鐵路通信工程中無線接入技術研究

于景偉

（中鐵十九局集團電務工程有限公司，北京 102600）

0 引 言

在交通領域中安全性、高效性以及穩定可靠性成為了現階段最新發展標準，鐵路作為不可或缺的一種交通形式，其發展也逐漸慢慢向上述標準靠攏。為了達到這一標準，首先要有效解決鐵路通信的流暢問題，使鐵路通信網絡更加優化、更加合理、更加科學，確保鐵路通信網絡可以在高速運行的鐵路交通運輸過程中快速而準確地傳遞服務信息，以便乘客們可以在第一時間了解鐵路信息，讓鐵路的運輸效率得到顯著提升。在鐵路通信中借助現代科技技術可以創建快速而穩定的鐵路通信網絡系統，讓乘客輕而易舉地獲得需要的信息服務，為了成功實現這一設想，則不能再采用原有的鐵路有線技術，應當引入無線網絡通信技術，立足于根本使鐵路通信網得以升級和優化，使通信工程得到全面的改變。

1 無線接入技術

無線接入網是指接入網的部分或全部采用無線電波傳輸介質來實現連接交換機和終端。無線接入網用戶的接入點可以是移動的或固定的。無線接入網根據使用方式可分為固定無線接入網和移動接入網兩大類。固定無線接入網為固定位置的用戶或僅在小范圍內移動的用戶服務。移動接入網主要為位置需要在較大范圍內移動的用戶服務。移動接入技術可以分為集群接入和蜂窩接入2種。其涵蓋3大部分，一是控制器，二是基站，三是用戶終端設備。應用技術一般包括3種，一是微波一點多址技術，二是蜂窩技術，三是微蜂窩技術。無線接入最突出的優勢是靈活性強，便于建設，因此得到了大范圍的應用[1]。

2 鐵路通信工程無線通信技術的特征

2.1 覆蓋范圍廣

我國地域廣闊，資源豐富。鐵路沿線綿延萬里，在全國各個地方均設立了鐵路管理局，在任何線路上運行的火車、高鐵等到達任何地方均需接受當地鐵路管理局的管理。但是不同地方的鐵路管理局在人員管理、工作要求、工作模式等諸多方面都存在明顯的差異，雖然設計了統一的規范標準，但是在具體應用時還是因為地方文化存在或多或少的差異，在這種客觀因素的影響下，致使在原本建設的線路上對通信設備予以升級優化的工作頻頻受阻[2]。在正式建設無線通信之前，應當對相關建設標準予以統一，對于計劃接入的無線通信網創建一套標準的、完善的呼叫流程，明確規定由主控中心對網絡地址和所有的路由設備予以嚴格的通信管理，通過上述管理模式和一系列的規則能夠使鐵路無線通信的運行效果得到顯著的提升，確保通信可靠而順暢。

2.2 數據傳輸效率高

我國已經初步建成了無線通信系統，在所有的火車、動車以及高鐵當中無線通信設備已被大量使用，無線通信設備的無線電臺功能能夠保證列車在高速運行的過程中準確而清晰地接受到語音傳輸信息，且能夠獲得明顯的功率效果，使得列車上的服務和管理都得到明顯優化。在大數據時代背景下，鐵路通信也可以借助大數據的優勢而使自身功能變得強大，目前增加的無線通信設備能夠實現數據傳輸功能，在運行時能夠把無窮無盡的列車信息分門別類予以收集歸納，參照數據的具體類別實施統計，數據經統計完畢就會分別傳輸至監管部門以及鐵路調度部門，所獲得的通信效率極高。另外，列車在高速運行的過程中，還能夠實時動態監控安全問題，確保每一次出行足夠安全。

2.3 適應性強

鐵路工程的復雜程度可類比于其鐵路線路，內容繁雜。鐵路工程的運營內容涉及的方面十分廣泛，且受到諸多因素的影響。另外，鐵路工程系統必須要依靠多方面的大力支持方可實現，在這之中，車務、工務、電務、水務每一項都發揮著重要的作用。由于所牽涉的合作部門廣泛，針對鐵路通信的無線網絡的具體需求不同的部門因自身工作性質的不同而存在一定的差異，不單單是需要保障鐵路無線通信的實際運行效率，還必須確保能夠適用于不同的部門，具有極強的適配性，方可讓所有部門的工作如期展開，只有這樣，鐵路工程這一個龐大而復雜的運行系統方可按部就班地開展工作管理。

