铁路通信系统中移动通信技术的应用分析

郭亚昀，姜丽敏

（信阳航空职业学院，河南 信阳 464000）

0 引 言

随着我国高铁时速不断提升，对铁路通信系统的要求也越来越高。铁路通信系统是确保列车安全运行的重要保障，通过有线和无线通信设备，实现车地之间与车载设备之间的信息交换，从而实现运营指令的发出和执行、列车遥控和监控、故障报警等功能。

1 铁路通信系统概述

1.1 铁路通信系统组成

铁路通信系统组成主要包括有线传输系统、无线传输系统、自动信号设备、调度通信设备、行车通信设备及列车运行控制系统等，具体如图1 所示。

图1 铁路通信系统的基本组成

有线传输系统采用光缆、同轴电缆等有线传输介质，构成铁路通信传输的干线，承载大容量的业务信息，确保铁路运营指挥与行车调度信息的可靠传输。自动信号设备以轨道电路为主，采用电子和微机技术实现列车间距的自动控制保障系统。调度通信设备包括调度电话网、调度集群通信系统等，能够实现铁路运营指挥与各级车站值班人员之间的语音通信联络。行车通信设备提供列车运行途中与车站及调度中心之间的语音通信，如列车电话、调度无线等。列车运行控制系统以列车自主保护装置和自动列车运行管理系统为代表，利用计算机和通信技术监控与控制列车运行状态，保障运行安全[1]。

1.2 铁路通信系统的技术特点

铁路通信系统具有设备分散、网络复杂、业务繁多及技术要求高等显著特点。铁路通信设备布局分散，终端除设置在铁路管理机构外，还布置在全国各地的机务段、车务段、车辆段、工务段、电务段以及无数个车站、工区，形成大规模的区域网。同时，在铁路沿线每隔1 ～2 km 设有区间电话，从而满足运营和维护需求。这种高度分散的设备布置，使铁路通信系统组网难度增大。铁路通信以运输为中心，实现列车和车辆的统一调度指挥，保证运行安全。因此，在各类业务中，调度电话和行车电话最重要，通信故障时要先保证这两者畅通，决定了铁路通信的业务重心在运输指挥上。铁路通信融合有线与无线，有线通信构成主体骨干，以保证语音和数据高速稳定传输；无线通信可使运行中的列车与指挥中心实时联系，两者优势互补。铁路通信业务类型繁多，设备复杂，对通信质量要求极高，且各项业务需要准确可靠，分秒不误。因此，铁路通信网须作为专用综合网，采用多样化设备，提供丰富的通信服务。

2 铁路通信系统中移动通信技术的应用分析

2.1 GSM-R 技术的应用

铁路全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R）作为一种专为铁路通信设计的国际标准，在当前的铁路通信系统中发挥着关键作用。GSM-R 是基于全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM） 语音和数据通信标准专门针对高速移动的铁路环境进行改进设计的。图2 为某全场景的GSM-R 接口服务器测试平台。

图2 某全场景的GSM-R 接口服务器测试平台系统

相比公共GSM 网络，GSM-R 网络增加了语音组呼、语音广播以及多级静音等铁路专用业务功能。GSM-R 系统由网络子系统、基站子系统、运维子系统及终端设备组成。网络子系统包含移动交换子系统、智能网子系统及通用分组无线子系统等。具体来说，移动交换子系统负责语音业务的交换连接，智能网子系统实现业务控制逻辑，通用分组无线子系统提供数据业务[2]。系统使用主从同步机制，不同节点设备从高精度的时钟同步设备后台智能传输服务（Background Intelligent Transfer Service，BITS） 获取精确的时钟信号。基站子系统的基站控制器（Base Station Controller，BSC）则从移动交换中心（Mobile Switching Center，MSC）获取同步时钟。GSM-R 的频段规划上行频带为885 ～889 MHz，下行频带为930 ～934 MHz，可以实现不同地域和运营商之间的互操作，每个语音信道的带宽为200 kHz。GSM-R 技术在多个方面改进了铁路通信。第一，实现了语音组呼和语音广播功能，允许一个呼叫者与一个组内的多个用户同时通话，有效支持列车调度通信和运维通信。语音组呼可以实现16 人同时通话，语音广播可以向多个小区内的所有用户广播语音信息。第二，可以以2 400 b/s 的速率传输车次信息、列车停止信号等关键数据，提高运输安全性。第三，为调度员下达书面调度命令提供无线传输通道，调度命令数据传输速率可达9 600 b/s。第四，以9 600 b/s 的速率传输尾部信号监测数据。第五，以9 600 b/s 的速率传输机车信号和监控信息。第六，车地之间以9 600 b/s 的速率实现安全的双向数据通信。第七，为区间移动办公提供语音和9 600 b/s 数据通信保障。第八，在紧急情况下，可建立应急指挥语音和9 600 b/s 的数据通信。

