鐵路通信工程的無線接入技術(shù)標準研究

毛鵬翀

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600）

鐵路是人們出行、物流運輸?shù)闹匾煌üぞ?，是國家重要交通設(shè)施，為保障鐵路的穩(wěn)定運行，鐵路站點以及沿線工作人員需要保持穩(wěn)定、通暢的通信，為鐵路調(diào)度、應(yīng)急指揮提供支撐。在鐵路高速化發(fā)展的背景下，鐵路系統(tǒng)對通信網(wǎng)絡(luò)有了更高的技術(shù)要求，要在傳統(tǒng)的通話傳輸基礎(chǔ)上，增加數(shù)據(jù)傳輸、視頻信號傳輸，以及高速低延遲通信傳輸?shù)榷鄻踊姆?wù)，提升穩(wěn)定性、可擴展性等多方面性能。以往鐵路通信工程主要采用有線接入技術(shù)，這種通信方案的需要耗費大量的人力、財力來架設(shè)通信電纜，而且線路會受到自然環(huán)境影響，維護檢修的難度也比較大。且擴展性也比較差，對于新建鐵路工程，或增加新的通信設(shè)備，就會涉及到新的布線工程。而無線通信接入技術(shù)不需要架設(shè)通信電纜，有效降低經(jīng)濟成本和時間成本，也不會受到自然環(huán)境影響，運行更加穩(wěn)定，且擴展性也比較理想，搭設(shè)好的無線通信網(wǎng)絡(luò)還能為乘客提供信息服務(wù)。因此從成本、穩(wěn)定性、服務(wù)性等多角度來看，無線通信技術(shù)是鐵路通信工程的重要發(fā)展趨勢。

1 鐵路通信工程無線接入技術(shù)的優(yōu)勢

在鐵路高速化發(fā)展，以及信息化時代的背景下，鐵路系統(tǒng)對于通信網(wǎng)絡(luò)有了更高的要求，需要提供更加強有力的通信保障功能，以滿足新時期體鐵路列車通信指揮的工作需要，構(gòu)建更高速度、更加穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)，并積極拓展通信業(yè)務(wù)內(nèi)容，構(gòu)建數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。我國幅員遼闊，很多鐵路站點的距離遠，而且可能會途經(jīng)一些地形地勢復(fù)雜的地區(qū)，傳統(tǒng)的有線接入技術(shù)難度很大、建設(shè)成本也非常高，后期的維護檢修工作難度也非常大。因此目前鐵路通信工程更青睞無線接入技術(shù)，這類技術(shù)需架設(shè)通信電纜，可以有效降低成本，除此之外，還具備以下幾方面的技術(shù)優(yōu)勢。

1.1 覆蓋面廣傳輸穩(wěn)定

我國是世界第三大領(lǐng)土大國，地域幅員遼闊，共有18個鐵路局，鐵路列車不僅會經(jīng)過不同第二路站點，還會跨越不同省、不同鐵路局轄區(qū)。因此在鐵路運行時就可能遇到不同站點，甚至不同鐵路局之間的通信傳輸，需要借助鐵路通信網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，這就需要鐵路通信網(wǎng)絡(luò)要盡可能全面覆蓋。有線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面主要是在通信電纜的覆蓋范圍內(nèi)，被物理媒介所限制，而且如果每個區(qū)域的線路因環(huán)境因素而損壞，會直接導(dǎo)致這個區(qū)域的通信傳輸失靈。而無線通信網(wǎng)絡(luò)則是基站遠程收發(fā)通信信號，這種方式的覆蓋面更廣，也不會出現(xiàn)線路受到破壞的問題，通信傳輸更加穩(wěn)定。

1.2 支持多樣化的數(shù)據(jù)傳輸

鐵路管理是一項綜合性工作，涉及的信息也復(fù)雜多樣，鐵路通信不能只局限于通話傳輸，還應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)音頻、圖片、視頻等多樣化的數(shù)據(jù)傳遞。構(gòu)建基于無線通信技術(shù)的數(shù)字化鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)，能夠傳輸更加多樣化的數(shù)據(jù)信號，滿足多方面的鐵路管理需要。比如GSM-R系統(tǒng)不僅能夠完成基礎(chǔ)的通話通信功能，還能實時傳輸車輛監(jiān)控信息，并借助GPRS技術(shù)獲取車次號、車輛當(dāng)前運行狀態(tài)等，為鐵路管理提供更加及時、準確、全面的列車信息。

