同频同播铁路无线数字通信系统关键技术研究与应用

王耕捷

（兰州铁路局，甘肃 兰州 730000）

同频同播铁路无线数字通信系统关键技术研究与应用

王耕捷

（兰州铁路局，甘肃 兰州 730000）

针对铁路无线通信系统受限于频点不够、技术落后、组网分散等问题，开展《同频同播铁路无线数字通信系统关键技术研究与试验验证》研究，从多方位覆盖和消除通信盲区、均匀覆盖和减少干扰、提高频谱效率、多部门业务共享和节约投资、数模兼容和实现模拟向数字平滑过渡等方面分析数字同频同播技术的优点；对GPS/发射频率同步、相位同步和接收判选等关键技术进行研究，提出设计思路和方案，并在昆明铁路局实际运用，解决了现场通信盲区问题和安全隐患。

山区铁路；铁路无线数字通信系统；同频同播；通信盲区；同步技术；昆明铁路局

1 研究背景

随着铁路运输各类业务的自动化、智能化改造，对无线通信需求也逐渐增多，而铁路无线通信系统受限于频点不够、技术落后、组网分散等问题[1]，现用的无线通信设备及频率不能满足多业务共享、多基站共用少量频点、复杂地形全覆盖等使用需求，造成通信不畅。

目前，在铁路施工、固定设备维护等作业安全防护方面，普遍采用无线通信设备进行通信防护，通信不畅问题已成为威胁施工现场安全的主要因素之一。在昆明铁路局管内，由于铁路线路地处山区，隧道较多，无线通信施工防护应用领域的通信不畅问题特别突出，主要表现在以下两方面：

（1）频率资源紧张，容易相互干扰。铁路施工及设备维护单位在使用无线通信设备进行施工防护时，为使通信相互不干扰，需同时使用多个不同频率，但由于铁路频率资源紧张，现场维护作业的多个部门配置同一频率，难以避免同频相扰的情况。现有无线通信采用同频单工和点对点方式，无统一调度指挥功能，缺乏有效管理规范。

（2）山区、隧道等无线通信盲区不能有效覆盖。在桥隧占比较大的山区铁路，施工及设备维护单位一般采取公众电信运营商公网对讲或普通无线对讲机进行无线通信，两种方式在运用中存在明显缺陷。昆明铁路局管内山区铁路很多地区无公网信号覆盖，普速铁路隧道内基本无公网信号，公网对讲应用的局限性极大，很多区域无法正常使用。普通对讲机最大发射功率4～5 W，在山区及隧道内的最大通话距离只有1～2 km，无法满足长大隧道内外施工及设备维护现场的通信防护需求。因此，现场普遍采用多名防护人员使用对讲机接力传递信息方式解决信号覆盖问题，使用人力较多且信息传递不及时，存在信息走样的错误隐患并无法消除，现场作业人身安全隐患严重。

为解决上述问题，开展《同频同播铁路无线数字通信系统关键技术研究与试验验证》研究，针对同频同播技术进行研究和攻关，开发了多业务共享的同频同播铁路无线数字通信系统，并在昆明铁路局管内进行实际应用。

2 技术特点

为解决山区铁路施工及设备维护无线通信盲区的信号覆盖问题，必须采用技术成熟可靠、频率资源占用少的无线通信方式，同时兼顾投资建设成本等因素。对比多基站IP互联、数字集群通信系统、同频同播技术等主流通信技术方案后，决定采用数字同频同播技术进行组网。

同频同播组网技术是在一个区域内设立多个工作范围彼此重叠覆盖的同频基站，并利用有线或无线链路将这些基站联接起来，通过统一调度指挥，消除同频干扰，扩大覆盖范围，消除通信盲区。当多个基站收到某一对讲机发出的上行信号时，同频同播铁路无线通信系统自动选择接收信号最强的基站信号并上传至数字交换机，由数字交换机再下发至所有基站并同步播发，实现工作区域内对讲机之间的相互通信。采用有线链路方式的同频同播铁路无线通信系统网络结构见图1。系统主要优点如下：

（1）多方位覆盖，消除通信盲区。由于同频同播的技术特点，基站信号覆盖重叠区范围内的用户能正常使用通信，可根据需要设置同频同播基站，实现工作区域通信信号全覆盖，彻底解决通信盲区问题。

（2）均匀覆盖，减少干扰。同频同播铁路无线通信系统采用多个彼此信号重叠的基站，属于多点覆盖，整个覆盖区场强平均，有助于抑制干扰信号，通信效果稳定可靠。

（3）提高频谱效率。铁路频率资源紧张，IP互联、数字集群等其他组网技术为了避免同频干扰，需要同时使用十几个甚至数十个频点，而同频同播铁路无线通信系统采用12.5 kHz信道间隔，按2个时隙采用数字调制方式，获得2个6.25 kHz的有效信道带宽，能够在同一个信道空间同时传输2路语音或数据，大大提高频谱使用效率。

