鐵路站場(chǎng)無線通信技術(shù)探析論文
1鐵路站場(chǎng)無線通信技術(shù)運(yùn)用及發(fā)展
目前，根據(jù)鐵路總公司的技術(shù)政策，無線列調(diào)通信主要選擇450MHz無線通信系統(tǒng)和GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)之一。站場(chǎng)常規(guī)無線通信主要采用400MHz無線電臺(tái)、400MHz數(shù)字集群等實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)各類業(yè)務(wù)的無線通信。隨著無線通信技術(shù)發(fā)展，450MHz無線電臺(tái)在鐵路列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)應(yīng)用中將逐漸被其他技術(shù)替代。鐵路總公司將LTE無線通信技術(shù)作為下一代鐵路列車無線調(diào)度通信技術(shù)正在展開應(yīng)用技術(shù)研究。
1.1數(shù)字無線電臺(tái)應(yīng)用
目前，鐵路常用的數(shù)字無線電臺(tái)主要有450MHz、400MHz數(shù)字無線電臺(tái)。450MHz數(shù)字無線電臺(tái)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(hào)校核信息傳送，400MHz數(shù)字無線電臺(tái)主要用于站場(chǎng)常規(guī)無線通信。國(guó)家規(guī)定給鐵路的450MHz、400MHz頻點(diǎn)有限，需要各鐵路局申請(qǐng)額外頻點(diǎn)才能滿足站場(chǎng)無線對(duì)講業(yè)務(wù)需求。鐵路總公司鐵運(yùn)函[2014]31號(hào)要求，貨車列尾裝置可采用GSM-R/400MHz雙模列尾裝置，在非GSM-R鐵路區(qū)段，列尾無線通信使用400MHz頻率；站場(chǎng)無線調(diào)車?yán)^續(xù)使用鐵路專用的400MHz頻段頻率。在編組站，規(guī)劃分配的400MHz專用頻率資源不足，無法滿足運(yùn)用需求時(shí)，由各鐵路局無線電主管部門負(fù)責(zé)向?qū)俚厥〖?jí)無線電管理部門申請(qǐng)400MHz額外的頻率。對(duì)于當(dāng)前使用450～470MHz頻段頻率用于鐵路養(yǎng)護(hù)維修、生產(chǎn)組織、監(jiān)控監(jiān)測(cè)、公安保衛(wèi)、應(yīng)急保障等各類區(qū)域性普通無線電對(duì)講通信業(yè)務(wù)，應(yīng)結(jié)合更新改造退出450～470MHz頻率。需要繼續(xù)使用的業(yè)務(wù)，由鐵路局統(tǒng)一向?qū)俚厥〖?jí)無線管理部門申請(qǐng)400MHz、150MHz、160MHz的頻率。鐵路總公司規(guī)定，對(duì)涉及車地人員之間相互通信的業(yè)務(wù)，為簡(jiǎn)化終端設(shè)備的配置，宜優(yōu)先規(guī)劃申請(qǐng)400MHz頻率，以便與總公司規(guī)劃的跨局通信業(yè)務(wù)頻率工作在同一頻段。站場(chǎng)所有業(yè)務(wù)采用無線電臺(tái)通信，則會(huì)造成無線設(shè)備設(shè)置分散、數(shù)量多、無法集中維護(hù)和管理。而且，無線電臺(tái)通信不適應(yīng)高速率、高帶寬的車地?cái)?shù)據(jù)信息業(yè)務(wù)傳送，不能滿足未來站場(chǎng)的自動(dòng)化、智能化、高帶寬業(yè)務(wù)發(fā)展需求。
1.2數(shù)字集群無線通信技術(shù)應(yīng)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(duì)一”的對(duì)講機(jī)形式、同頻單工組網(wǎng)形式、異頻雙工組網(wǎng)形式以及進(jìn)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(wù)、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(guó)際上數(shù)字集群調(diào)度系統(tǒng)主要有TETRA、iDEN和FHMA3種較為先進(jìn)的技術(shù)體制，由于這3種技術(shù)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(yīng)用，未在鐵路領(lǐng)域獲得推廣應(yīng)用。近年來，隨著數(shù)字移動(dòng)無線電標(biāo)準(zhǔn)（DMR）制定，我國(guó)無線設(shè)備供貨商根據(jù)數(shù)字移動(dòng)無線電標(biāo)準(zhǔn)（DMR）為各企業(yè)用戶提供DMR數(shù)字集群系統(tǒng)設(shè)備。