我国铁路专用移动通信技术发展思路探讨

姜永富

（中国铁路总公司 工电部，北京 100844）

0 引言

我国铁路是国内最早应用无线电技术的行业之一。列车无线调度通信、站场无线通信和常规无线对讲通信大量应用，和有线通信技术一道，共同形成了与铁路管理体制相适应的铁路专用通信技术体系。

为满足我国高速铁路发展，铁路取得了宝贵的移动通信频率资源，发展了铁路专用数字移动通信系统（GSM-R），有力支撑了高速铁路、重载铁路、高原铁路列车调度指挥通信、高速列车运行自动控制、重载组合列车机车同步操控和青藏铁路列车控制系统等多项安全运用。历经10余年发展，全国铁路GSM-R网络架构全面形成，GSM-R无线网络与新建铁路同步建设，既有普速铁路无线列调系统逐年改造，到2018年底全国铁路GSM-R网络覆盖线路里程超过6万km。

此外，车辆车号自动识别（ATIS）、客货列车尾部风压检测、卫星导航定位（GPS）、站场调车通信、编组站自动化、编组列车速度检测、列车安全防护报警、列车接近预警、道口安全预警、施工防护报警、应急通信等，也大量采用铁路专用无线电频率或公众移动通信网络，铁路安全保障能力显著提升，无线通信已成为铁路信息化、数字化、智能化的重要技术装备，在支撑铁路运营、保障行车安全、提高运输效率等方面发挥着重要作用。

当前，中国铁路总公司提出了“交通强国、铁路先行”和“三个领先、三个提升”的奋斗目标，推进“高铁网+互联网”深度融合，结合京张智能高铁建设，确立智能高铁新的发展方向，其中宽带移动通信、物联网等先进的无线通信技术是支撑智能高铁的关键技术，为铁路无线通信技术发展带来新的发展机遇，同时也提出新的更大挑战。

1 合理选用铁路专用移动通信技术

1.1 应用场景分析

铁路无线通信的主要任务是为铁路移动应用提供语音、数据、图像的接入、传送、处理。在应用场景上，大致分为点、线2类场景。

（1）铁路站场。主要包括大型客站、编组站、货运中心、动车组和机车车辆检修场所等，为旅客乘降组织、行包装卸、旅客信息服务、客站管理和信息传送、编组站调车作业和安全监控、货运管理和信息传送、动车组和机车车辆监测检测数据传送、基础设备设施（线桥隧、通信信号、电力和供电等）监测检测信息传送等业务提供移动语音、数据和图像服务。

（2）铁路正线（包括铁路车站和区间线路）。主要为铁路行车指挥、列车运行控制、列车自动驾驶、列车安全防护和预警、动车组和机车车辆运行监测检测信息、基础设备设施状态信息、列车位置信息、客运站车间信息交互、客运乘务管理和信息传送、旅客列车车内服务和联络、养护维修、公安保卫、应急通信等提供语音、数据和图像服务。

1.2 应用业务分析

通过对铁路各专业移动通信业务需求的研究和梳理，铁路移动通信总体分为三大类业务[1-2]。

（1）行车应用业务。主要提供调度指挥通信业务，为列车运行控制（高速铁路CTCS-3、自动驾驶ATO、机车同步控制等）信息、安全防护（列尾、安全预警、列车追踪预警等）信息、调度命令（车次号校核、列车进路预告、调度命令、行车许可证等）信息、自然灾害（大风、地震等）和异物监测信息在车地间传送提供数据通信承载业务。

