旁設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接。

（2）車站EDU設(shè)備。該部分主要負(fù)責(zé)和其他車站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，配合ECC抑或是單獨(dú)完成本站管區(qū)內(nèi)軌旁設(shè)備的接入和認(rèn)證管理，同時(shí)進(jìn)行嚴(yán)格的狀態(tài)監(jiān)控，和其他車站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（3）軌旁EUHT基站單元（EUHT Base station Unit，EBU）設(shè)備。該部分主要負(fù)責(zé)車地雙向數(shù)據(jù)的無線傳輸。EBU設(shè)備的核心參數(shù)包括：通信頻點(diǎn)5GHz～6GHz，可進(jìn)行配置；發(fā)射功率20 dBm（支持256QAM），允許自動(dòng)功率調(diào)整；自動(dòng)切換：延時(shí)少于40 ms，切換成功率高達(dá)99.99%。

（4）車載設(shè)備。該部分包括2個(gè)組成部分，其一是EUHT接入單元（EUHT Access Unit，EAU）設(shè)備，其二是EUHT服務(wù)單元（EUHT Service Unit，ESU）設(shè)備。EAU設(shè)備主要負(fù)責(zé)同軌旁設(shè)備的無線數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向高效傳輸，ESU 設(shè)備主要負(fù)責(zé)流量動(dòng)態(tài)均衡、多業(yè)務(wù)接入和業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)控制。

3.3 LTE 技術(shù)的應(yīng)用

某鐵路站場無線通信的工作模式以模擬對(duì)講為主，占用的頻率資源較多，系統(tǒng)功能并不豐富，不能實(shí)現(xiàn)和鐵路信息化要求相吻合的數(shù)據(jù)傳輸功能，無法創(chuàng)建形成運(yùn)行、管理以及維護(hù)均趨于統(tǒng)一化的綜合系統(tǒng)，另外，無法基于此研發(fā)與鐵路站場業(yè)務(wù)實(shí)際需求相吻合的功能，不能確保發(fā)展趨于綜合化、信息化和數(shù)字化。為有效解決上述問題，相關(guān)人員以LTE技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了完善的解決方案，使頻譜利用率顯著提高，有效削減了整體建設(shè)和運(yùn)維需要投入的成本。同時(shí)表現(xiàn)出多業(yè)務(wù)承載、互聯(lián)互通技術(shù)路徑多、安全性強(qiáng)、信息集成度高等優(yōu)勢(shì)，為鐵路智慧站場的建設(shè)提供了極其強(qiáng)大的技術(shù)支持[6]。

現(xiàn)階段，以LTE為基礎(chǔ)的解決方案創(chuàng)建的智慧鐵路站場的數(shù)字化平調(diào)系統(tǒng)和4G 智慧鐵路站場智能貨檢系統(tǒng)都在全國各個(gè)火車站投入了使用，全方位實(shí)現(xiàn)了無線接入系統(tǒng)能用于承載語音、數(shù)據(jù)、圖像通信業(yè)務(wù)的要求。

4 鐵路無線接入網(wǎng)未來的發(fā)展趨勢(shì)

伴隨著改革逐漸深化和社會(huì)信息化的不斷發(fā)展，不單單要求鐵路通信網(wǎng)保護(hù)鐵路安全運(yùn)營的通信功能更加強(qiáng)大，以此來滿足高速列車的通信要求，同時(shí)要以鐵道部的全程全網(wǎng)的突出優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展電信增值服務(wù)和運(yùn)營與我國電信業(yè)務(wù)范圍相同的電信業(yè)務(wù)，讓乘客和網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)的人們獲得更加便利的信息服務(wù)。為乘客提供鐵路客貨運(yùn)輸信息、訂閱火車票等各種服務(wù)，在列車上便可以享受網(wǎng)絡(luò)帶來的語音、視頻、傳真及Intemet等服務(wù)。

除此之外，應(yīng)該借助先進(jìn)而成熟的移動(dòng)通信技術(shù)合理地改造升級(jí)鐵路通信網(wǎng)，創(chuàng)建全新的、先進(jìn)的通信系統(tǒng)。就有線接入方面而言，國內(nèi)的客運(yùn)專線正處于迅猛發(fā)展的狀態(tài)，高速鐵路綜合調(diào)度系統(tǒng)為了確保其先進(jìn)性也少不了數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要支撐。由于站與站之間存在較大的站間距，因此這種情況下應(yīng)當(dāng)適當(dāng)引入?yún)^(qū)間接入技術(shù)。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)內(nèi)的各種信息需要借助光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳輸和通信，不同類型的非通話信息也在隨時(shí)代的發(fā)展而快速發(fā)展，這些都要求更大的光纖容量。就多波長光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面而言，支持全光網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)正處于飛速發(fā)展的狀態(tài)，這也能夠?yàn)殍F路通信網(wǎng)絡(luò)予以極佳的技術(shù)參考。

鐵路通信網(wǎng)的發(fā)展應(yīng)當(dāng)是朝著和公用網(wǎng)有效融合的方向，同時(shí)實(shí)現(xiàn)和公用網(wǎng)的高度統(tǒng)一，促使用戶不管是在行駛的列車上，還是在鐵路網(wǎng)的全面覆蓋的區(qū)域，都可以借助鐵路通信網(wǎng)展開便捷的信息交流，如電話聯(lián)系、寬帶的數(shù)據(jù)通信和圖像傳輸、Intemet接入等。但是若要達(dá)到上述要求，單憑集群移動(dòng)通信系統(tǒng)是無法實(shí)現(xiàn)的，GSM-R和現(xiàn)有的碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA） 技術(shù)亦無法實(shí)現(xiàn)。就現(xiàn)今的發(fā)展實(shí)際情況而言，可以憑借第3代CDMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)上述藍(lán)圖，鐵路通信網(wǎng)的無線接入部分未來的發(fā)展趨向就是朝著第3代的CDMA方向發(fā)展。但是這里需要強(qiáng)調(diào)的是，并非是第3代的 CDMA技術(shù)百分百能夠直接實(shí)現(xiàn)日后鐵路無線接入系統(tǒng)的各項(xiàng)先進(jìn)功能，這類似于GSM-R，必須要把鐵路通信應(yīng)當(dāng)配備的功能（如群呼、組呼、優(yōu)先級(jí)別、強(qiáng)插、強(qiáng)拆等功能）和該技術(shù)進(jìn)行有效的融合，創(chuàng)建具備鐵路通信獨(dú)特要求的公用無線通信接入網(wǎng)。

5 結(jié) 論

總而言之，鐵路通信工程當(dāng)中的無線接入網(wǎng)技術(shù)是現(xiàn)階段非常受歡迎的一項(xiàng)技術(shù)，不僅對(duì)鐵路通信質(zhì)量和通信效率的提高有極大的幫助，還能使社會(huì)和公司收益方面投入的成本大大縮減。無線接入網(wǎng)是充分保障中國鐵路工程通信的核心途徑，使得我國鐵路通信的總體水平和整體質(zhì)量有效提升，不單單為我國鐵路企業(yè)創(chuàng)造了更可觀的經(jīng)濟(jì)效益，還促進(jìn)了我國鐵路工程通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。