鐵路客站無線通信系統發展現狀及展望

陳 昳 虞 凱 段永奇

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

鐵路客站是鐵路部門辦理客運業務、供旅客上下車之用的場所。目前，我國已發展形成了小、中、大以及特大等類型的鐵路客站。并有一大批新型現代化鐵路客站相繼開通運營，如上海虹橋、北京南、廣州南、成都東站等[1]。該類客站具有占地面積大、結構復雜、功能劃分多、作業人員多、作業分工細等特點。

鐵路客站作為鐵路行業對外服務的窗口，既要滿足人們出行速度、品質、環境等需求的不斷提升，更要保證公共安全，提高應對突發事件的指揮、協調和處理能力。為便于客站的運營管理，給旅客出行提供優質服務，客站均配置了大量的客運作業人員。作業人員之間通過語音通信，實現互相的溝通、協調。隨著客站規模的不斷擴大及作業人員的增加，現代化客站對客運作業人員的業務要求越來越高，客運人員之間的語音通信需求量持續增大。同時，隨著我國鐵路數字化和智能化戰略的實施[2-3]，鐵路客站增加了圖像、視頻、大數據等大帶寬數據無線傳輸以及多媒體調度通信應用的需求。因此，無線通信是鐵路客站運營管理服務以及保障公共安全的重要技術手段，也是構建未來鐵路智能客站的重要支撐平臺。

本文重點研究了現有鐵路客站無線通信系統的使用情況，從技術特點和客站運營需求角度分析各類客站無線通信系統存在的問題，并結合客站的作業需求，提出了未來鐵路客站無線通信系統的發展方向。

1 鐵路客站無線通信技術使用現狀

20世紀90年代初，原鐵道部制定了《大中型客站客運無線通信系統主要技術條件》，提出利用同頻單工模擬對講技術解決鐵路大中型客站內管理人員與流動客運作業人員之間以及流動客運作業人員之間的無線語音通信。客站作業人員配備模擬對講機，實現相互聯系。所有作業人員對講機工作在同一頻點，實現組呼通信；也可根據作業需求，分為客運、售票、行包等作業組，不同作業組工作于不同頻點。模擬對講技術對鐵路客運作業產生了非常積極的影響，是鐵路客運作業必備工具，直到現在，絕大部分鐵路客站仍采用模擬對講機。

隨著我國鐵路客站的大規模建設和鐵路數字化、智能化發展，原本結構簡單、功能單一、相互孤立的客站發展為結構復雜、功能劃分多、作業人員多、分工細的新型現代化客站，鐵路客站對無線通信提出了新的需求，同頻單工模擬對講技術的缺陷逐漸突顯，已不能滿足客站無線通信的需求。該技術主要存在以下問題：

(1)信號覆蓋問題

現有客站模擬設備基本沒有中繼轉發，通信僅在對講機信號覆蓋范圍內實現，地下及過站通道、大型客站等存在通信盲區。

(2)頻道問題

所有用戶在單一頻點進行大組通信，通話干擾嚴重，特別是大站用戶多時，存在通信質量差、容量受限而呼不通等問題。

(3)功能問題

僅能實現語音對講通信功能，缺乏語音分組、數據傳輸、優先級呼叫、通話錄音等功能。

(4)干擾問題

抗環境噪聲干擾能力弱，易受周邊商業、工地等對講機干擾而串音。

此外，在產業政策上，國家已明確了無線通信由模擬轉為數字。2009年，工業和信息化部明確數字對講機替代模擬對講機；2010年，原鐵道部發文確定停止模擬對講機的型號核準，全面推廣數字對講機。

因此，無論從實際應用還是國家產業政策出發，模擬對講技術的使用已不適應現代化客站的客運作業與管理需求，無法應對高速鐵路客站現代化的客運指揮調度，無法為旅客提供更優質的客運服務。目前，已有部分新建鐵路客站開始采用新的無線通信技術服務于鐵路客站。

