一種LTE-R和400 MHz數(shù)字雙模列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)實(shí)現(xiàn)方法

丁鳳霞 邊利平 宋宗瑩 羅群

摘要 文章闡述了新一代LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法。基于LTE機(jī)車(chē)電臺(tái)，利用既有列車(chē)調(diào)度通信LTE-R無(wú)線信道，增加400 MHz數(shù)字制式列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)提供400 MHz數(shù)字制式無(wú)線信道，與LTE機(jī)車(chē)電臺(tái)共用操作顯示終端，在充分效利用既有設(shè)備、節(jié)約成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)功能，雙模通信制式可有效提高列尾通信在山區(qū)和隧道等復(fù)雜地形區(qū)段的可靠性，保障鐵路運(yùn)輸安全。

關(guān)鍵詞 LTE-R;數(shù)字對(duì)講;列尾通信;CSBK;LTE機(jī)車(chē)電臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào) TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）07-0005-03

0 引言

鐵路貨運(yùn)以其受氣候等自然環(huán)境條件影響小、單車(chē)裝載貨物量大、運(yùn)輸能力強(qiáng)，尤其是在大宗貨運(yùn)和長(zhǎng)距離貨運(yùn)方面的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)代貨運(yùn)的最主要運(yùn)輸方式之一，也是與我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和地理特征最為適合的主要運(yùn)輸方式，承擔(dān)了我國(guó)絕大部分木材、煤炭、鋼鐵和原油及各種大運(yùn)量冶煉物資的運(yùn)輸任務(wù)，對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)發(fā)展具有無(wú)法替代的作用。貨列尾安全防護(hù)系統(tǒng)已在我國(guó)鐵路運(yùn)輸中長(zhǎng)期成熟運(yùn)用，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)尾部風(fēng)壓的監(jiān)測(cè)和操控列尾主機(jī)進(jìn)行輔助排風(fēng)制動(dòng)功能，對(duì)提高運(yùn)輸效率、保障行車(chē)安全具有重要作用。目前，國(guó)家能源投資集團(tuán)（神華股份有限公司）下屬各鐵路公司的列尾安全防護(hù)系統(tǒng)及設(shè)備以模擬無(wú)線通信為主、多種無(wú)線通信制式并存運(yùn)行，對(duì)于列車(chē)開(kāi)通長(zhǎng)交路套跑十分不便，列尾裝置的維護(hù)復(fù)雜程度和維護(hù)成本較高，在車(chē)站、樞紐等設(shè)備密集區(qū)域同頻及鄰頻干擾現(xiàn)象較為明顯，在山區(qū)和隧道等復(fù)雜地形區(qū)段列尾通信的有效距離受遮擋影響較為嚴(yán)重[1]。

中國(guó)神華能源股份有限公司新一代鐵路貨列尾安全防護(hù)系統(tǒng)及設(shè)備采用LTE-R制式和400 MHz數(shù)字通信制式，兩種制式同時(shí)工作，能夠有效降低模擬制式貨列尾通信中存在的同頻及鄰頻干擾現(xiàn)象，解決山區(qū)和隧道等復(fù)雜地形環(huán)境區(qū)段貨列尾通信受遮擋影響嚴(yán)重問(wèn)題。同時(shí)，統(tǒng)一列尾無(wú)線通信制式有效降低了列尾裝置的維護(hù)復(fù)雜程度及維護(hù)成本，為重載機(jī)車(chē)緊密運(yùn)行及開(kāi)通列車(chē)長(zhǎng)交路運(yùn)行套跑提供了設(shè)備保障。

1 雙模列尾通信

1.1 LTE-R制式列尾通信

LTE-R制式無(wú)線列尾通信業(yè)務(wù)由LTE-R網(wǎng)絡(luò)承載，與LTE-R列調(diào)業(yè)務(wù)共用相同頻段，采用IP/UDP協(xié)議進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通信。列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)登錄用戶(hù)名為“機(jī)車(chē)號(hào)+端號(hào)”，列尾主機(jī)登錄用戶(hù)名為“列尾ID+LTE-R通信模塊端號(hào)”，LTE-R通信模塊登錄并注冊(cè)到LTE-R網(wǎng)絡(luò)后自動(dòng)獲取靜態(tài)IP地址。 LTE-R網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到全線路信號(hào)覆蓋，能夠避免列尾無(wú)線通信在山區(qū)和隧道等復(fù)雜地形區(qū)段受環(huán)境遮擋影響。

