鐵路站場綜合無線通信技術研究

謝衡元

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

鐵路站場綜合無線通信技術研究

謝衡元

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

鐵路站場是車站進行各種技術作業(yè)的場地，站場無線通信系統(tǒng)是鐵路車站運輸安全及調(diào)度指揮的重要手段。目前，各種業(yè)務分別獨立建設無線通信系統(tǒng)，致使站場無線通信技術制式也多種多樣，設備設置分散，并分別分屬各個業(yè)務維護及管理部門，不利于提高鐵路運輸生產(chǎn)效益。對現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)進行簡要介紹，通過分析鐵路無線通信技術業(yè)務接入能力和技術特性，從安全可靠、多業(yè)務適應性、易集中維護和管理方面考慮，提出未來站場綜合無線通信技術選擇建議，供未來鐵路站場或編組站綜合自動化改造建設項目參考。

站場；綜合；無線；通信；技術；選擇

目前，我國鐵路站場無線通信系統(tǒng)主要有450 MHz無線列調(diào)系統(tǒng)或GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)、400 MHz和150 MHz無線電臺對講通信系統(tǒng)。在鐵路編組站綜合自動化改造中，為了實現(xiàn)綜合自動化車地間信息傳送，編組站還采用WLAN無線局域網(wǎng)系統(tǒng)或400 MHz數(shù)字集群系統(tǒng)實現(xiàn)車地無線通信。

隨著站場各類業(yè)務的自動化、智能化改造，對站場無線通信需求也逐漸增多，現(xiàn)有的站場常規(guī)無線通信系統(tǒng)受限于頻點不夠、技術落后、組網(wǎng)分散等問題。在未來站場自動化改造中應該選擇一種技術先進、高帶寬的無線通信技術構(gòu)建站場綜合無線通信系統(tǒng)平臺，為站場多業(yè)務提供服務，減少重復投資建設，盡可能的集中維護和管理。因此，針對未來鐵路站場業(yè)務發(fā)展需要，非常有必要對未來站場綜合無線通信技術進行研究和選擇。

1 站場無線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀概述

鐵路站場無線通信主要有列車無線調(diào)度通信和其他專用無線通信系統(tǒng)構(gòu)成。其中，其他專用無線通信系統(tǒng)主要包括站場常規(guī)無線通信、公安常規(guī)無線通信系統(tǒng)等。

現(xiàn)階段，列車無線調(diào)度通信主要采用GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)或450 MHz列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)實現(xiàn)，同時承載的無線車次號校核信息傳送、調(diào)度命令信息無線傳送、列車尾部安全防護裝置信息傳送等。

站場常規(guī)無線通信主要是根據(jù)各站場的性質(zhì)和日常運輸作業(yè)需求設置，為站場的流動作業(yè)人員之間、流動作業(yè)人員與固定作業(yè)人員之間提供無線對講通信和信息傳送。站場常規(guī)無線通信業(yè)務主要有站場無線調(diào)車、貨運、列檢、客運、養(yǎng)護維修等業(yè)務，主要采用400 MHz和150 MHz無線電臺和終端設備實現(xiàn)。編組站采用WLAN無線局域網(wǎng)系統(tǒng)或400 MHz數(shù)字集群系統(tǒng)實現(xiàn)車地間綜合自動化信息無線傳送。編組站作為鐵路技術作業(yè)業(yè)務較多的站場，大部分編組站是450 MHz無線列調(diào)系統(tǒng)、GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)、400 MHz和150 MHz無線電臺通信系統(tǒng)、WLAN無線局域網(wǎng)系統(tǒng)或400 MHz數(shù)字集群系統(tǒng)并存，實現(xiàn)車地間不同業(yè)務語音無線通信和數(shù)據(jù)信息傳送。

鐵路站場無線調(diào)車通信系統(tǒng)主要采用400 MHz專用頻點的無線電臺、機車臺、手持終端構(gòu)成，不僅提供語音通信，還提供無線調(diào)車數(shù)據(jù)信息傳送，并且要求實時性很高。一般情況每個調(diào)車機配置1個專用頻點，無線信號覆蓋該調(diào)車機技術作業(yè)區(qū)域。隨著鐵路站場綜合自動化改造，將可實現(xiàn)調(diào)車單自動化、智能化作業(yè)，作業(yè)信息實時無線傳送。