3 無線接入技術在鐵路通信工程中的應用

3.1 GSM-R 技術的應用

（1）鐵路綜合數字移動通信系統（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R）技術 理論。GSM-R技術的誕生，是以蜂窩通信系統為基礎研發的，新增了一項調度功能，滿足了列車在高速運行的狀態下對無線通信的實際需求。GSM-R技術和公網全球移動通信系統（Global System for Mobile Communications，GSM）技術有相似的地方，因此也可以說GSM-R是對GSM技術的一種借鑒，而且沿用了GSM技術當中絕大部分的通信結構，基于此，充分考慮鐵路通信服務的實際需求，針對性地開發了一些新的功能，以達到鐵路無線通信更多的要求。就目前鐵路無線通信而言，GSM-R技術得到了十分廣泛的應用，而且應用效果非常可觀[3]。

（2）GSM技術的網絡功能及結構組成。立足于鐵路通信網絡來看，大部分情況下會受到一定程度的制約，傳統無線通信也無法避免受到這些制約的影響，不能完成互聯。但是得益于GSM-R無線網絡技術逐漸投入使用，這種受制約的網絡依然可以完成互聯，這在很大程度上提高了網絡的互通性。立足于GSM-R無線通信網絡來看，這項網絡結構相對簡單，通常包括3個子系統：其一是基站子體系、其二是操作維護子體系、其三是網絡子體系，每個子系統間可以順利實施數據傳輸和通信。基于GSM-R網絡環境當中可以實現多項功能，包括呼叫處理、緊急呼叫、短消息、信令信息加密等。GSM-R技術除了可以實現上文提及的基礎功能以外，還可以實現蜂窩系統操作，因此在列車實施位置等級、切換等各種操作的過程中，可以保證整個操作快捷而方便。

（3）GSM-R 無線通信網絡接入技術在鐵路通信工程的應用。現階段，在鐵路通信工程當中GSM-R技術已然得到了十分廣泛的應用，且在具體應用的過程中發揮著不可替代的作用。在具體應用時，GSM-R無線接入技術的常用功能如下。第一，尋址功能。這項功能在GSM-R技術提供的所有功能當中扮演著十分關鍵的角色，且這項功能十分強大，目前已然在鐵路系統中得到了大范圍的應用。如對于所有工作崗位的列車司機均編制了確定的功能號碼，列車司機與功能號碼一一對應，這種功能號碼并不是用戶的MSISND號碼。倘若司機使用功能號碼在系統當中進行登錄操作，那么功能號碼便會和系統建立通信，最終完成數據傳輸和語音呼叫的尋址功能。第二，調度通信功能。列車無線調度通信可歸納為2項基本形式，其一是整組呼叫，其二是點對點呼叫，但無論通信形式如何，GSM-R無線通信技術均可都達到調度要求。在實施點對點呼叫的過程中，可直接對指定的機車予以呼叫，另外，監理數據保持關聯，借助無線通信，司機也能夠直接呼叫區域調度員，這使得列車調度的可靠性與效率都得到了明顯的優化；就整組呼叫而言，一般由調度員借助無線通信向區域內全部司機實施廣播呼叫或語音呼叫，從而達到對站臺實施統一協調管理的目的。第三，基于位置的路由。就不同區域調度員的指令而言，GSM-R技術均可滿足，用戶能夠在無線通信系統內借助不同的短號碼來表征各種不同的職責，在聯系調度員之前，可提前設置好短號碼再予以撥打，憑借系統具備的尋址功能，系統通過當前呼叫路由找到最適合的調度員。第四，緊急呼叫。在鐵路系統內，緊急呼叫是一個不可或缺的組成部分，在鐵路通信工程內，緊急呼叫占據著非常高的級別，一般要比廣播呼叫與調度呼叫的級別高，參照移動臺的操作模式可以劃分呼叫的類型，移動臺處于調車模式的狀態下，倘若按下緊急呼叫按鈕，那么此時發出的緊急呼叫指令代表的是調車緊急呼叫，另外，其他類型的緊急呼叫都可歸類為列車緊急呼叫[4]。

3.2 EUHT技術的應用

增強型超高吞吐率（Enhanced Ultra High Throughput，EUHT）技術最突出的優勢在于吞吐率高、移動性強、延時低、可靠性強等，因此在鐵路通信工程領域得到了大范圍的應用。以EUHT技術為基礎的軌道交通車地無線通信系統其組成有四大部分，其一是中心、其二是車站、其三是軌旁、其四是車載設備[5]。

（1）中心設備，該部分包括3個小的部分，一是 EUHT 數據中心（EUHT Data Center，EDC），二是EUHT控制中心（EUHT Control Center，ECC），三是EDU（室內單元）。EDC設備的主要功能是與視頻監控系統控制中心建立連接，接收PIS系統控制中心發送的數據，及時回應相關的請求。ECC設備負責對全線EUHT系統設備實施嚴格的網絡管理并予以狀態維護，ECC、EDC設備借助安設在中心的EDU和地面EDU完成同軌旁設備的網絡連接。

