铁路无线通信系统安全设计的方法及途径

中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司乌鲁木齐通信段 庄艳霞

时代的进步和发展,在铁路通信规划布局上,无线通信技术成为当前铁路通信建设的核心趋势。本文在观点分析的过程中,结合当前我国铁路无线通信技术的应用现状,就目前在铁路无线通信布局过程中采用的450M无线列调系统、GSM-R铁路数字移动通信系统等,分析不同系统的内涵基本结构布局,在进行铁路无线通信布局过程中的功能表现以及特点等,指出目前我国在铁路无线通信布局过程中存在的问题,并结合问题给出针对性的问题改善对策。结合论文观点分析,就我国铁路无线通信技术未来的发展趋势进行了展望。

从20世纪50年代开始,我国在铁路规划的过程中正式引入了无线通信技术。最初为无线列车调度系统,其为150M和450M的单、双工或单双工兼容的通信系统,随着技术的升级,而后推出了450M无线列调系统[1]。2000年,我国在铁路无线通信方面,开始引入GSM-R系统。经过多年的沉淀和发展,目前我国在GSM-R系统开发上也实现了技术的进一步升级发展,至少完成了几十个核心网节点的建设。而今,我国能够充分结合铁路运营的需求,尽可能实现相应资源的优化配置,引入更多先进技术,充分推动铁路无线通信系统(如图1)的优化和完善,促使在布局的过程中更好契合当前铁路无线通信系统建设的需求。

图1 铁路无线通信系统基础模型Fig.1 Basic model of railway wireless communication system

1 当前铁路无线通信的问题

随着高速铁路的不断发展,其也对铁路无线通信技术研发提出了更高的要求。虽然既有的无线通信技术在一定程度上能够基本满足铁路无线通信的服务需求,但是结合高速铁路的发展趋势,以及立足长远发展视角来说,显然既有的铁路无线通信技术在应用上依然存在较多的问题。主要体现在:

1.1 突发性干扰问题

由于当前铁路无线通信系统为充分确保高速铁路运行过程中依然可以实现较为出色的无线通信服务支持,所以在进行通信技术表现上,采取的是宽带通信。这种通信方式有较宽的频谱,有较为出色的传输速率。为此这也导致在铁路无线通信的实现上,既有的无线通信技术应用可能会有较大的干扰存在。

此外从高速铁路的建设布局现状来说,为了充分满足高速铁路运行需求,在过程中一般会有较多的电气设备搭载,这也很容易有相对复杂的电磁干扰产生。由于较多的电气设备使用,以及在过程中电气设备产生的脉冲干扰,均会对无线通信系统性能表现带来消极影响,产生信号干扰。

1.2 频繁信号切换容易出现掉线

既有的高速铁路无线通信系统在系统的建设和规划上,为了保证不同区域始终能够有较强的无线信号覆盖,通常在进行无线信号收发的过程中,由于邻近区域之间信号存在重合,这也会导致移动设备在检测到无线信号后会自动完成信号的切换。

由于高速铁路一般有较高的运行速度,为此在列车运行的过程中由于有较快运行速度,导致信号切换的间隔更短。在这种情况下,若是信号切换的时延比系统进行传输数据处理时延更小情况下,就容易导致出现数据传输丢失的问题。

1.3 多普勒扩展问题

若是在无线通信系统运行的过程中有较大的多普勒频率,这也就会致使在信号传输的过程中,信号接收端下已经完成变频的基带信号有频偏的额情况发生。在这种情况下,导致信号是真情况发生。由于信号失真,不仅不利于信道的均衡布局,同时也可以对相应解调性能产生消极影响,不利于通信品质保障。

为此对于铁路无线通信技术的应用而言,在进行无线通信系统布设过程中,不同径对应的多普勒频移有所差异,所以这也导致移动终端设备在进行相应无线信号检测上会有较大的实现度,不利于无线通信服务品质的保障。

1.4 无线信道加剧

高速铁路运营过程中,其会有较快的信道移动情况。在这种背景下,对于无线通信技术也提出了更高的要求。若是在无线信道移动的过程中,移动台周边反射体以及散射体存在相对运动,那么此时就会加剧无线信道。这不利于无线通信品质的保障。

2 铁路无线通信的核心技术分析

在高速铁路飞速发展背景下,对铁路无线通信技术研发也提出了更高的要求。目前来说,结合高速铁路无线通信服务需求,当前在无线通信系统建设上常用的技术主要是无线宽带信道建模技术、多天线技术以及无线资源管理优化技术、组网技术等。结合不同技术的整合应用,为改善高速铁路无线通信品质起到了一定的推动作用。

2.1 无线宽带信道建模技术

为了改善高速铁路无线通信服务品质,可以通过模拟高速铁路无线通信环境,今习惯宽带信道模型的建立。综合运用理论以及实践数据分析,利用模型就高速铁路无线信道性能表现展开分析。诸如在过程中是否存在信号衰落或是信号路径损耗等情况,以及是否存在多普勒扩展、多径效应冲击响应等。借助模型分析,找寻高速铁路环境下无线信道宽带通信性能的核心影响要素,基于此合理进行相应无线通信技术的筛选,确保所使用的无线通信技术能够充分契合高速铁路无线通信服务需求[2]。