DMR標(biāo)準(zhǔn)是完全公開的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)擁有眾多供應(yīng)商支持，國(guó)內(nèi)設(shè)備廠家生產(chǎn)的400MHz的DMR數(shù)字集群系統(tǒng)已在部分鐵路站場(chǎng)獲得應(yīng)用。鐵路使用的400MHz的DMR數(shù)字集群系統(tǒng)主要采用403～470MHz頻段的專用頻點(diǎn)，通過數(shù)字通道實(shí)現(xiàn)基站與IP控制服務(wù)器間的連接，控制臺(tái)、運(yùn)用服務(wù)器與IP控制服務(wù)器連接，構(gòu)成站場(chǎng)無線通信平臺(tái)，可提供同頻單工或異頻雙工方式，根據(jù)站場(chǎng)業(yè)務(wù)特性要求進(jìn)行業(yè)務(wù)與頻點(diǎn)綁定，也可以各業(yè)務(wù)采用公共頻點(diǎn)通信。400MHz的DMR數(shù)字集群無線通信系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)人員間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)講功能，以及移動(dòng)終端與固定終端或移動(dòng)終端與移動(dòng)終端間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)低速率數(shù)據(jù)信息傳送。站場(chǎng)所有業(yè)務(wù)采用400MHz集群無線通信，其無線設(shè)備可以集中設(shè)置、減少設(shè)備數(shù)量、并能集中維護(hù)和管理，最適用于解決站場(chǎng)平面調(diào)車業(yè)務(wù)和無線對(duì)講業(yè)務(wù)，以及綜合自動(dòng)化SAM系統(tǒng)車地信息傳送。但是，不適應(yīng)高速率、高帶寬的車地?cái)?shù)據(jù)信息業(yè)務(wù)傳送，頻點(diǎn)也受限于國(guó)家規(guī)定給鐵路的400MHz頻點(diǎn)，系統(tǒng)能提供的業(yè)務(wù)容量有限。
1.3GSM-R移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用
GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)作為中國(guó)鐵路列車無線通信主要采用的'技術(shù)，鐵路總公司已建立了一整套相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。在中國(guó)高速鐵路、客運(yùn)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(dòng)通信技術(shù)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(hào)校核、列控信息、機(jī)車同步操控等數(shù)據(jù)信息傳送。GSM-R系統(tǒng)包括移動(dòng)交換子系統(tǒng)（SSS）、移動(dòng)智能網(wǎng)子系統(tǒng)（IN）、通用分組無線業(yè)務(wù)子系統(tǒng)（GPRS）、無線子系統(tǒng)（BSS）、無線終端、運(yùn)營(yíng)與支撐子系統(tǒng)（OSS）等部分。其中，移動(dòng)智能網(wǎng)子系統(tǒng)（IN）由鐵路總公司統(tǒng)一設(shè)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(shè)置移動(dòng)交換子系統(tǒng)（SSS）、通用分組無線業(yè)務(wù)子系統(tǒng)（GPRS）、運(yùn)營(yíng)與支撐子系統(tǒng)（OSS）各1套設(shè)備，根據(jù)用戶需求在鐵路沿線、車站、樞紐設(shè)置無線子系統(tǒng)（BSS），配置相應(yīng)的無線終端設(shè)備。雖然，GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)鐵路沿線和車站統(tǒng)一的綜合無線通信系統(tǒng)平臺(tái)，提供列車無線調(diào)度通信、站場(chǎng)常規(guī)無線通信語音和低速數(shù)據(jù)信息傳送，設(shè)備能集中維護(hù)和管理。但是，由于GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻點(diǎn)有限，站場(chǎng)所有業(yè)務(wù)采用GSM-R的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)會(huì)造成信道占用很大，現(xiàn)有的頻點(diǎn)不夠使用，當(dāng)站場(chǎng)靠近正線鐵路或通過正線列車時(shí)，會(huì)對(duì)列車調(diào)度指揮系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此，GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)未被全面應(yīng)用于站場(chǎng)常規(guī)無線通信業(yè)務(wù)。目前，只能適用于解決站場(chǎng)部分語音業(yè)務(wù)，以及低速率、時(shí)延要求不高的數(shù)據(jù)信息傳送。