（4）多部门业务共享，节约投资。同频同播铁路无线通信系统能够满足铁路运输生产维修和应急通信联络的业务需求，除施工及设备维护防护用途外，日常还可作为电务、工务、供电、列尾中继补强通信联络使用，当GSM-R系统失效或应急抢险时，系统可及时升级作为应急通信联络使用，且用户使用权限等级最高，满足铁路应急通信需求。通信业务等级划分及频率规划示意见图2。

图1 同频同播铁路无线通信系统网络结构

图2 通信业务等级划分及频率规划示意图

（5）数模兼容，实现模拟向数字平滑过渡。模拟终端和数字终端可在同频同播铁路无线通信系统中同时使用，可自动判定终端呼叫类型并自动切换。用户可方便、经济地按照适合自己的计划逐步淘汰模拟终端，顺利过渡到完全数字终端。

3 关键技术研究

同频同播技术具有频率资源占用少、组网灵活方便和成本较低的优点，符合铁路现场地形复杂、通信盲区多、应用需求分散的应用实际。但由于技术手段制约，同频同播基站信号覆盖重叠区的同频干扰问题始终没有得到很好解决，极大地限制了同频同播技术的推广和运用。为实现同频同播功能，满足通信覆盖区域语音通话良好，关键是要解决同播基站重叠区同频干扰问题，必须对同频同播铁路无线通信系统的频率、相位作严格控制，确保达到各基站发射频率、音频延时和发射音频波形的基本一致。

3.1 GPS/发射频率同步技术

如果发射机到达重叠覆盖区的载频信号频率不稳定，对讲机收到信号时会出现剧烈的噪声或拍频现象，严重时语音时断时续，无法通信。因此，必须采用载频同步控制技术。如果各基站的载频频率误差达到50 Hz以上，模拟电台可听到交流哼声，因此各基站的载频频率误差必须控制在25 Hz以内[2]。

为实现载频的一致性，一般每个同频同播基站需要配置一个GPS卫星时钟，由卫星时钟延伸出一个中继台需要的10 MHz模拟本振信号源，将其传输至基站，达到各基站载频基本一致的目的。但在实际应用中，由于多个GPS卫星同步控制器相互之间存在误差，致使模拟同频同播基站的实际同频效果不佳，如果需要多信道的集群同播，10 MHz基准信号的分配将进一步恶化射频指标，并引入大量不稳定因素，实际效果大打折扣，难以实现同频目的。

为实现良好的同频同播效果，应将各基站发射机的载频稳定性提升到小于10 Hz。这个载频稳定性的要求极高，按常规电路设计的对讲机无法达到这一指标。因此，基站设计应按10 Hz要求设计发射电路，从硬件电路上保证基站载频的稳定性；同时改为仅配置1个GPS卫星时钟，通过有线链路将时钟信号传输至各基站，各基站采用计算机汇编软件实现数字化同频处理的底层控制，将GPS时钟进行精确分频，作为各基站的本振信号源。通过优化数字同频同播架构的整体设计，基站载频稳定性达到每12.8 MHz误差不超过±0.1 Hz的校核标准，即载频为400 MHz时，可将下行频率误差控制在400/12.8×0.1=3.125 Hz，解决了载频同步难题，实现了实用的同频同播性能。时钟同步系统示意见图3。

图3 时钟同步系统示意图

3.2 相位同步技术

由于信号传送到各基站的距离不同或链路形式不同，到达重叠覆盖区的音频相位、幅度将出现不一致，控制不好会出现语音错误、丢字、语音变调、音频失真大等现象。音频相位、幅度不一致是由延时导致，因此必须严格控制音频延时，理想状态是到达重叠覆盖区的波形应基本重叠。同频同播需要将语音延时控制在25 µs以内，一般是采用模拟音频延迟线或采用数字化芯片将音频存储延时的方式实现[3]。因传统技术必须依靠人工调整同频同播区音频延时，实际控制离散性大，精度始终达不到最佳要求，实用性受到很大限制。

针对上述问题，研发了基站内置的高速数字化处理模块自动适配GPS时钟信号，实现语音延时的高速自适应调整，调整精度大幅度提高，实测达到1 µs以内，延时对语音清晰度的影响已可忽略不计，实现了警用数字中继（Police Digital Trunking，PDT）、数字移动无线电（Digital Mobile Radio，DMR）数字集群、常规同播。相位同步技术示意见图4。

图4 相位同步技术示意图

3.3 接收判选技术

同频同播铁路无线通信系统工作时，多个基站经常会收到同一对讲机音频信号，如果将这些信号全部转发出去，会出现多个音频叠加，导致对讲机收到的音频背景噪声大和失真大，因此必须增加接收判选功能。