2 新技術在鐵路客站無線通信中的應用

2.1 DMR數字無線通信系統

2.1.1 DMR數字無線對講技術

DMR是歐洲電信標準協會(ESTI)于2007年公布的數字無線對講技術標準，用以替代模擬無線對講技術[4]，該技術克服了模擬對講技術的大部分缺陷，其主要特點有：

(1)提高了頻率利用率。信道間隔12.5 kHz，單個12.5 kHz信道可支持2個同步或獨立的通話，頻率利用率是傳統模擬技術的4倍。

(2)支持數據傳輸。單信道可支持2.4 kbit/s的數據傳輸速率。

(3)抗干擾能力強。采用窄帶編解碼和數字糾錯等技術，可更好地抑制噪聲，擁有比模擬技術更優質的語音質量。

(4)支持語音分組、優先級呼叫、緊急呼叫、語音錄音等功能。

DMR的優勢在語音通信，相比于GSM、TETRA等集群語音通信系統，具有組網簡單、造價低廉等優勢，近年來逐漸應用于各行各業專網無線通信領域。

2.1.2 基于DMR的客站無線通信系統

目前，許多新建客站相繼采用DMR來建設鐵路客站無線通信系統[5]，如成都東站、成灌鐵路客站、貴陽北站等。

基于DMR的客站無線通信系統由中心設備(服務器、交換機)、基站設備(含天饋、分合路器等)、有線調度臺、手持臺等組成。系統結構如圖1所示。

圖1 基于DMR的客站無線通信系統結構圖

中心設備和基站設備設置于客站通信信息機房內，主要負責用戶終端的鑒權、注冊、通信的交換、控制與管理以及與信息系統的互聯互通等。在高架候車廳、站臺、出站層等設置天饋系統，實現DMR系統的無線覆蓋；在客站綜控室、公安值班室等重要部門設置有線調度臺，通過全呼與組呼實現客站內所有移動終端的作業調度；作業人員配備數字手持臺，按需求進行分組，每個手持臺有唯一的ID號碼且可有多個組ID號，通過不同的分組，手持臺可實現不同分組內的呼叫和數據接收功能。

2.1.3 DMR系統特點

相比模擬對講機，基于DMR的客站無線通信系統極大地提高了鐵路客站的生產組織作業效率，其優點主要表現為：

(1)通過系統建設，實現了客站內無線信號的全覆蓋。

(2)通過分組功能，提高了作業效率，有效解決了單個分組繁忙時的資源緊張問題。

(3)通過數據傳輸功能，實現了生產作業信息化，并通過與藍牙等技術的結合，實現了作業人員位置信息的無線傳輸，解決了客站內人員的定崗定位管理。

(4)通過錄音功能，規范了對講機使用用語，避免無效用語占用信道，提高了信道利用率。

DMR技術很好地解決目前鐵路客站作業管理的基本需求，但因其是窄帶技術，無法支撐圖像、視頻等大帶寬數據的無線傳輸。

2.2 Wi-Fi寬帶無線通信系統

2.2.1 Wi-Fi寬帶無線通信技術

Wi-Fi是一種被廣泛應用和部署的無線寬帶接入技術，工作在2.4 GHz或5 GHz公共頻段。Wi-Fi的代表是由IEEE 802.11工作組規定的無線通信系統，其技術標準主要包括802.11 b、802.11 a和802.11 g、802.11 n、802.11 ac等物理層標準，有效帶寬可達100 Mbps，理論速率甚至高達600 Mbps。

2.2.2 基于Wi-Fi的客站無線通信系統

Wi-Fi因傳輸帶寬大、易部署、頻段無須申請等優點，在軌道交通領域已經得到了廣泛應用，常用于傳輸圖像、視頻等大帶寬的數據[6]。我國城市軌道交通普遍采用WLAN承載CBTC、PIS和CCTV等系統業務，在鐵路客站領域，廣州南站、深圳北站等客站采用Wi-Fi寬帶無線通信系統，通過PDA移動終端，為客站作業提供列車到發信息、人員管理等信息化功能。

2.2.3 Wi-Fi系統特點

通過Wi-Fi寬帶無線通信系統提供的查詢列車運行信息、作業任務傳達、打卡等功能，可提高作業信息化，降低對講機的語音業務量。還可進一步提供圖像、視頻等傳輸功能。但是Wi-Fi技術在實際使用中也存在著一些問題。