1.2 400 MHz數(shù)字制式列尾通信

根據(jù)我國(guó)無(wú)線頻率資源規(guī)劃的相關(guān)規(guī)定和數(shù)字無(wú)線對(duì)講技術(shù)的發(fā)展水平，400 MHz數(shù)字制式列尾無(wú)線通信選用TDMA調(diào)制方式，采用基于DMR數(shù)字移動(dòng)無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議下的點(diǎn)到點(diǎn)異頻直通方式。在400 MHz低端頻率中選用fa作為列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)向列尾主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的工作頻率，fb作為列尾主機(jī)向列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)的工作頻率。為降低同頻干擾現(xiàn)象，應(yīng)適當(dāng)拉大fa和fb的間隔，根據(jù)鐵路總公司的相關(guān)頻率規(guī)劃，fa可采用414.025 MHz，fb可采用10 MHz頻率間隔的404.025 MHz。

400 MHz數(shù)字制式列尾無(wú)線通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量較少，適宜采用DMR中數(shù)據(jù)傳輸方式控制信令消息結(jié)構(gòu)即CSBK傳輸列尾無(wú)線通信數(shù)據(jù)。CSBK數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：數(shù)據(jù)頭（2字節(jié)）+數(shù)據(jù)（8字節(jié)）+CRC（2字節(jié)）。其中8字節(jié)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)部分可承載列尾無(wú)線通信數(shù)據(jù)，由2個(gè)連續(xù)的CSBK承載1幀完整的列尾通信數(shù)據(jù)。連續(xù)兩個(gè)CSBK傳輸時(shí)間僅需120 ms，有效提高了列尾數(shù)據(jù)傳輸效率，縮短了列尾數(shù)據(jù)傳輸所占用無(wú)線頻率資源的時(shí)間，可大幅降低車(chē)站等列尾設(shè)備使用密集區(qū)域無(wú)線通信的同頻干擾現(xiàn)象。CSBK數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 雙模列尾通信

列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)和列尾主機(jī)LTE-R通信模塊成功獲取LTE-R網(wǎng)絡(luò)IP地址后，設(shè)備自動(dòng)進(jìn)入LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模模式，同時(shí)以?xún)煞N通信制式傳輸列尾無(wú)線通信數(shù)據(jù)，當(dāng)其中一種制式通信失效時(shí)，另一種通信制式仍然能夠保證列尾無(wú)線通信數(shù)據(jù)成功傳輸;若列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)和列尾主機(jī)未能獲取LTE-R網(wǎng)絡(luò)IP地址，設(shè)備僅工作在400 MHz數(shù)字單模模式，只通過(guò)400 MHz數(shù)字制式進(jìn)行列尾無(wú)線通信[2]。

2 雙模列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)

列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)需具備LTE-R通信模塊和400 MHz數(shù)字通信模塊分別提供兩種制式的無(wú)線信道，實(shí)現(xiàn)LTE-R+400 MHz數(shù)字兩種制式的雙模列尾無(wú)線通信。目前朔黃鐵路在用的LTE機(jī)車(chē)電臺(tái)配備有LTE-R通信模塊用于無(wú)線列調(diào)通信，為有效利用既有設(shè)備，降低LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)設(shè)備成本，同時(shí)盡量不新增操作顯示終端設(shè)備，可利用既有LTE機(jī)車(chē)電臺(tái)的LTE-R通信模塊提供LTE-R無(wú)線信道同時(shí)傳輸列尾通信數(shù)據(jù);再增加400 M數(shù)字制式列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)提供400 MHz數(shù)字制式無(wú)線信道;并與LTE機(jī)車(chē)電臺(tái)共用操作顯示終端;形成LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)，在實(shí)現(xiàn)無(wú)線列調(diào)通信功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)列尾通信功能。機(jī)車(chē)電臺(tái)構(gòu)成如圖2所示。

LTE機(jī)車(chē)電臺(tái)配備有主備雙LTE-R通信模塊，主用LTE-R通信模塊故障時(shí)可自動(dòng)切換為備用LTE-R通信模塊工作，實(shí)現(xiàn)LTE-R通信模塊的熱備份功能。LTE-R模式列尾通信數(shù)據(jù)量較少，可與LTE機(jī)車(chē)電臺(tái)共用LTE-R通信模塊，不會(huì)對(duì)LTE機(jī)車(chē)電臺(tái)原無(wú)線列調(diào)業(yè)務(wù)功能產(chǎn)生影響。列尾通信所用LTE-R模塊與LTE機(jī)車(chē)電臺(tái)原LTE-R無(wú)線列調(diào)業(yè)務(wù)功能保持一致，遵循原LTE機(jī)車(chē)電臺(tái)LTE-R通信模塊主備切換的工作機(jī)制，即LTE-R模式列尾通信具備LTE-R通信模塊熱備份功能，使列尾通信更加穩(wěn)定可靠[3-4]。