2 符合鐵路通信工程技術(shù)標準的幾種無線通信接入技術(shù)

2.1 蜂窩技術(shù)

蜂窩技術(shù)是鐵路系統(tǒng)最常用的無線接入技術(shù)，是符合鐵路通信工程技術(shù)標準的無線通信接入技術(shù)，利用通信基站接收和發(fā)送數(shù)字通信信號（電磁波），對講機、手機等移動終端可以接收來自基站的電磁波，實現(xiàn)無線通信。每隔一段距離布置通信基站，連點成片，形成整片區(qū)域的通信覆蓋，新建鐵路只要在基站覆蓋范圍內(nèi)，就無需新建基站。因為基站的布置形態(tài)如同連點成面的蜂窩一般，故而得名蜂窩技術(shù)。GSM-R系統(tǒng)也是一種基于蜂窩技術(shù)的鐵路通信無線接入技術(shù)，理論上一個GMS通信基站可以覆蓋35 km范圍的通信傳輸。

2.2 點對多點數(shù)字微波技術(shù)

這種無線通信技術(shù)主要適合地勢平坦的平原地區(qū)，這樣能夠減少阻擋。首先確定無線傳輸?shù)姆秶谥虚g區(qū)域設(shè)置中心站，之后在不同方向設(shè)置圍站，如果中心站和圍站之間設(shè)置中繼站，則可以將覆蓋范圍實現(xiàn)數(shù)百公里，利用這一無線介入技術(shù)可以實現(xiàn)電話通信、數(shù)據(jù)傳輸、電報等多項通信功能，能夠同時為多個在線用戶提供服務(wù)。也可以將這種技術(shù)和蜂窩技術(shù)相結(jié)合，延伸蜂窩通信基站的覆蓋范圍，這也是一種符合國家鐵路通信工程技術(shù)標準的無線接入技術(shù)。

2.3 集群通信技術(shù)

集群通信技術(shù)是通過程控交互設(shè)備、計算機互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、微處理技術(shù)等集合于一體的無線通信接入技術(shù)，這種技術(shù)可以實現(xiàn)無線和無線端的短時間通信，通過無線撥號的方式進行群呼、組呼通信。集群通信主要是一對群通信，適合應(yīng)用在應(yīng)急搶險、緊急調(diào)度指揮等情況。

2.4 衛(wèi)星通信技術(shù)

衛(wèi)星通信技術(shù)是利用衛(wèi)星作為通信傳輸?shù)闹欣^站，利用衛(wèi)星通信可以實現(xiàn)非常大面積的覆蓋面，對于我國邊境地區(qū)、沙漠地區(qū)等難以建造基站的區(qū)域可以利用衛(wèi)星通信技術(shù)接入到無線通信網(wǎng)中。但是這種技術(shù)也有明顯的劣勢，就是通信費用高，而且有一定延遲，雖然覆蓋面比較廣，但在使用時還會受到氣候等因素影響傳輸信號，因此難以構(gòu)建基站實現(xiàn)覆蓋的區(qū)域，還是盡量不采用這種無線接入技術(shù)。

3 鐵路無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

鐵路無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（GSM-R）全稱為Global system of mobile for railway，意為針對鐵路的全球移動通信系統(tǒng)，它以GSM系統(tǒng)（全球移動通信系統(tǒng)）為基礎(chǔ)，是一種利用基站收發(fā)通信信號（電磁波）的蜂窩式無線通信網(wǎng)絡(luò)。這以系統(tǒng)目前已經(jīng)非常成熟，2002年首次被歐洲多個國家使用，并取得了顯著的應(yīng)用效果。我國在2015年1月經(jīng)由中國鐵路總公司工作會議通過，決定正式引入這一系統(tǒng)構(gòu)建我國鐵路無線通信網(wǎng)絡(luò)。GSM-R系統(tǒng)作為當(dāng)前鐵路系統(tǒng)中最為成熟且國際通用的無線通信設(shè)施，能夠滿足鐵路通信的各項基本功能，如群呼、優(yōu)先級別、強插以及組呼等。適合應(yīng)用在無線列車調(diào)度、編組調(diào)車、應(yīng)急指揮、養(yǎng)護維修組織等多種場合，且GSM-R系統(tǒng)的通信傳輸能夠適應(yīng)300~500 km/h的高速鐵路，可以有效滿足我國鐵路高速化發(fā)展背景下對通信傳輸?shù)男枨?，其主要功能包括以下幾點：