站場內(nèi)的貨運、列檢、客運、養(yǎng)護維修等業(yè)務分別采用400 MHz專用頻點的無線電臺、手持終端構(gòu)成，主要提供語音對講通信。隨著鐵路站場逐步實現(xiàn)信息化運營管理需要，將來在調(diào)車計劃、調(diào)車作業(yè)監(jiān)控、養(yǎng)護維修、貨檢/商檢/車號等業(yè)務系統(tǒng)中，不僅需要提供無線語音對講通信，還需要提供數(shù)據(jù)信息無線傳送。

2 鐵路站場無線通信技術運用及發(fā)展

目前，根據(jù)鐵路總公司的技術政策，無線列調(diào)通信主要選擇450 MHz無線通信系統(tǒng)和GSM-R移動通信系統(tǒng)之一。站場常規(guī)無線通信主要采用400 MHz無線電臺、400 MHz數(shù)字集群等實現(xiàn)站場各類業(yè)務的無線通信。

隨著無線通信技術發(fā)展，450 MHz無線電臺在鐵路列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)應用中將逐漸被其他技術替代。鐵路總公司將LTE無線通信技術作為下一代鐵路列車無線調(diào)度通信技術正在展開應用技術研究。

2.1 數(shù)字無線電臺應用

目前，鐵路常用的數(shù)字無線電臺主要有450 MHz、400 MHz數(shù)字無線電臺。450 MHz數(shù)字無線電臺主要用于普速鐵路列車無線調(diào)度通信、調(diào)度命令和無線車次號校核信息傳送，400 MHz數(shù)字無線電臺主要用于站場常規(guī)無線通信。國家規(guī)定給鐵路的450 MHz、400 MHz頻點有限，需要各鐵路局申請額外頻點才能滿足站場無線對講業(yè)務需求。

鐵路總公司鐵運函[2014]31號要求，貨車列尾裝置可采用GSM-R/400 MHz雙模列尾裝置，在非GSM-R鐵路區(qū)段，列尾無線通信使用400 MHz頻率；站場無線調(diào)車繼續(xù)使用鐵路專用的400 MHz頻段頻率。在編組站，規(guī)劃分配的400 MHz專用頻率資源不足，無法滿足運用需求時，由各鐵路局無線電主管部門負責向?qū)俚厥〖墴o線電管理部門申請400 MHz額外的頻率。對于當前使用450～470 MHz頻段頻率用于鐵路養(yǎng)護維修、生產(chǎn)組織、監(jiān)控監(jiān)測、公安保衛(wèi)、應急保障等各類區(qū)域性普通無線電對講通信業(yè)務，應結(jié)合更新改造退出450～470 MHz頻率。需要繼續(xù)使用的業(yè)務，由鐵路局統(tǒng)一向?qū)俚厥〖墴o線管理部門申請400 MHz、150 MHz、160 MHz的頻率。鐵路總公司規(guī)定，對涉及車地人員之間相互通信的業(yè)務，為簡化終端設備的配置，宜優(yōu)先規(guī)劃申請400 MHz頻率，以便與總公司規(guī)劃的跨局通信業(yè)務頻率工作在同一頻段。

站場所有業(yè)務采用無線電臺通信，則會造成無線設備設置分散、數(shù)量多、無法集中維護和管理。而且，無線電臺通信不適應高速率、高帶寬的車地數(shù)據(jù)信息業(yè)務傳送，不能滿足未來站場的自動化、智能化、高帶寬業(yè)務發(fā)展需求。

2.2 數(shù)字集群無線通信技術應用

集群通信，即無線專用調(diào)度通信系統(tǒng)，早期，集群通信從“一對一”的對講機形式、同頻單工組網(wǎng)形式、異頻雙工組網(wǎng)形式以及進一步帶選呼的系統(tǒng)，發(fā)展到多信道用戶共享的調(diào)度系統(tǒng)，并在政府部門、警務、鐵路、地鐵、電力、民航等各行各業(yè)的指揮調(diào)度中發(fā)揮了重要作用。