新增400 M數(shù)字制式列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)為列尾通信提供400 MHz數(shù)字制式無(wú)線信道，實(shí)現(xiàn)400 MHz數(shù)字模式列尾通信功能。400 M數(shù)字制式列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)主要由供電單元、控制單元、記錄單元、400 M信道機(jī)及天饋系統(tǒng)等組成，通過(guò)通信電纜連接至LTE機(jī)車(chē)電臺(tái)數(shù)據(jù)接口。400 MHz數(shù)字制式列尾通信為異頻單工通信方式，400 M數(shù)字制式列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)內(nèi)部只需配備1臺(tái)400 MHz數(shù)字收發(fā)信機(jī)即可滿(mǎn)足功能需求。

設(shè)備具有標(biāo)準(zhǔn)型和小型化兩種結(jié)構(gòu)形式，標(biāo)準(zhǔn)型設(shè)備為基于標(biāo)準(zhǔn)型LTE機(jī)車(chē)電臺(tái)，新增的400 MHz數(shù)字列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)為內(nèi)嵌式安裝在標(biāo)準(zhǔn)型LTE機(jī)車(chē)電臺(tái)的B子架內(nèi)，節(jié)省機(jī)車(chē)設(shè)備安裝空間，外部無(wú)須新增供電電纜，標(biāo)準(zhǔn)型外形結(jié)構(gòu)如圖3所示;小型化設(shè)備為基于小型化LTE機(jī)車(chē)電臺(tái)，小型化外形結(jié)構(gòu)如圖4所示，新增的400 MHz數(shù)字列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)為獨(dú)立設(shè)備，通過(guò)通信電纜連接LTE機(jī)車(chē)電臺(tái)。兩種結(jié)構(gòu)形式適應(yīng)不同型號(hào)機(jī)車(chē)的設(shè)備安裝要求。

列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)示意圖

3 市場(chǎng)前景

LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾通信大幅降低了列尾設(shè)備密集區(qū)域無(wú)線通信同頻和鄰頻干擾現(xiàn)象，同時(shí)避免了列尾無(wú)線通信在山區(qū)和隧道等復(fù)雜地形區(qū)段受環(huán)境遮擋影響，有效保障了列尾通信的穩(wěn)定性和可靠性;統(tǒng)一列尾無(wú)線通信制式在降低列尾裝置維護(hù)復(fù)雜程度和維護(hù)成本的同時(shí)，為重載線路列車(chē)的緊密運(yùn)行及開(kāi)通長(zhǎng)交路運(yùn)行套跑提供了便利條件和設(shè)備及技術(shù)保障，對(duì)提高運(yùn)輸作業(yè)效率、保障行車(chē)安全具有重要作用。

目前神華集團(tuán)朔黃鐵路公司已建成LTE-R通信網(wǎng)絡(luò)，并應(yīng)用于無(wú)線列調(diào)通信系統(tǒng)，神華集團(tuán)下屬其他各鐵路公司也在積極地規(guī)劃、建設(shè)LTE-R網(wǎng)絡(luò)。LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模貨列尾安全防護(hù)系統(tǒng)及設(shè)備非常適用于神華集團(tuán)下屬各鐵路公司和我國(guó)各地方鐵路貨列尾通信。同時(shí)，LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾系統(tǒng)也符合我國(guó)國(guó)鐵貨列尾通信系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向，符合全球鐵路行業(yè)專(zhuān)用移動(dòng)通信技術(shù)向LTE-R發(fā)展的方向，符合模擬無(wú)線講技術(shù)向數(shù)字無(wú)線對(duì)講技術(shù)發(fā)展和過(guò)渡的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

該文立足于充分有效利用既有設(shè)備，研究并提出了雙模列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)功能。LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)是以朔黃鐵路在用的LTE機(jī)車(chē)電臺(tái)為基礎(chǔ)，增加400 MHz數(shù)字制式列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)，在實(shí)現(xiàn)無(wú)線列調(diào)通信功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾通信功能。設(shè)備具備標(biāo)準(zhǔn)型和小型化兩種結(jié)構(gòu)形式，適應(yīng)不同型號(hào)機(jī)車(chē)的設(shè)備安裝要求，LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾機(jī)車(chē)電臺(tái)具有廣泛、良好的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)

[1]雙模貨物列車(chē)尾部安全防護(hù)系統(tǒng)暫行技術(shù)規(guī)范： TJ/DW179—2015[S]. 北京：中國(guó)鐵路總公司， 2015.

[2]雙模貨物列車(chē)尾部安全防護(hù)設(shè)備暫行技術(shù)條件—列尾機(jī)車(chē)臺(tái)： TJ/DW180—2015[S]. 北京：中國(guó)鐵路總公司， 2015.

[3]王芳， 邸士萍. LTE-R系統(tǒng)架構(gòu)研究[J]. 鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)， 2016（6）： 23-26.

[4]李春鐸， 郭強(qiáng)亮， 藺偉. LTE-R寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)調(diào)度通信技術(shù)方案研究[J]. 鐵道通信信號(hào)， 2019（S1）： 16-20.