1.4WLAN無線局域網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用
WLAN無線局域網(wǎng)是指利用無線通信技術(shù)在一定的局部范圍內(nèi)建立的網(wǎng)絡(luò)，屬于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。WLAN無線局域網(wǎng)技術(shù)使用戶擺脫各種線路的束縛，可以隨時(shí)隨地接入網(wǎng)絡(luò)。WLAN（Wi-Fi）無線通信可采用2.4GHz或者5.8GHz通信頻段。在鐵路領(lǐng)域，WLAN無線局域網(wǎng)技術(shù)主要應(yīng)用在編組站綜合自動(dòng)化車地?cái)?shù)據(jù)信息無線傳送。采用2.4GHz頻段和IEEE802.11g、IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化CIPS調(diào)機(jī)業(yè)務(wù)等信息傳送需求。綜合自動(dòng)化WLAN無線局域網(wǎng)系統(tǒng)主要由WLAN終端設(shè)備、接入點(diǎn)設(shè)備（AP）、接入控制點(diǎn)設(shè)備（AC）、PORTAL服務(wù)器、RADIUS認(rèn)證服務(wù)器、用戶認(rèn)證信息數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)等組成。由于WLAN無線局域網(wǎng)頻點(diǎn)是公眾頻點(diǎn)，將會(huì)受到外界終端設(shè)備的干擾，列車遮擋物影響，以及缺乏站場(chǎng)無線對(duì)講業(yè)務(wù)、無線調(diào)車等業(yè)務(wù)的終端設(shè)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(wù)，不適應(yīng)未來站場(chǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展需求。
1.5LTE移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用
LTE移動(dòng)通信技術(shù)是鐵路下一代寬帶無線通信技術(shù)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(gè)對(duì)稱頻率信道上進(jìn)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(shí)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(shí)隙作為信道的承載，可以根據(jù)上下行的數(shù)據(jù)大小動(dòng)態(tài)進(jìn)行分配，對(duì)于頻率信道的利用率更好。未來鐵路移動(dòng)通信采用TD-LTE的概率較大。目前，在朔黃鐵路已引入TD-LTE集群技術(shù)應(yīng)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(shù)應(yīng)用于站場(chǎng)貨檢、車號(hào)等無線對(duì)講和作業(yè)信息傳送；在鄭州地鐵引入TD-LTE集群技術(shù)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(guó)無線電頻率劃分規(guī)定》及我國(guó)頻譜使用情況，確定使用1447～1467MHz頻段建設(shè)時(shí)分雙工（TDD）工作方式的寬帶數(shù)字集群專網(wǎng)系統(tǒng)。而1785～1805MHz頻段，則主要用于本地公眾網(wǎng)接入，對(duì)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(tái)站管理工作，由各省、自治區(qū)、直轄市無線電管理機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)。在同一地區(qū)給一具有無線接入業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)權(quán)的公眾網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商或?qū)＞W(wǎng)單位指配的頻率寬帶一般不超過5MHz。未來，在鐵路領(lǐng)域，可以考慮申請(qǐng)使用1785～1805MHz頻段的5MHz帶寬用于站場(chǎng)無線通信業(yè)務(wù)。