（2）运营及维护应用业务。主要承载各类移动体和基础设备设施监测检测信息的传送，为养护维修、公安保卫、应急通信和在途客货列车运行提供移动语音、数据和图像业务。

（3）旅客服务信息应用业务。主要是面向旅客出行、旅客服务、安全保障等方面提供的互联网接入及数据、图像传送服务，提升客运服务质量和出行体验。

1.3 频率和电波传播条件分析

（1）受无线电波传播特性限制，频率越高、路径损耗越大、传播距离越短，多普勒频移随频率和速度的增加而加大；高频段频率带宽资源丰富，承载能力强，频谱效率高。频率越低、路径损耗越小、传播距离越远；低频段频率带宽资源紧张，承载能力有限，频谱效率低。因此在不同应用场景下，要根据不同的应用业务，合理采用相应的无线电频率和适用技术。

（2）铁路正线和高速场景。根据电波传播理论分析，1 000 MHz及以下频段频率适合在铁路正线构建链状网络，在传播距离方面具有显著优势，可减少基站设置和高速移动条件下越区切换数量，可提供高质量通信服务。采用900 MHz的GSM-R基站在普速铁路平均站距为6~7 km、高速铁路平均站距为3~4 km；京沈客运专线进行的450 MHz频段LTE-R系统试验表明：在10 km站距条件下，小区边缘覆盖电平为-90~-100 dBm，在基站间距6~7 km条件下，小区边缘覆盖电平为-80~-90 dBm，可以满足系统最小接收电平要求，并且在不同速度条件下电波传播特性呈现接近一致的特点。

目前，5G系统规划使用2.6、3.5 GHz等高端频率，电波传播距离更短，为实现5G的大带宽、高速率、低时延技术特性，基站平均间距仅为300~500 m，如用于铁路正线覆盖，基站密度将进一步增大，基站布设选址难，配套光缆、供电和传输设备数量增加。在隧道等特殊地段，现有漏泄同轴电缆等技术无法支持高频段应用，需要使用昂贵的波导管技术延伸信号覆盖或加大基站数量，工程综合造价高，经济性差。在铁路有限的频率资源条件下部署铁路5G专网，难以发挥5G技术优势。

（3）铁路站场场景。除高速铁路通过列车外，铁路站场无线通信应用基本属于低速场景，与公众移动通信应用场景类似，铁路站场无线通信可采用点、面结合方式覆盖应用场所，可利用的无线电频率资源也更加丰富，例如1.8、3.5、5.8 GHz等分米波、厘米波频段频率，以及30 GHz以上毫米波频段频率。根据取得的频率资源，可以在铁路站场采用适用的无线通信技术适配各类应用。

1.4 网络运用分析

铁路无线通信涉及铁路行车安全，网络组织和运行需要与铁路管理体制相适应，服务于生产组织、行车指挥和经营服务。

（1）路网性专用移动通信。用于铁路运输调度指挥，必须满足铁路行车组织和列车运行要求，统一技术制式、统一工作频率、统一技术标准、统一规划部署、统一组网方式、统一业务模式，构建覆盖全国铁路各线的移动通信“一张网”，实现全网互联互通，支持各类车载通信终端、手持移动终端跨局运用。路网性专用移动通信需要国家主管部门支持和分配铁路专用的无线电频率资源。

（2）区域性专用移动通信。在铁路局集团公司范围内客货站场等场景下，分区域部署和应用的各类无线通信系统，网络组织简单，既可由相关专业部门、生产站段部署建设，也可由铁路局集团公司统一规划和部署应用。各区域可复用有限的无线电频率资源，提高频谱利用效率。在技术制式方面，既可采用通用的电信设备，也可自主研发创新，根据应用需要开发定制化系统产品。区域性移动通信需要地方主管部门支持和分配无线电频率资源。

（3）公众网行业应用。无线电频谱资源是不可再生的国家自然资源，无线电主管部门分配铁路使用的无线电频率有限，不能全面满足铁路无线通信需求。随着公众移动通信技术快速发展，利用3G/4G公网实现铁路行业应用，为铁路经营服务和各类监测检测数据、图像等信息传送提供了多种解决方案，在妥善解决网络安全、信息安全的基础上，公众移动通信是铁路专用移动通信的有益补充。

