铁路通信工程中无线接入技术研究

于景伟

（中铁十九局集团电务工程有限公司，北京 102600）

0 引 言

在交通领域中安全性、高效性以及稳定可靠性成为了现阶段最新发展标准，铁路作为不可或缺的一种交通形式，其发展也逐渐慢慢向上述标准靠拢。为了达到这一标准，首先要有效解决铁路通信的流畅问题，使铁路通信网络更加优化、更加合理、更加科学，确保铁路通信网络可以在高速运行的铁路交通运输过程中快速而准确地传递服务信息，以便乘客们可以在第一时间了解铁路信息，让铁路的运输效率得到显著提升。在铁路通信中借助现代科技技术可以创建快速而稳定的铁路通信网络系统，让乘客轻而易举地获得需要的信息服务，为了成功实现这一设想，则不能再采用原有的铁路有线技术，应当引入无线网络通信技术，立足于根本使铁路通信网得以升级和优化，使通信工程得到全面的改变。

1 无线接入技术

无线接入网是指接入网的部分或全部采用无线电波传输介质来实现连接交换机和终端。无线接入网用户的接入点可以是移动的或固定的。无线接入网根据使用方式可分为固定无线接入网和移动接入网两大类。固定无线接入网为固定位置的用户或仅在小范围内移动的用户服务。移动接入网主要为位置需要在较大范围内移动的用户服务。移动接入技术可以分为集群接入和蜂窝接入2种。其涵盖3大部分，一是控制器，二是基站，三是用户终端设备。应用技术一般包括3种，一是微波一点多址技术，二是蜂窝技术，三是微蜂窝技术。无线接入最突出的优势是灵活性强，便于建设，因此得到了大范围的应用[1]。

2 铁路通信工程无线通信技术的特征

2.1 覆盖范围广

我国地域广阔，资源丰富。铁路沿线绵延万里，在全国各个地方均设立了铁路管理局，在任何线路上运行的火车、高铁等到达任何地方均需接受当地铁路管理局的管理。但是不同地方的铁路管理局在人员管理、工作要求、工作模式等诸多方面都存在明显的差异，虽然设计了统一的规范标准，但是在具体应用时还是因为地方文化存在或多或少的差异，在这种客观因素的影响下，致使在原本建设的线路上对通信设备予以升级优化的工作频频受阻[2]。在正式建设无线通信之前，应当对相关建设标准予以统一，对于计划接入的无线通信网创建一套标准的、完善的呼叫流程，明确规定由主控中心对网络地址和所有的路由设备予以严格的通信管理，通过上述管理模式和一系列的规则能够使铁路无线通信的运行效果得到显著的提升，确保通信可靠而顺畅。

2.2 数据传输效率高

我国已经初步建成了无线通信系统，在所有的火车、动车以及高铁当中无线通信设备已被大量使用，无线通信设备的无线电台功能能够保证列车在高速运行的过程中准确而清晰地接受到语音传输信息，且能够获得明显的功率效果，使得列车上的服务和管理都得到明显优化。在大数据时代背景下，铁路通信也可以借助大数据的优势而使自身功能变得强大，目前增加的无线通信设备能够实现数据传输功能，在运行时能够把无穷无尽的列车信息分门别类予以收集归纳，参照数据的具体类别实施统计，数据经统计完毕就会分别传输至监管部门以及铁路调度部门，所获得的通信效率极高。另外，列车在高速运行的过程中，还能够实时动态监控安全问题，确保每一次出行足够安全。

2.3 适应性强

铁路工程的复杂程度可类比于其铁路线路，内容繁杂。铁路工程的运营内容涉及的方面十分广泛，且受到诸多因素的影响。另外，铁路工程系统必须要依靠多方面的大力支持方可实现，在这之中，车务、工务、电务、水务每一项都发挥着重要的作用。由于所牵涉的合作部门广泛，针对铁路通信的无线网络的具体需求不同的部门因自身工作性质的不同而存在一定的差异，不单单是需要保障铁路无线通信的实际运行效率，还必须确保能够适用于不同的部门，具有极强的适配性，方可让所有部门的工作如期展开，只有这样，铁路工程这一个庞大而复杂的运行系统方可按部就班地开展工作管理。