TD-LTE支持1.8G/1.4G/400M專用頻段，覆蓋增強(qiáng)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(dòng)通信系統(tǒng)移動(dòng)性好，支持350km/h，具有完善的QoS業(yè)務(wù)保障，可二次開發(fā)定制終端、調(diào)度臺(tái)、無線通信模塊等；可提供調(diào)度通信語音業(yè)務(wù)、低速率或高速率數(shù)據(jù)信息傳送業(yè)務(wù)，是一個(gè)比較完善的綜合無線通信系統(tǒng)解決方案。LTE移動(dòng)通信技術(shù)在鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)中的應(yīng)用正在研究開發(fā)階段，在站場(chǎng)或編組站中的無線調(diào)車、無線對(duì)講、綜合自動(dòng)化信息無線傳送系統(tǒng)中尚未被應(yīng)用開發(fā)。
2未來站場(chǎng)綜合無線通信系統(tǒng)技術(shù)選擇
站場(chǎng)或編組站作業(yè)范圍比較獨(dú)立，技術(shù)作業(yè)業(yè)務(wù)較多，綜合上述幾種無線通信技術(shù)應(yīng)用介紹，以及應(yīng)用于站場(chǎng)多種業(yè)務(wù)情況下的可適用性進(jìn)行分析，結(jié)合無線通信技術(shù)發(fā)展，選擇TD-LTE移動(dòng)通信技術(shù)作為未來站場(chǎng)綜合無線通信技術(shù)。TD-LTE移動(dòng)通信技術(shù)已在鐵路和地鐵領(lǐng)域獲得應(yīng)用，具有技術(shù)實(shí)用性和先進(jìn)性，系統(tǒng)安全可靠，具備集中監(jiān)測(cè)和維護(hù)管理，能滿足站場(chǎng)各類業(yè)務(wù)綜合承載能力和未來各業(yè)務(wù)信息化、智能化發(fā)展需求。鐵路局可以申請(qǐng)使用1785～1805MHz頻段的5MHz帶寬合法頻點(diǎn)用于站場(chǎng)無線通信業(yè)務(wù)。站場(chǎng)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(gè)網(wǎng)元合并為一個(gè)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(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)用預(yù)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(diǎn)、無線子系統(tǒng)和無線終端組成。其中，核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)置TD-LTE核心網(wǎng)設(shè)備，核心網(wǎng)設(shè)備通過交換機(jī)等設(shè)備與各種業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器相連；無線子系統(tǒng)根據(jù)站場(chǎng)覆蓋和業(yè)務(wù)需求在鐵路站場(chǎng)內(nèi)設(shè)置，無線子系統(tǒng)設(shè)備包括LTE基站設(shè)備BBU（BasebandUnit）和RRU（RadioRemoteUnit）設(shè)備；根據(jù)需要配置相應(yīng)的無線終端。TD-LTE系統(tǒng)組網(wǎng)方案結(jié)構(gòu)。
3結(jié)束語
TD-LTE數(shù)字集群技術(shù)可以滿足站場(chǎng)各類業(yè)務(wù)需求，可承載大部分站場(chǎng)業(yè)務(wù)。但是，TD-LTE網(wǎng)1.8G頻點(diǎn)需要申請(qǐng)，各鐵路局能否申請(qǐng)到TD-LTE網(wǎng)1.8G頻點(diǎn)是該技術(shù)應(yīng)用于鐵路站場(chǎng)的關(guān)鍵問題。目前，采用TD-LTE數(shù)字集群通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)無線調(diào)車業(yè)務(wù)和編組站綜合自動(dòng)化業(yè)務(wù)，沒有成熟的應(yīng)用服務(wù)器設(shè)備、調(diào)車終端設(shè)備和機(jī)車臺(tái)設(shè)備支持，有待研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品和終端設(shè)備，對(duì)調(diào)度通信功能、信息傳送時(shí)延等是否滿足站場(chǎng)業(yè)務(wù)需求，需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用和終端設(shè)備有待進(jìn)一步試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證。
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