1.5 技术体制分析

4G移动通信是成熟的宽带移动通信系统，具有分布式全IP架构网络，峰值速率可高达100~1 000 Mb/s。5G技术是4G技术的延伸，用户体验速率达到Gb/s量级，频谱效率提升5~15倍。与4G相比，5G技术在人与人之间通信以外，增强了人与物、物与物之间的互联。

5G关键技术主要包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址方式、全频谱接入和新型网络架构等一系列新的通信技术。

（1）关键技术方面。一是应用大规模天线阵列，5G较4G大幅增加天线数量，进一步改善接收信号强度，实现更高的系统容量和频谱效率；二是部署更加密集的无线基站，通过超密集组网获取更高的频率复用效果；三是低频和调频混合网络，充分发挥低频覆盖广、高频容量大的优势，实现无缝、高速、大容量覆盖；四是采用SCMA、PDMA等新型多址技术和F-OFDM、UFMC等新型多载波技术、先进调制编码技术等，提升系统技术特性；五是通过终端直通技术，实现车与车、车与路、车与人的车联网通信等[3]。

（2）应用场景方面。4G技术主要解决移动宽带应用，提供增强的系统容量以及更高的数据传输效率。5G技术更加关注使用者的移动宽带应用体验，发展物联网应用、机器与机器或以机器为主的通信，支持工业互联网应用。

综合来看，4G重点解决移动广域覆盖，5G面向局部热点区域，为用户提供极高的数据传输速率和网络极高的流量密度。其中5G低功耗大连接应用场景主要面向智慧城市、环境监测等以传感和数据采集为需求的场景，数据包小、功耗低、连接数量大；低时延高可靠场景主要面向车联网、工业控制等行业特殊应用，提供毫秒级端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。

2 创新发展与应用的基本认识

2.1 宽带化、IP化演进符合国际铁路移动通信技术发展趋势[4]

2010年，国际铁路联盟（UIC）E-TRAIN 项目组发表《E-TRAIN 列车宽带通信技术现状报告》，提出“采用一系列技术在车内建立一个标准的WLAN连接并在列车与轨旁通信服务提供商间建立宽带通信链路，提升乘客对于信息应用满意度，同时在列车与地面运行系统之间的数据通信提高铁路生产效率、系统可用性和机车车辆的可维护性，并引入其他服务，例如动态订座、电子客票、在线客服、安全监测等”，报告指出“铁路基础设施和机车车辆的有效运营和管理，对管理和执行过程中实时信息的集成一体化要求越来越高。所有这些使得行进中的列车和轨旁系统之间的通信交互需求越来越多。乘客以及列车实时监测系统的数据和信息流远远超过了现有GSM-R 车地通信系统的容量。”

国际电信联盟（ITU）发布的信息移动性和宽带通信的未来发展研究报告也表明，通信服务市场将迅速地从以语音为主的服务转向以数据为主的业务，高速率和高质量的基于IP 的多媒体业务将会构成未来通信服务的共同基础[5]。

2011年，UIC在综合考虑技术和产业支撑等多方面因素后，在第7届世界高速铁路大会上明确提出，铁路移动通信系统将跨越3G技术，直接向4G技术演进发展。2013年5月，UIC在印度召开“Global Signaling & Telecom Conference”国际研讨会，对铁路宽带移动通信系统业务进一步梳理和分类，提出包括列车控制、故障诊断、维护、运营管理、调度、旅客信息服务与车上娱乐六大类业务。2013年9月，UIC提出GSM-R向LTE-R的演进策略和主要技术方案。2014年4月，UIC在第11届ERTMS国际会议上，提出LTE-R发展规划，计划在2022年前与3GPP合作完成LTE-R标准化工作，2022年形成下一代铁路移动通信标准，2022—2030年进行LTE-R工程化建设，实施GSM-R向LTE-R的演进。