(1)干擾問題：由于工作于公共頻段，信號不穩定，干擾嚴重，甚至導致系統無法使用。

(2)設備過多問題：Wi-Fi未解決語音通信問題，客站作業人員工作時需同時攜帶對講機和PDA兩個設備。

2.3 LTE寬帶無線通信專網

2.3.1 LTE寬帶無線通信技術

LTE是第四代無線通信技術，采用正交頻分復用、多輸入多輸出、自適應調制編碼、混合自動重傳等技術，可實現圖像、視頻等大帶寬數據的無線傳輸。我國已明確1785～1805 MHz頻段可用于交通、電力等行業的LTE專網。

2.3.2 基于LTE專網的客站無線通信系統

LTE具備高帶寬和高傳輸速率優勢，又工作于授權頻段，避免了Wi-Fi系統互相間干擾的問題，使其在軌道交通領域得到應用推廣。我國城市軌道交通行業逐漸采用LTE技術解決CBTC、PIS、CCTV等車-地無線通信的傳輸。在鐵路客站領域，鄭州東站、上海站[7-8]率先使用LTE無線通信技術，配備集群手持式終端，實現多媒體調度、信息發送、視頻傳輸等功能。

基于LTE的客站無線通信系統由多媒體調度系統、LTE核心網、基站(BBU和RRU)、移動終端等組成。其中，多媒體調度系統由多媒體調度服務器、錄音服務器、調度臺、終端等組成。LTE網絡提供多媒體調度服務器和終端間數據傳輸通道，由核心網和基站構成。核心網包含了MME、GW、HSS等網元；基站采用BBU+RRU的分布式基站，采用室分系統進行覆蓋。

2.3.3 LTE專網特點

LTE寬帶無線通信技術可為鐵路客站作業提供圖像、視頻等大帶寬數據的無線傳輸，為客站信息化、智能化建設提供很好的技術支撐。但在使用中也存在如下問題：

(1)頻率資源問題：工信部規定1.8 GHz頻段共 20 MHz帶寬資源可用于鐵路、地鐵、電力、石油、機場等行業建設LTE無線通信專網，并采用先申請先使用的原則。但在很多鐵路客站內，20 MHz帶寬資源有大部分被其他行業占領使用，因此頻率資源申請不易。

(2)終端問題：現有的LTE手持式終端功率偏小，不適合鐵路客站客運作業嘈雜的環境，也不符合客運人員的使用習慣(傳統對講機PPT按講的習慣)。因此，終端設備還需進一步改進，以滿足設備使用環境和習慣。

(3)政策問題：根據鐵發改〔2020〕144號《國鐵集團關于加快推進5G技術鐵路應用發展的實施意見》要求，我國鐵路正在開展5G技術的應用研究，可能會跳過4G直接進入5G時代，因此，今后鐵路可能不會再使用LTE技術。

2.4 公網無線通信系統

2.4.1 公網技術

公網技術是指中國移動、中國電信、中國聯通三家移動運營商向公眾提供的3G、4G等無線接入技術服務。三大運營商提供的網絡制式分別為：①中國移動：GSM(2G)、TD-SCDMA(3G)、TD-LTE(4G)；②中國聯通：GSM(2G)、WCDMA(3G)、TD-LTE(4G)、FDD-LTE(4G)；③中國電信：CDMA1X(2G)、EVDO(3G)、TD-LTE(4G)、FDD-LTE(4G)。采用公網技術，無須自建無線通信網絡，只需提供后期每年的運營費用。但網絡的穩定性和可靠性受制于移動運營商，存在不可控因素。

2.4.2 公網技術特點

目前有部分軌道交通客站采用公眾移動通信網服務于客站的生產組織作業。通過終端業務軟件的定制化開發，可提供語音對講、數據傳輸、視頻和圖像傳輸等功能，滿足智慧客站的部分功能需求。由于無需建設基礎無線通信網絡，可節省前期投資。京張智能高速鐵路早期即采用公網技術解決客站作業的無線需求。