國際上數(shù)字集群調(diào)度系統(tǒng)主要有TETRA、iDEN和FHMA 3種較為先進的技術體制，由于這3種技術體制構(gòu)成的無線通信系統(tǒng)互通性不太理想，主要用于地鐵、航空、公安等專網(wǎng)應用，未在鐵路領域獲得推廣應用。

近年來，隨著數(shù)字移動無線電標準（DMR）制定，我國無線設備供貨商根據(jù)數(shù)字移動無線電標準（DMR）為各企業(yè)用戶提供DMR數(shù)字集群系統(tǒng)設備。DMR標準是完全公開的標準，國內(nèi)擁有眾多供應商支持， 國內(nèi)設備廠家生產(chǎn)的400 MHz的DMR數(shù)字集群系統(tǒng)已在部分鐵路站場獲得應用。鐵路使用的400 MHz的DMR數(shù)字集群系統(tǒng)主要采用403～470 MHz頻段的專用頻點，通過數(shù)字通道實現(xiàn)基站與IP控制服務器間的連接，控制臺、運用服務器與IP控制服務器連接，構(gòu)成站場無線通信平臺，可提供同頻單工或異頻雙工方式，根據(jù)站場業(yè)務特性要求進行業(yè)務與頻點綁定，也可以各業(yè)務采用公共頻點通信。

400 MHz的DMR數(shù)字集群無線通信系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)移動人員間點對點對講功能，以及移動終端與固定終端或移動終端與移動終端間的點對點低速率數(shù)據(jù)信息傳送。站場所有業(yè)務采用400 MHz集群無線通信，其無線設備可以集中設置、減少設備數(shù)量、并能集中維護和管理，最適用于解決站場平面調(diào)車業(yè)務和無線對講業(yè)務，以及綜合自動化SAM系統(tǒng)車地信息傳送。但是，不適應高速率、高帶寬的車地數(shù)據(jù)信息業(yè)務傳送，頻點也受限于國家規(guī)定給鐵路的400 MHz頻點，系統(tǒng)能提供的業(yè)務容量有限。

2.3 GSM-R移動通信技術應用

GSM-R數(shù)字移動通信技術作為中國鐵路列車無線通信主要采用的技術，鐵路總公司已建立了一整套相關標準和規(guī)定。在中國高速鐵路、客運專線、重載鐵路、城際鐵路或部分普速鐵路均選擇GSM-R數(shù)字移動通信技術構(gòu)建鐵路無線通信系統(tǒng)，主要用于列車無線調(diào)度語音通信，以及調(diào)度命令、車次號校核、列控信息、機車同步操控等數(shù)據(jù)信息傳送。

GSM-R系統(tǒng)包括移動交換子系統(tǒng)（SSS）、移動智能網(wǎng)子系統(tǒng)（IN）、通用分組無線業(yè)務子系統(tǒng)（GPRS）、無線子系統(tǒng)（BSS）、無線終端、運營與支撐子系統(tǒng)（OSS）等部分。其中，移動智能網(wǎng)子系統(tǒng)（IN）由鐵路總公司統(tǒng)一設置2套，互為冗余，作為全路GSM-R系統(tǒng)共用。在鐵路總公司各鐵路局設置移動交換子系統(tǒng)（SSS）、通用分組無線業(yè)務子系統(tǒng)（GPRS）、運營與支撐子系統(tǒng)（OSS）各1套設備，根據(jù)用戶需求在鐵路沿線、車站、樞紐設置無線子系統(tǒng)（BSS），配置相應的無線終端設備。

雖然，GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)可以實現(xiàn)鐵路沿線和車站統(tǒng)一的綜合無線通信系統(tǒng)平臺，提供列車無線調(diào)度通信、站場常規(guī)無線通信語音和低速數(shù)據(jù)信息傳送，設備能集中維護和管理。但是，由于GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)的頻點有限，站場所有業(yè)務采用GSM-R的系統(tǒng)實現(xiàn)會造成信道占用很大，現(xiàn)有的頻點不夠使用，當站場靠近正線鐵路或通過正線列車時，會對列車調(diào)度指揮系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此，GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)未被全面應用于站場常規(guī)無線通信業(yè)務。目前，只能適用于解決站場部分語音業(yè)務，以及低速率、時延要求不高的數(shù)據(jù)信息傳送。