3 无线接入技术在铁路通信工程中的应用

3.1 GSM-R 技术的应用

（1）铁路综合数字移动通信系统（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R）技术 理论。GSM-R技术的诞生，是以蜂窝通信系统为基础研发的，新增了一项调度功能，满足了列车在高速运行的状态下对无线通信的实际需求。GSM-R技术和公网全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）技术有相似的地方，因此也可以说GSM-R是对GSM技术的一种借鉴，而且沿用了GSM技术当中绝大部分的通信结构，基于此，充分考虑铁路通信服务的实际需求，针对性地开发了一些新的功能，以达到铁路无线通信更多的要求。就目前铁路无线通信而言，GSM-R技术得到了十分广泛的应用，而且应用效果非常可观[3]。

（2）GSM技术的网络功能及结构组成。立足于铁路通信网络来看，大部分情况下会受到一定程度的制约，传统无线通信也无法避免受到这些制约的影响，不能完成互联。但是得益于GSM-R无线网络技术逐渐投入使用，这种受制约的网络依然可以完成互联，这在很大程度上提高了网络的互通性。立足于GSM-R无线通信网络来看，这项网络结构相对简单，通常包括3个子系统：其一是基站子体系、其二是操作维护子体系、其三是网络子体系，每个子系统间可以顺利实施数据传输和通信。基于GSM-R网络环境当中可以实现多项功能，包括呼叫处理、紧急呼叫、短消息、信令信息加密等。GSM-R技术除了可以实现上文提及的基础功能以外，还可以实现蜂窝系统操作，因此在列车实施位置等级、切换等各种操作的过程中，可以保证整个操作快捷而方便。

（3）GSM-R 无线通信网络接入技术在铁路通信工程的应用。现阶段，在铁路通信工程当中GSM-R技术已然得到了十分广泛的应用，且在具体应用的过程中发挥着不可替代的作用。在具体应用时，GSM-R无线接入技术的常用功能如下。第一，寻址功能。这项功能在GSM-R技术提供的所有功能当中扮演着十分关键的角色，且这项功能十分强大，目前已然在铁路系统中得到了大范围的应用。如对于所有工作岗位的列车司机均编制了确定的功能号码，列车司机与功能号码一一对应，这种功能号码并不是用户的MSISND号码。倘若司机使用功能号码在系统当中进行登录操作，那么功能号码便会和系统建立通信，最终完成数据传输和语音呼叫的寻址功能。第二，调度通信功能。列车无线调度通信可归纳为2项基本形式，其一是整组呼叫，其二是点对点呼叫，但无论通信形式如何，GSM-R无线通信技术均可都达到调度要求。在实施点对点呼叫的过程中，可直接对指定的机车予以呼叫，另外，监理数据保持关联，借助无线通信，司机也能够直接呼叫区域调度员，这使得列车调度的可靠性与效率都得到了明显的优化；就整组呼叫而言，一般由调度员借助无线通信向区域内全部司机实施广播呼叫或语音呼叫，从而达到对站台实施统一协调管理的目的。第三，基于位置的路由。就不同区域调度员的指令而言，GSM-R技术均可满足，用户能够在无线通信系统内借助不同的短号码来表征各种不同的职责，在联系调度员之前，可提前设置好短号码再予以拨打，凭借系统具备的寻址功能，系统通过当前呼叫路由找到最适合的调度员。第四，紧急呼叫。在铁路系统内，紧急呼叫是一个不可或缺的组成部分，在铁路通信工程内，紧急呼叫占据着非常高的级别，一般要比广播呼叫与调度呼叫的级别高，参照移动台的操作模式可以划分呼叫的类型，移动台处于调车模式的状态下，倘若按下紧急呼叫按钮，那么此时发出的紧急呼叫指令代表的是调车紧急呼叫，另外，其他类型的紧急呼叫都可归类为列车紧急呼叫[4]。

3.2 EUHT技术的应用

增强型超高吞吐率（Enhanced Ultra High Throughput，EUHT）技术最突出的优势在于吞吐率高、移动性强、延时低、可靠性强等，因此在铁路通信工程领域得到了大范围的应用。以EUHT技术为基础的轨道交通车地无线通信系统其组成有四大部分，其一是中心、其二是车站、其三是轨旁、其四是车载设备[5]。

（1）中心设备，该部分包括3个小的部分，一是 EUHT 数据中心（EUHT Data Center，EDC），二是EUHT控制中心（EUHT Control Center，ECC），三是EDU（室内单元）。EDC设备的主要功能是与视频监控系统控制中心建立连接，接收PIS系统控制中心发送的数据，及时回应相关的请求。ECC设备负责对全线EUHT系统设备实施严格的网络管理并予以状态维护，ECC、EDC设备借助安设在中心的EDU和地面EDU完成同轨旁设备的网络连接。