如果覆盖区内的多个基站同时收到某一对讲机信号，基站控制器将根据接收信号质量自动进行优化判别，选定其中信号质量最好的1个基站信号上传。如果遇到2个基站信号质量不相上下的特殊情况，则随机选择其中1个基站的信号上传，始终保证相同时间只有1路信号上传，并通过链路下发至各基站转发，确保另一方收到的语音始终清晰。

4 系统应用

4.1 设置方案

昆明铁路局管内广通—昆明改建铁路的禄丰南—双湄村站区间，西起楚雄州禄丰县禄丰镇，东至安宁市双湄村。区间线路长27.7 km，有2条较长的双线隧道——三棵树隧道（7.375 km）和秀宁隧道（13.173 km）。区间施工作业时，原无线通信方式只能保证1～2 km的信息传递，需要多人进行信息中继，安全隐患很大。

为解决该区间施工及设备维护时安全防护通信困难的问题，根据现场情况，经过场强模拟测算和现场测试试验，按照实现区间信号全覆盖的目标设计，在禄丰南和双湄村车站通信机房内安装2套车站基站及4副全向天线，在三棵树隧道安装了2套壁挂式基站及4套定向天线，在秀宁隧道安装了3套壁挂式基站及6套定向天线，各基站通过光纤采用有线链路连接。三棵树隧道和秀宁隧道基站设置示意见图5和图6。

4.2 实施效果

同频同播铁路无线数字通信系统应用以来，经过现场测试，其性能指标满足设计要求。昆明铁路局广通工电段试运用取得以下效果：

（1）在27.7 km（包括隧道区间）内实现与车站无线对讲无盲区。车站防护人员使用同频同播铁路无线通信系统数字对讲机可随时呼叫到双湄村—禄丰南区间的施工作业人员，可以快速、准确地传递防护信息，操作简便，话音清晰，很好地解决了山区铁路无线通信不畅的问题。

图5 三棵树隧道基站设置示意图

图6 秀宁隧道基站设置示意图

（2）节约频率资源，减少同频干扰。采用1对频率即可同时满足4组作业人员的通信防护，各组之间互不干扰，大大节约频率资源，在铁路频率资源紧张情况下作用十分明显。

（3）经济和社会效益显著。由于通信畅通，无需增加人工进行信息接力，各专业在区间隧道内开展施工或设备维护作业时，每次可平均减少4～5名防护人员，大大节约人力资源，明显降低了施工防护作业人员的劳动强度，施工和维修作业过程中的作业安全和人身安全得到保证。

5 结束语

山区普速铁路施工和设备维护作业安全防护采用传统普通无线对讲方式，受到环境制约、频点限制和同频干扰等影响，必须依靠大量人力接力传递信息才能确保防护区域通信覆盖，存在严重安全隐患。同频同播铁路无线数字通信系统能够有效消除同频干扰，组网方式可采用有线链路或无线链路方式[4]，具有覆盖广泛、通信质量优良、节省频率资源和成本低等优点，是解决山区多隧道铁路区段施工和设备维护作业安全防护通信的先进和适用技术。该技术还可用于数字列尾无线通信弱场信号补强、数字平调无线弱场通信补强等领域，并可在我国铁路“走出去”战略中，作为某些低成本铁路列车无线调度通信设计方案，应用前景十分广阔。

[1] 田桂花. 浅谈无线通信技术的发展[J]. 价值工程， 2010(22)：151-152.

[2] 郭俊利. DMR同频组网的相干区设计[J]. 无线电工 程，2014(5)：5-8，67.

[3] 赵媛媛. DMR中转台转发协议的研究与实现[D]. 西 安：西安电子科技大学，2011.

[4] 路昊. 无线数字链路在应急同播通信系统中的研究 与应用[J]. 移动通信，2014(18)：50-53.

Research and Application on Railway Wireless Digital Communication System w ith Common Frequency Broadcasting

WANG Gengjie
（Lanzhou Railway Administration，Lanzhou Gansu 730000，China）

In view of the problems such as inadequate frequency points, backward technology and decentralized network, the research subject naming "Research on, Test and Verification of Key Technologies of Railway Wireless Digital Communication System with Common Frequency Broadcasting" is conducted, so as to analyze the advantages of digital common frequency broadcasting technologies in the fields such as covering and eliminating communication blind zone, promoting uniform coverage, reducing interference, improving spectral efficiency, multiple department service sharing, saving investment, digital/analog signal compatibility,smooth transition from analog to digital. Meanwhile, researches are carried out on key technologies like GPS/transmitting frequency synchronization, phase synchronization and judgment & selection of receiving signal.Then, design idea and con figuration plan are put forward and applied in Kunming Railway Administration, which eliminates communication blind zone and potential safety hazard.

railway in mountainous area；railway wireless digital communication system；common frequency broadcasting；communication blind zone；synchronization technology；Kunming Railway Administration

U285

A

1001-683X（2017）09-0058-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.09.058

中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2015X001-E）

王耕捷（1964—），男，高级工程师，硕士。E-mail：ynwang@sina.com

责任编辑 卢敏

2017-08-26