2.4 WLAN 無線局域網(wǎng)技術應用

WLAN無線局域網(wǎng)是指利用無線通信技術在一定的局部范圍內(nèi)建立的網(wǎng)絡，屬于計算機網(wǎng)絡與無線通信技術相結(jié)合的產(chǎn)物。WLAN無線局域網(wǎng)技術使用戶擺脫各種線路的束縛，可以隨時隨地接入網(wǎng)絡。WLAN（Wi-Fi）無線通信可采用2.4 GHz或者5.8 GHz通信頻段。

在鐵路領域，WLAN無線局域網(wǎng)技術主要應用在編組站綜合自動化車地數(shù)據(jù)信息無線傳送。采用2.4 GHz頻 段 和IEEE802.11g、IEEE802.11n標準的設備進行組網(wǎng)，實現(xiàn)綜合自動化CIPS調(diào)機業(yè)務等信息傳送需求。綜合自動化WLAN無線局域網(wǎng)系統(tǒng)主要由WLAN終端設備、接入點設備（AP）、接入控制點設備（AC）、PORTAL服務器、RADIUS認證服務器、用戶認證信息數(shù)據(jù)庫、業(yè)務運營支撐系統(tǒng)等組成。

由于WLAN無線局域網(wǎng)頻點是公眾頻點，將會受到外界終端設備的干擾，列車遮擋物影響，以及缺乏站場無線對講業(yè)務、無線調(diào)車等業(yè)務的終端設備支持。因此，WLAN無線局域網(wǎng)不適用于涉及行車安全的鐵路調(diào)車業(yè)務，不適應未來站場業(yè)務發(fā)展需求。

2.5 LTE移動通信技術應用

LTE移動通信技術是鐵路下一代寬帶無線通信技術發(fā)展方向，比較適用于寬帶數(shù)據(jù)信息無線傳輸。LTE有TD-LTE與FD-LTE兩種不同的制式，雖然總體上都滿足大帶寬的數(shù)據(jù)通信需求，但也存在很多不同。FD-LTE是在分離的兩個對稱頻率信道上進行接收和發(fā)送，依靠頻率來區(qū)分上下行鏈路。TD-LTE是用時間來分離接收和發(fā)送信道，接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時隙作為信道的承載，可以根據(jù)上下行的數(shù)據(jù)大小動態(tài)進行分配，對于頻率信道的利用率更好。未來鐵路移動通信采用TDLTE的概率較大。

目前，在朔黃鐵路已引入TD-LTE集群技術應用于列車同步操控、列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)構(gòu)成；在部分鐵路局站引入TD-LTE集群技術應用于站場貨檢、車號等無線對講和作業(yè)信息傳送；在鄭州地鐵引入TD-LTE集群技術用于車地間PIS信息和視頻監(jiān)控圖像傳送。

工信部根據(jù)《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》及我國頻譜使用情況，確定使用1 447～1 467 MHz頻段建設時分雙工（TDD）工作方式的寬帶數(shù)字集群專網(wǎng)系統(tǒng)。而1 785～1 805 MHz頻段，則主要用于本地公眾網(wǎng)接入，對確有需要的本地專網(wǎng)也可用于無線接入，具體頻率指配和無線電臺站管理工作，由各省、自治區(qū)、直轄市無線電管理機構(gòu)負責。在同一地區(qū)給一具有無線接入業(yè)務經(jīng)營權的公眾網(wǎng)運營商或?qū)＞W(wǎng)單位指配的頻率寬帶一般不超過5 MHz。未來，在鐵路領域，可以考慮申請使用1 785～1 805 MHz頻段的5 MHz帶寬用于站場無線通信業(yè)務。

TD-LTE支持1.8 G/1.4 G/400M專用頻段，覆蓋增強算法、高增益定向天線、高終端發(fā)射功率，多方式天線組網(wǎng)。TD-LTE移動通信系統(tǒng)移動性好，支持350 km/h，具有完善的QoS業(yè)務保障，可二次開發(fā)定制終端、調(diào)度臺、無線通信模塊等；可提供調(diào)度通信語音業(yè)務、低速率或高速率數(shù)據(jù)信息傳送業(yè)務，是一個比較完善的綜合無線通信系統(tǒng)解決方案。