（2）車站EDU設備。該部分主要負責和其他車站進行數據交換，配合ECC抑或是單獨完成本站管區內軌旁設備的接入和認證管理，同時進行嚴格的狀態監控，和其他車站進行數據交換。

（3）軌旁EUHT基站單元（EUHT Base station Unit，EBU）設備。該部分主要負責車地雙向數據的無線傳輸。EBU設備的核心參數包括：通信頻點5GHz～6GHz，可進行配置；發射功率20 dBm（支持256QAM），允許自動功率調整；自動切換：延時少于40 ms，切換成功率高達99.99%。

（4）車載設備。該部分包括2個組成部分，其一是EUHT接入單元（EUHT Access Unit，EAU）設備，其二是EUHT服務單元（EUHT Service Unit，ESU）設備。EAU設備主要負責同軌旁設備的無線數據進行雙向高效傳輸，ESU 設備主要負責流量動態均衡、多業務接入和業務優先級控制。

3.3 LTE 技術的應用

某鐵路站場無線通信的工作模式以模擬對講為主，占用的頻率資源較多，系統功能并不豐富，不能實現和鐵路信息化要求相吻合的數據傳輸功能，無法創建形成運行、管理以及維護均趨于統一化的綜合系統，另外，無法基于此研發與鐵路站場業務實際需求相吻合的功能，不能確保發展趨于綜合化、信息化和數字化。為有效解決上述問題，相關人員以LTE技術為基礎設計了完善的解決方案，使頻譜利用率顯著提高，有效削減了整體建設和運維需要投入的成本。同時表現出多業務承載、互聯互通技術路徑多、安全性強、信息集成度高等優勢，為鐵路智慧站場的建設提供了極其強大的技術支持[6]。

現階段，以LTE為基礎的解決方案創建的智慧鐵路站場的數字化平調系統和4G 智慧鐵路站場智能貨檢系統都在全國各個火車站投入了使用，全方位實現了無線接入系統能用于承載語音、數據、圖像通信業務的要求。

4 鐵路無線接入網未來的發展趨勢

伴隨著改革逐漸深化和社會信息化的不斷發展，不單單要求鐵路通信網保護鐵路安全運營的通信功能更加強大，以此來滿足高速列車的通信要求，同時要以鐵道部的全程全網的突出優勢，大力發展電信增值服務和運營與我國電信業務范圍相同的電信業務，讓乘客和網絡覆蓋區的人們獲得更加便利的信息服務。為乘客提供鐵路客貨運輸信息、訂閱火車票等各種服務，在列車上便可以享受網絡帶來的語音、視頻、傳真及Intemet等服務。

除此之外，應該借助先進而成熟的移動通信技術合理地改造升級鐵路通信網，創建全新的、先進的通信系統。就有線接入方面而言，國內的客運專線正處于迅猛發展的狀態，高速鐵路綜合調度系統為了確保其先進性也少不了數字網絡技術的重要支撐。由于站與站之間存在較大的站間距，因此這種情況下應當適當引入區間接入技術。列車運行控制系統內的各種信息需要借助光纖網絡實現傳輸和通信，不同類型的非通話信息也在隨時代的發展而快速發展，這些都要求更大的光纖容量。就多波長光網絡技術方面而言，支持全光網絡的技術正處于飛速發展的狀態，這也能夠為鐵路通信網絡予以極佳的技術參考。

鐵路通信網的發展應當是朝著和公用網有效融合的方向，同時實現和公用網的高度統一，促使用戶不管是在行駛的列車上，還是在鐵路網的全面覆蓋的區域，都可以借助鐵路通信網展開便捷的信息交流，如電話聯系、寬帶的數據通信和圖像傳輸、Intemet接入等。但是若要達到上述要求，單憑集群移動通信系統是無法實現的，GSM-R和現有的碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA） 技術亦無法實現。就現今的發展實際情況而言，可以憑借第3代CDMA技術實現上述藍圖，鐵路通信網的無線接入部分未來的發展趨向就是朝著第3代的CDMA方向發展。但是這里需要強調的是，并非是第3代的 CDMA技術百分百能夠直接實現日后鐵路無線接入系統的各項先進功能，這類似于GSM-R，必須要把鐵路通信應當配備的功能（如群呼、組呼、優先級別、強插、強拆等功能）和該技術進行有效的融合，創建具備鐵路通信獨特要求的公用無線通信接入網。

5 結 論

總而言之，鐵路通信工程當中的無線接入網技術是現階段非常受歡迎的一項技術，不僅對鐵路通信質量和通信效率的提高有極大的幫助，還能使社會和公司收益方面投入的成本大大縮減。無線接入網是充分保障中國鐵路工程通信的核心途徑，使得我國鐵路通信的總體水平和整體質量有效提升，不單單為我國鐵路企業創造了更可觀的經濟效益，還促進了我國鐵路工程通信技術的進一步發展。