实际上在进行高速铁路无线通信系统(如图2)建设上,借助信道建模技术的引入,能够确保在获取到铁路无线通信的相关数据信息后,直接将数据输入到模型中。借助模型完成数据的分析,总结现有无线通信系统设计存在的问题。并结合问题进行相应的设计调整,将完成调整后计算获取数据输入模型,进行改进方案的验证。通过这种方式进行无线信道建设分析,不仅可以确保所规划的无线信道能够充分契合铁路无线通信服务需求,还可以有效节省成本,降低由于前期规划失误导致无线信道规划和铁路无线通信服务需求不一致情况发生的概率。

图2 铁路无线通信系统架构Fig.2 Railway wireless communication system architecture

2.2 多天线技术

即我们所说的MIMO、智能天线等技术应用。其中就MIMO技术在铁路无线通信方面的应用而言,其可以基于线性或是非线性预先编码方式有效进行不同区域空间的分集,或是达成空分复用,通过这种方式确保在进行无线信道的建设上能够有更为可靠的应用保障,进一步改善信道的容量。而智能天线技术指的是在进行技术应用上,借助智能天线实现对指定用户的精准跟踪,这有助于保证在无线信道规划上合理减少干扰情况的发生概率,从而保证所规划的无线信道有更大的系统容量。

结合高速铁路目前无线通信技术的应用现状,既有的技术已经难以满足高速铁路发展需求。所以要立足既有技术基础实现技术的升级,并引入更多先进技术。通过这种方式,促使既有的无线通信技术能够通过改进充分契合高速铁路对无线通信服务的需求,更好的确保在进行高速铁路无线通信信号覆盖区域实现精准规划,合理利用空间,以有效提升无线通信的可靠性和安全性。

2.3 无线资源管理优化技术

考虑到高速铁路的环境特点,在进行无线通信资源的管理方面,要重视信号切换、资源调度以及干扰协调等相应技术的进一步优化。唯有不断的进行资源管理的优化,为铁路无线通信服务践行提供更高效和更合理的资源配置,这也是改善铁路无线通信服务品质的基础。

随着我国铁路运行速度的不断提升,要求在铁路无线通信技术的应用上,要充分确保不同区域间信号切换有较高的成功率,降低由于信号切换失败导致的数据信息传输受阻,甚至是所传输的数据资源丢失的情况发生。

2.4 组网技术

不管是铁路,亦或是其他场景,要想实现无线网络覆盖,就必然要涉及到组网技术。当前我国在无线网络组网方面已经有相对成熟的技术支撑。但是对于铁路无线通信组网实现来说,考虑到铁路无线信号所覆盖环境的复杂性,要求我们必须结合既有的组网技术,融入铁路无线通信网络组网要求,实现既有组网技术的升级发展,使其更契合铁路无线通信网络组网的要求。

需要结合高速铁路运行情况合理进行既有无线宽带组网技术的升级和创新,结合铁路无线网络使用需求,针对铁路车站地面骨干、蜂窝望楼哦和列车车厢内部局域网进行联合组网,确保组网的高效、可靠,充分保障无线通信过程中有更低传输时延,通过既有资源整合利用,达成最优组网效果。

3 未来铁路无线通信的发展展望

通过对当前我国铁路通信技术应用的现状分析和解读,在铁路运营的过程中,要求所使用的通信技术能充分确保在列车高速运行状态下,借助通信技术应用依然可以实现高速运行列车相应数据信息的精准获取,并能够满足列车视频监控需求,合理进行列车运营组织,并能够通过通信技术及时发现铁路在运行过程中存在的故障信息,快速完成故障的诊断和排除。此外从铁路乘客需求角度来说,要求在通信系统布局上,通过搭载先进通信技术,能够充分满足乘客使用移动互联网的需求。

虽然当前我国在铁路无线通信技术的研发方面已经取得了一些成绩,但是既有成绩的取得相较于飞速增长的铁路无线通信服务需求来说,依然有较大的改善空间。随着铁路运行速度的不断提升,未来要求在铁路无线通信技术研发上,要充分满足更快运行速度下依然能够实现安全可靠的无线通信服务,保证数据传输的高效和准确。所以立足技术研发视角,未来相应的研发人员在铁路无线通信技术的研发上,其不仅要有较高的运行速率、较低的时延以及较为出色的使用安全性和可靠性[3]。这也是铁路无线通信未来发展的必然趋势(如图3)。

图3 未来铁路无线通信系统的模型Fig.3 Model of the future railway wireless communication system

引用

[1] 铁道部运输局.450MHz调度命令无线传送系统主要条件(V.4)[S].2005:4.

[2] 钟章队,黄吉莹.我国铁路GSM-R的发展研究[J].中国铁路,2006(11):12-14.

[3] 沈嘉.LTE-Advanced关键技术演进趋势[J].移动通信,2008(16):20-25.