公網技術雖在投資和寬帶傳輸等功能上具有優勢，但結合軌道交通客站的應用場景和客站作業人員的使用習慣，仍存在以下問題：

(1)覆蓋問題：客站要做公網引入，特別是大型客站和地下站，否則信號覆蓋不滿足要求。

(2)功能問題：公網不提供專用調度語音，需進行定制化開發，通常采用基于IP的語音通信技術，采用IP數據包形式傳輸，在時延等指標方面不如專網。

(3)終端問題：公網終端通常是大屏幕終端，易碎不防摔，不符合客站作業人員的作業習慣。

(4)網絡可靠性問題：無線通信網絡受制于移動運營商，其可靠性和穩定性存在不可控因素；同時，客站作業人員與旅客共用一個無線網絡，網絡性能受制于在線用戶數量，在旅客高峰期，網絡性能可能受影響，客站的作業指揮可能在關鍵時刻出現呼叫不通等狀況。

基于以上原因，京張智能高速鐵路沿線客站在后期增設了DMR無線通信系統，由純公網技術調整為“DMR+公網”技術。

3 鐵路客站無線通信系統發展方向

3.1 技術對比

基于現有可用于鐵路客站的無線通信技術，對比DMR、LTE、Wi-Fi、公網等特點，如表1所示。

表1 無線通信技術對比表

從表1可以看出：

(1)DMR是窄帶數字對講技術，適用于語音對講，兼具短數據傳輸，其設備和系統更符合當前軌道交通客站作業人員的習慣，但不支持大帶寬數據傳輸。

(2)LTE、Wi-Fi、公網同屬寬帶無線通信技術，適合大帶寬數據傳輸，幾種技術各有優勢，Wi-Fi易部署，投資低，但易受干擾，目前鐵路領域基本不考慮Wi-Fi無線專網建設；LTE抗干擾性好，傳輸性能好，但投資高，頻率資源不易申請，且未來可能直接進入5G時代；公網最大的優勢是不需自建無線通信網絡，但存在后期運營費用，同時其網絡受制于公網運營商，穩定性和可靠性低。

3.2 鐵路客站無線通信系統技術體制選擇

鐵路客站生產組織所需的語音通信和短數據傳輸是最普遍存在也最迫切需要解決的通信需求。隨著鐵路客站智能化建設的推進，大型鐵路客站還將增加多媒體調度、圖像和視頻傳輸等寬帶無線通信業務的需求。因此，針對鐵路客站管理與作業要求，對比分析現有無線通信技術特點，DMR疊加寬帶無線通信的技術體制將更適合于鐵路客站無線通信系統，具體技術方案如下：

(1)采用基于DMR的數字無線通信技術實現客運生產組織無線通信需求，解決語音通信和短數據傳輸，包括：①語音個呼、組呼、緊急呼叫等基本語音通信；②列車到發信息、作業工單、定位信息等短數據傳輸；③聯網遠程調度指揮，大站管小站；④站車語音通信；⑤分組通信、無線小區廣播、脫網直通、遙斃/遙暈/復活、強插/強拆、通話錄音等功能。

(2)采用寬帶無線通信技術實現大帶寬數據無線傳輸，包括：①可視個呼、可視組呼等多媒體通信；②現場圖像、視頻上傳；③坐席信息等站車數據通信；④客站設備監控信息傳輸；⑤智能客站相關信息系統提供無線承載平臺。

(3)DMR和寬帶無線通信分屬不同的通信技術領域，兩者之間不能直接互通。通過寬窄融合技術，打通DMR和寬帶無線通信網絡之間的通信障礙，實現業務功能的無縫融合，實現①DMR終端和寬帶終端之間的語音通信、數據通信；②DMR系統和寬帶系統的綜合業務調度；③DMR設備和寬帶設備的統一調度管理。

4 結束語

針對鐵路客站的大規模發展，本文研究了現有鐵路客站無線通信系統的使用情況，對比分析了DMR、Wi-Fi、LTE、公網等技術的特點及其在鐵路客站使用中存在的問題，結合客站的管理和作業需求，提出了未來鐵路客站無線通信系統采用DMR疊加寬帶無線通信的技術體制，通過經濟適用的DMR技術解決客站最基本的生產作業組織需求，采用寬帶無線通信系統智能客站大數據傳輸，并通過寬窄帶融合技術實現兩者之間的互聯互通。