LTE移動通信技術在鐵路調(diào)度通信業(yè)務中的應用正在研究開發(fā)階段，在站場或編組站中的無線調(diào)車、無線對講、綜合自動化信息無線傳送系統(tǒng)中尚未被應用開發(fā)。

3 未來站場綜合無線通信系統(tǒng)技術選擇

站場或編組站作業(yè)范圍比較獨立，技術作業(yè)業(yè)務較多，綜合上述幾種無線通信技術應用介紹，以及應用于站場多種業(yè)務情況下的可適用性進行分析，結(jié)合無線通信技術發(fā)展，選擇TD-LTE移動通信技術作為未來站場綜合無線通信技術。TD-LTE移動通信技術已在鐵路和地鐵領域獲得應用，具有技術實用性和先進性，系統(tǒng)安全可靠，具備集中監(jiān)測和維護管理，能滿足站場各類業(yè)務綜合承載能力和未來各業(yè)務信息化、智能化發(fā)展需求。鐵路局可以申請使用1 785～1 805 MHz頻段的5 MHz帶寬合法頻點用于站場無線通信業(yè)務。

站場無線通信使用TD-LTE數(shù)字集群系統(tǒng)，可將公網(wǎng)MME、HSS、S-GW以及P-GW等多個網(wǎng)元合并為一個網(wǎng)元eCN，使其小型化，降低核心網(wǎng)成本，可以有效的節(jié)約近期工程投資，為將來鐵路正線引入LTE移動通信系統(tǒng)應用預留互聯(lián)互通條件。

TD-LTE數(shù)字集群通信系統(tǒng)主要由核心網(wǎng)節(jié)點、無線子系統(tǒng)和無線終端組成。其中，核心網(wǎng)節(jié)點設置TD-LTE核心網(wǎng)設備，核心網(wǎng)設備通過交換機等設備與各種業(yè)務應用服務器相連；無線子系統(tǒng)根據(jù)站場覆蓋和業(yè)務需求在鐵路站場內(nèi)設置，無線子系統(tǒng)設備包括LTE基站設備BBU（Base band Unit）和RRU（Radio Remote Unit）設備；根據(jù)需要配置相應的無線終端。TD-LTE系統(tǒng)組網(wǎng)方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4 結(jié)束語

TD-LTE數(shù)字集群技術可以滿足站場各類業(yè)務需求，可承載大部分站場業(yè)務。但是，TD-LTE 網(wǎng)1.8 G頻點需要申請，各鐵路局能否申請到TDLTE網(wǎng)1.8 G頻點是該技術應用于鐵路站場的關鍵問題。

目前，采用TD-LTE數(shù)字集群通信系統(tǒng)實現(xiàn)站場無線調(diào)車業(yè)務和編組站綜合自動化業(yè)務，沒有成熟的應用服務器設備、調(diào)車終端設備和機車臺設備支持，有待研發(fā)相關產(chǎn)品和終端設備，對調(diào)度通信功能、信息傳送時延等是否滿足站場業(yè)務需求，需要結(jié)合實際應用和終端設備有待進一步試驗測試驗證。

Trains need to implement technical operation in railway stations and yards, so the wireless communication system for stations and yards is an important means for transportation safety and train dispatching and commanding. At present, every service needs to set an independent wireless communication system, as a result, different wireless communication technical systems and decentralized equipment are set and belonged to different maintenance and management departments, which is not good for improving railway transportation efficiency. The paper introduces the existing wireless communication systems, and puts forward the suggestion of adopting the comprehensive wireless communication technology for various operation in stations and yards in the future through analyzing the access capability of wireless communication services in terms of the safety and reliability, multiservice adaptability, easy maintenance and management, for providing reference for reconstruction of railway stations and yards or of automation of marshalling stations.

station and yard; comprehensive; wireless; communication; technology; selection

圖1 TD-LTE數(shù)字集群通信系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.03.007

2015-03-01）

北京全路通信信號研究設計院有限公司科技研究課題項目（2300-K1140026.01.05）