2.2 宽带移动通信技术是智能铁路发展的关键技术之一

无线通信是铁路行车指挥的“千里眼”和“顺风耳”，不但能有效遏止列车“冒进”信号事故，提升运输效率，在防范车辆配件脱落、车辆燃轴、列车火灾、列车管异常、货物装载不良等安全风险方面也发挥着十分重要的作用。GSM-R技术应用以来，铁路专用移动通信质量大幅提升，同时也为高速铁路发展基于通信的列车运行控制技术、重载组合列车机车同步操控技术提供了通信保障；调度命令、行车凭证、列车进路信号状态等行车信息插上移动通信“翅膀”，直接“上车”并在司机移动通信终端上直观呈现，改变了传统的调度命令、行车凭证交递方式和“车机联控”站站呼、列列呼的作业方式，司机劳动强度显著降低，行车组织、列车控制等信息化、自动化水平得到提高，铁路无线通信也由通信保障型系统向安全控制型系统转变。

移动互联是智能高铁的重要组成部分和关键环节，是铁路信息化、自动化、智能化的基础。现有窄带GSM-R技术已无法全面满足智能高铁全面感知、泛在互联的需要，发展新型的铁路专用宽带移动通信技术势在必行。

2018年，中国铁路总公司在京沈客运专线开展了450 MHz频段铁路专用宽带移动通信系统（LTE-R）技术试验。不同速度下LTE-R系统吞吐量统计见表1。试验表明，LTE-R系统在速度350 km/h条件下，系统承载能力、传输时延等各项技术指标远远优于GSM-R系统。450 MHz频段频率传播距离远，抗干扰能力强，通过设计优化可以共享GSM-R系统机房、电源、通信铁塔等基础设施条件，降低工程造价[6]。

试验系统同时测试验证了分组传送网（PTN）、基于SDH的增强型多业务传送平台（MSTP+）等承载网技术，为后续工程应用积累了经验。

表1 不同速度下LTE-R系统吞吐量统计 Mb/s

3 推进创新发展的基本思路[7]

3.1 坚持自主创新发展

在铁路宽带移动通信技术方面，我国铁路持续跟进UIC发展计划，与发达国家铁路同步开展了相关技术研究，并且在试验验证、产品开发、标准体系建设等方面处于相对领先的水平。坚持自主创新，加快推进我国铁路专用移动通信技术研究和部署应用，对保持我国铁路技术领先优势，引领铁路移动通信技术进步，推动我国铁路装备“走出去”具有重要意义。

3.2 科学规划专用移动通信频率

铁路运输具有点多线长的特点，为支撑铁路行车安全业务应用，铁路专用移动通信必须沿铁路线无缝覆盖铁路车站、区间线路，兼顾大型客站、编组站、货运中心、动车组和机车车辆检修场所等各类应用需求。既要解决列车高速运行时的移动通信需要，同时还要兼顾车站内客货运组织、旅客服务等需要，根据业务应用场景，有必要采用合适的无线通信技术解决不同场景、不同业务的通信需求。在不同的应用场景，要科学规划铁路无线通信系统频率，优先采用1 000 MHz以下频段，同时要兼顾我国移动通信系统的频率划分，重点研究解决铁路专用移动通信与其他无线电系统的频率兼容和共存问题，确保铁路无线电频率不受干扰。

3.3 建立和完善技术标准体系

为降低铁路专用通信研发制造成本和使用成本，铁路移动通信要充分采用国际成熟的技术标准、科技成果和产业优势，统筹兼顾技术的“先进性、适用性、经济性”，注重产业支撑和配套能力，确保铁路专用移动通信技术持续发展和不断演进，按照“适用性、经济性为主，保持适度的技术先进性”的原则推动铁路专用移动通信技术发展。2019—2020年计划在系统方案、产品制造、检测检验、互联互通、业务应用、工程设计与施工验收等方面制订一系列铁路专用宽带移动通信技术标准，全面支撑铁路新一代移动通信系统建设和运用维护。