（2）车站EDU设备。该部分主要负责和其他车站进行数据交换，配合ECC抑或是单独完成本站管区内轨旁设备的接入和认证管理，同时进行严格的状态监控，和其他车站进行数据交换。

（3）轨旁EUHT基站单元（EUHT Base station Unit，EBU）设备。该部分主要负责车地双向数据的无线传输。EBU设备的核心参数包括：通信频点5GHz～6GHz，可进行配置；发射功率20 dBm（支持256QAM），允许自动功率调整；自动切换：延时少于40 ms，切换成功率高达99.99%。

（4）车载设备。该部分包括2个组成部分，其一是EUHT接入单元（EUHT Access Unit，EAU）设备，其二是EUHT服务单元（EUHT Service Unit，ESU）设备。EAU设备主要负责同轨旁设备的无线数据进行双向高效传输，ESU 设备主要负责流量动态均衡、多业务接入和业务优先级控制。

3.3 LTE 技术的应用

某铁路站场无线通信的工作模式以模拟对讲为主，占用的频率资源较多，系统功能并不丰富，不能实现和铁路信息化要求相吻合的数据传输功能，无法创建形成运行、管理以及维护均趋于统一化的综合系统，另外，无法基于此研发与铁路站场业务实际需求相吻合的功能，不能确保发展趋于综合化、信息化和数字化。为有效解决上述问题，相关人员以LTE技术为基础设计了完善的解决方案，使频谱利用率显著提高，有效削减了整体建设和运维需要投入的成本。同时表现出多业务承载、互联互通技术路径多、安全性强、信息集成度高等优势，为铁路智慧站场的建设提供了极其强大的技术支持[6]。

现阶段，以LTE为基础的解决方案创建的智慧铁路站场的数字化平调系统和4G 智慧铁路站场智能货检系统都在全国各个火车站投入了使用，全方位实现了无线接入系统能用于承载语音、数据、图像通信业务的要求。

4 铁路无线接入网未来的发展趋势

伴随着改革逐渐深化和社会信息化的不断发展，不单单要求铁路通信网保护铁路安全运营的通信功能更加强大，以此来满足高速列车的通信要求，同时要以铁道部的全程全网的突出优势，大力发展电信增值服务和运营与我国电信业务范围相同的电信业务，让乘客和网络覆盖区的人们获得更加便利的信息服务。为乘客提供铁路客货运输信息、订阅火车票等各种服务，在列车上便可以享受网络带来的语音、视频、传真及Intemet等服务。

除此之外，应该借助先进而成熟的移动通信技术合理地改造升级铁路通信网，创建全新的、先进的通信系统。就有线接入方面而言，国内的客运专线正处于迅猛发展的状态，高速铁路综合调度系统为了确保其先进性也少不了数字网络技术的重要支撑。由于站与站之间存在较大的站间距，因此这种情况下应当适当引入区间接入技术。列车运行控制系统内的各种信息需要借助光纤网络实现传输和通信，不同类型的非通话信息也在随时代的发展而快速发展，这些都要求更大的光纤容量。就多波长光网络技术方面而言，支持全光网络的技术正处于飞速发展的状态，这也能够为铁路通信网络予以极佳的技术参考。

铁路通信网的发展应当是朝着和公用网有效融合的方向，同时实现和公用网的高度统一，促使用户不管是在行驶的列车上，还是在铁路网的全面覆盖的区域，都可以借助铁路通信网展开便捷的信息交流，如电话联系、宽带的数据通信和图像传输、Intemet接入等。但是若要达到上述要求，单凭集群移动通信系统是无法实现的，GSM-R和现有的码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA） 技术亦无法实现。就现今的发展实际情况而言，可以凭借第3代CDMA技术实现上述蓝图，铁路通信网的无线接入部分未来的发展趋向就是朝着第3代的CDMA方向发展。但是这里需要强调的是，并非是第3代的 CDMA技术百分百能够直接实现日后铁路无线接入系统的各项先进功能，这类似于GSM-R，必须要把铁路通信应当配备的功能（如群呼、组呼、优先级别、强插、强拆等功能）和该技术进行有效的融合，创建具备铁路通信独特要求的公用无线通信接入网。

5 结 论

总而言之，铁路通信工程当中的无线接入网技术是现阶段非常受欢迎的一项技术，不仅对铁路通信质量和通信效率的提高有极大的帮助，还能使社会和公司收益方面投入的成本大大缩减。无线接入网是充分保障中国铁路工程通信的核心途径，使得我国铁路通信的总体水平和整体质量有效提升，不单单为我国铁路企业创造了更可观的经济效益，还促进了我国铁路工程通信技术的进一步发展。