①調(diào)度通信。無線列車調(diào)度功能是GSM-R的基礎(chǔ)性功能，可以進行一對一呼叫、一對多的組呼，或是廣播呼叫，適用于客運列車調(diào)度、貨運列車調(diào)度、牽引變電調(diào)度、站場通信、應(yīng)急指揮、維護調(diào)度、道口通信等多種場合。比如當(dāng)在列車前方出現(xiàn)事故時，調(diào)度人員可及時下達應(yīng)急指令通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳遞給列車司機，司機就能夠根據(jù)指令操控車輛，保證車輛及乘客的安全。目前我國鐵路朝著高速度方向發(fā)展，這就要求信息傳遞必須快速、及時，最大限度降低延遲問題，提高工作效率。而且GSM-R還能在常規(guī)調(diào)度通信、語音傳輸?shù)幕A(chǔ)上，將通話記錄保存起來，方便管理和責(zé)任回溯。②數(shù)據(jù)信息傳輸。GSM-R系統(tǒng)能夠及時傳輸車次號、列車停穩(wěn)信息、列車尾部風(fēng)壓數(shù)據(jù)等信息，通過GPRS裝置，及車輛上的終端感知設(shè)備收集車輛運行的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，傳遞給GSM-R系統(tǒng)中并傳輸給鐵路管理人員，為鐵路車輛安全管理決策提供重要參考。③遠程監(jiān)控及監(jiān)控影像傳輸。在站臺及車輛中裝設(shè)監(jiān)控設(shè)備終端，收集視頻信號，將視頻信號傳遞給列車人員，對車廂內(nèi)部情況進行實時監(jiān)控。且這些影像信號還可以通過GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，列車就可以在進站前可查看前方站臺監(jiān)控影像信息。④移動辦公作業(yè)。鐵路沿線及鐵路局轄區(qū)的水電、信號、供電、工務(wù)等各崗位人員在開展作業(yè)時可以利用GSM-R手持通話設(shè)備，和車站工作人員、各站點調(diào)度人員等建立聯(lián)系。在特殊情況下，作業(yè)人員可以緊急呼叫列車司機，和司機進行通信聯(lián)絡(luò)。⑤應(yīng)急指揮。在鐵路沿線遭遇自然災(zāi)害或一些影響交通的突發(fā)事件情況下，需要立即通知列車司機?；蚴窃诹熊囘\行過程中遭遇突發(fā)事件，需要和救援中心聯(lián)絡(luò)時，都可利用GSM-R系統(tǒng)進行應(yīng)急指揮，除了能進行通話傳輸外，還能傳輸圖像、視頻等數(shù)據(jù)信息。⑥緊急呼叫。緊急呼叫可具體分為列車緊急呼叫以及調(diào)度緊急呼叫。一旦發(fā)起呼叫就會被系統(tǒng)列為最高優(yōu)先級，保證這一線路的通暢。而且接受方不能拒絕也不能退出，除非發(fā)起方主動取消緊急呼叫。在GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)中，緊急呼叫的延遲可以控制在1秒以內(nèi)，這種延遲能夠有效滿足各類緊急情況下的通信要求。

4 基于鐵路通信工程技術(shù)標準的通信無線接入技術(shù)

鐵路運行根據(jù)不同場景可以分成包括地面鐵路、隧道鐵路、橋梁鐵路等幾種情況，不同場景下的無線接入技術(shù)都有著不同的要求，需要結(jié)合實際情況選擇最佳接入方案，增強無線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋效果。

4.1 地面鐵路的無線接入

對于地面鐵路的無線接入需要考慮地形地勢，以及地面上的物體。在鐵路沿線分布式設(shè)置基站，將RRU（射頻拉遠單元）設(shè)置在塔頂位置，提高通信信號的發(fā)送覆蓋面，新建基站和鐵路之間的垂直距離控制在50~300 m的范圍。對于專網(wǎng)、公網(wǎng)的出入口位置，比如站臺部分，可采用宏站的形式，或是宏站和室內(nèi)分布系統(tǒng)相結(jié)合的方式設(shè)置。對于鐵路的彎道部分，設(shè)置的基站建議位于彎道內(nèi)側(cè)，這樣能夠擴大入射角，使無線接入更加穩(wěn)定。