3.4 掌握关键技术创新关键技术装备

铁路专用宽带移动通信系统频率确定后，要结合具体频段做好相关设备和技术的优化调整。一是调整无线基站射频滤波器、部分软件，提高接收机灵敏度和抗干扰性能，实现与其他无线电系统的频率兼容和共存；二是适应铁路装备和运用要求，研发多制式、多频段的车载通信模块，满足铁路移动体通信运用；三是优化车载天线技术，开发适用于铁路机车、高速动车组的宽带车载天线，减少车载天线数量，构建车载综合无线接入平台；四是研制网络关键技术装备，满足铁路调度指挥通信业务需要；五是适应修程修制改革和大数据应用等需要，开发适用于现场人员的智能型手机终端和APP应用，提升移动信息化应用水平；六是研究网络建设实施方案、业务迁移方案、隧道无线信号延伸覆盖方案，并适时开展工程示范线建设，为规模应用积累经验。

3.5 构建铁路综合无线信息接入与应用平台

各国铁路发展实践表明，铁路无线通信应用多样化、技术多样化、频率多样化，铁路取得的各类频率资源有限、带宽小，新老系统长期并存，全面实施技术改造时间长、投资高、难度大。新的系统部署时，在更先进的技术应用驱动下，管理者面临新的技术选择。

全IP 网络和IP 多媒体服务是未来通信技术的主要趋势,异构的无线接入网整合趋势显而易见，这种趋势不仅在公众移动通信网络适用，铁路专用移动通信网络也同样面临整合。

面向铁路各种应用需求，针对现有多种技术体制的无线网，铁路下一代移动通信应以LTE-R为基础平台，融合无线局域网（WLAN）、超宽带无线局域网（EUHT）、站场宽带无线接入系统（LTE）、窄带数字无线电（DMR）、物联网（IoT）、5G等多种制式的无线接入方式，构建铁路综合无线信息接入与应用平台即铁路专用移动互联网技术平台，通过一体化综合无线接入平台，实现各类移动体信息的互联互通、融合处理，支持不同应用场景、不同业务需求。

3.6 营造良好的发展环境

（1）铁路无线通信技术发展离不开科研单位、制造产业的支撑，在铁路专用频率明确后，要联合相关机构和企业在核心芯片、关键技术、重要装备等方面取得重大突破，增强我国铁路专用移动通信国产化、自主化配套能力，壮大产业链，增强发展后劲。

（2）要深化铁路与电信企业合作，补足铁路专用移动通信资源不足的短板。铁路难以取得充足的无线电频率资源，在网络建设上短时间内也无法形成全面覆盖，因此，需要借用公众网4G/5G网络和物联网，支撑铁路站段生产调度指挥和安全管理、应急通信、基础设施检测和状态信息回传等各类应用。

（3）加强无线电频率保护，为铁路专用移动通信发展创造良好的电磁环境。铁路专用移动通信事关铁路行车安全，铁路运输企业要联合地方无线电主管部门、电信企业，落实铁路专用无线电频率保护工作长效机制，加强无线电干扰监测能力建设，及时处置各类无线电干扰事件，确保铁路无线通信环境长治久安。

（4）大力推进国际电信联盟铁路频率议题研究，为铁路无线通信业务争取国际地位，保证铁路用频需求，在国际标准层面明确铁路专用移动通信技术特性、操作特性，建立无线电频率干扰协调规则。

4 结束语

综合分析国际、国内铁路无线通信技术发展趋势，立足当前先进成熟的通信技术，加快推进我国铁路专用移动通信技术已具备良好的内外部条件。抓住我国智能铁路快速发展的有利时机，准确把握铁路应用需求，积极争取铁路专用无线电频率资源，创新发展我国铁路专用移动通信技术，对助力智能高铁又好又快健康发展具有重要意义[8]。