2.2 正交频分复用技术的应用

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术是当前铁路通信系统中非常关键的一种调制技术，核心思路是将高速数据流分解为多个低速数据流，调制到多个正交子载波上进行传输。在接收端，这些正交子载波可以通过相关技术分离开来，从而减少子载波之间的干扰。OFDM 技术具有抗多径衰落和频率选择衰落的能力，可实现高质量的无线通信。OFDM 技术在铁路通信系统中的应用主要体现在列车控制系统和无线列调通信2 大方面。在列车控制系统中，OFDM 可用于实现列车与地面控制中心之间的无线通信链路。例如，在基于移动通信技术的列车控制系统中，OFDM 可用来传输列车的位置、速度等关键控制信息，从而实现列车的精准调度和安全运行。与传统的调制技术相比，OFDM 系统具有更强的抗干扰能力，可提高无线通信的可靠性[3]。在无线列调通信中，OFDM 也发挥着重要作用。它可用于无线列调电台之间的语音和数据通信，实现火车司机与调度员之间的实时互通，协调行车。与传统调制方式相比，OFDM 可提供更高速率的无线通信链路，满足列车调度对通信质量的要求。

2.3 卫星通信技术的应用

卫星通信技术原理是利用地球同步轨道卫星作为中继站，在发射端和接收端之间传输微波信号。卫星通信系统由卫星、地面控制站、用户终端等组成，具有覆盖范围广、传输速率高、抗干扰能力强及易于网络管理等优点。在铁路通信系统中，卫星通信技术主要应用于铁路主干通信网络和铁路应急通信方面。例如，用于连接铁道部和各铁路局、各铁路局之间的视频会议和数据通信以及在灾害情况下保障重要通信的畅通。具体来说，有以下几种应用。一是铁路干线卫星通信系统，主要用于铁道部与各铁路局、各铁路局之间的话音、传真、数据及会议电视等业务，实现全国范围内的铁路管理指挥。该系统采用Ku 波段卫星，每个卫星天线站配置2.4 m 口径的天线，可提供14.5 Mb/s 的数据传输能力，系统可靠性高，年平均故障时间小于50 min。二是应急卫星通信系统，主要用于在铁路主干微波通信出现故障时，迅速恢复通信链路，确保重要业务的正常进行。这类系统广泛安装在如兰新线等重要铁路干线上，采用C 波段的可携带卫星终端，可快速部署使用[4]。

2.4 无线列调技术的应用

无线列调技术利用无线电方式实现铁路运输过程中的通信指挥，主要实现车站值班人员、调度员及机车司机之间的语音通信。它工作在专用的无线电频段，可保证语音通信的可靠性。无线列调技术实现了火车运行各环节的远程无线控制，大大提高了铁路运输的安全性和效率。其主要优势有：实现远距离控制，通信范围广；构建闭环控制，执行指令反馈快速；频谱资源占用率低，系统建设和运维成本较低。无线列调技术在铁路通信系统中有着非常广泛的应用，为铁路运营的指挥调度提供了重要的技术支撑，已经成为铁路运营的“三大件”之一。其主要应用包括以下几个方面。一是车站值班人员与机车司机之间的呼叫和通话。利用无线电信号可实现远距离个别呼叫、群呼及紧急呼叫等。二是调度员与机车司机之间的语音调度指令下达。调度员可通过无线方式对机车司机下达运行指令，司机收到指令后可通过无线反馈执行情况。三是实现铁路运输过程中的监控与预警。通过无线收集机车和轨道设备的运行数据，监测行车安全，并可及时预警司机采取应急措施。四是救援过程中的应急指挥[5]。无线列调可实现快速呼叫报警，组织指挥救援工作，缩短事故处理时间。

2.5 集群通信技术的应用

集群通信技术作为一种先进的无线通信技术，在铁路通信系统中得到了广泛应用。与传统的无线电通信方式相比，集群通信技术具有信道共享、动态分配及群呼功能等优势，可以实现铁路通信系统的智能化调度和管理。集群通信技术的核心是采用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）技术实现信道的共享。不同用户在同一射频信道上以分时方式传输，即在不同的时隙上传送信息，从而实现信道资源的共享，提高频谱利用效率。与传统的频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）方式相比，TDMA 方式可以支持更多的用户接入。此外，集群通信技术可实现基站间、基站与移动台之间的无缝平滑切换，在高铁等场景中可保证通信的连续性。欧洲的泛欧集群无线电（Trans European Trunked Radio，TETRA）系统是较早应用于铁路通信的集群通信系统。TETRA 采用25 kHz 信道，可支持Voice+Data 业务，具有强大的终端访问能力和丰富的补充业务。在我国，自主研发的集群通信系统也得到应用，如新一代列调通信系统就是典型的TDMA 系统，可以支持每基站128 个信道，实现无线电全网络协议（Internet Protocol，IP）化。这类集群通信系统满足了铁路调度对语音、数据无线传输的需求。集群通信技术在我国铁路通信系统中的应用前景广阔，可以提供稳定可靠的无线通信保障，实现铁路通信系统的智能化，提高运营效率和安全性。但投入集群通信系统也需要一定资金支持，相关部门需要在投入与产出之间谋求平衡，推动集群通信在铁路通信系统中的应用，以适应铁路通信发展的需要。

3 结 论

移动通信技术为铁路通信系统提供了更高效、更可靠的通信服务，大幅提升了铁路通信的质量。铁路部门应该持续跟踪移动通信领域最新的技术进展，选择适合自身实际情况的技术方案，在移动通信技术与传统铁路专用通信技术之间找到最佳的结合方式。同时，要加强移动通信设备的维护与管理，保证移动通信网络的稳定、可靠运行。只有这样，才能推动铁路通信系统的革命性进步，使铁路通信达到一个崭新的高度。