4.2 隧道鐵路的無線接入

對于隧道鐵路需要考慮隧道的具體長度來設(shè)置無線接入方案：①如果是長度不足100 m的小型隧道鐵路，為保證這部分鐵路能夠接入到無線通信網(wǎng)絡(luò)中，可在隧道出口的位置設(shè)置信號發(fā)射裝置，向隧道內(nèi)部定向發(fā)射通信信號，因此隧道的距離比較短，這種方式可以達到無線接入的目的。②對于長度超過100 m，但不足200 m的隧道，只在出口位置發(fā)射信號可能無法實現(xiàn)完全覆蓋，建議分別在隧道兩側(cè)進出口分別設(shè)置信號收發(fā)裝置。且需要注意，切換帶不能設(shè)置在隧道之中，防止鐵路列車進出對信號切換造成影響。③對于長度在200~500 m的中型隧道，可以在隧道兩端布置信號收發(fā)裝置的同時，在其中一端安裝RRU，并利用功分器將信號分成兩路，一路為接收，另一路為朝著隧道中定向發(fā)射。此外，也需要切換帶不能設(shè)置在隧道之中，防止鐵路列車進出對信號切換造成影響。④500~1 000 m長的大型隧道，則是在隧道兩端布置信號收發(fā)裝置的同時，兩端均安裝RRU，并利用功分器將信號各分成兩路，分別是信號接收路，和朝著隧道方向定向發(fā)射信號的發(fā)射路。切換帶不能設(shè)置在隧道之中，防止鐵路列車進出對信號切換造成影響。⑤對于1 000~2 000 m的長隧道，則要在500~1 000 m無線接入方案基礎(chǔ)上，在隧道的中間位置增加一個信號收發(fā)裝置，并安裝RRU，且利用功分器將信號分成兩路，這兩路分別朝向隧道的兩端。如果是超過2 000 m的超長隧道，則按照第五種接入方案類推，每1 000 m加入一個信號收發(fā)裝置并安裝RRU和功分器，將信號分成朝著隧道兩端的兩條路。

4.3 橋梁鐵路的無線接入

設(shè)計接入方案時要考慮通過鐵路橋梁的列車速度、橋梁形態(tài)、周邊地形等來確定基站的設(shè)置方案。如果橋梁的長度比較短，在鐵路橋梁的一端設(shè)置基站站點即可，如果橋梁長度中等，則在鐵路橋梁兩端位置分別設(shè)置基站。如果是跨過大江、大河、山谷的大跨度鐵路橋梁，橋梁上沒有設(shè)置基站的空間，那么可利用橋梁上的電桿架空搭設(shè)無線直放站。

4.4 基站站址的選擇

鐵路GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)建立在GSM基礎(chǔ)之上，技術(shù)是相通的。一般情況下，城市、鄉(xiāng)村等鐵路沿線已經(jīng)建立了大量GSM基站，涵蓋到了鐵路沿線，如果鐵路沿線周圍能夠目視到GSM基站，那么直接利用這些現(xiàn)場基站即可，無需新建基站。如果鐵路周邊沒有基站，就需要在和鐵路垂直距離300 m的距離之內(nèi)建立高度在20~30 m的基站，并在站頂安裝RUU，增強無線通信網(wǎng)絡(luò)的接入效果。

5 結(jié)束語

綜上，為了增強鐵路通信質(zhì)量，以為鐵路系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供更加強有力的保障，中國鐵路總公司于2015年正式引入GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這種技術(shù)非常成熟，覆蓋面廣、延遲小、能夠滿足高速鐵路的通信要求，且這也是國內(nèi)各鐵路局以及國際上通用的無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在跨國鐵路線也可以實現(xiàn)互通。在無線接入方面，需要考慮不同鐵路運行場景的地形、地勢，以保證充分覆蓋的原則設(shè)置基站，有效接入到鐵路無線通信網(wǎng)絡(luò)中，打造高質(zhì)量、全覆蓋的優(yōu)質(zhì)鐵路無線通信網(wǎng)絡(luò)。