劉正自

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

目前，鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)存在兩大技術(shù)類型的4種系統(tǒng)，分別是GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)和TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)（TETRA系統(tǒng)僅個(gè)別鐵路線路試用，沒(méi)有大量推廣）、模擬制式的無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)和站場(chǎng)無(wú)線通信系統(tǒng)。其中，GSM-R和TETRA均為TDMA方式，GSM-R工作頻段為上行885～889 MHz，下行930～934 MHz，收發(fā)間隔45 MHz；TETRA工作頻段為上行806～821 MHz，下行851～866 MHz，兩種系統(tǒng)的收發(fā)間隔45 MHz。無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)采用有線無(wú)線結(jié)合的模擬方式，有A、B、C 3種制式，主要應(yīng)用的有四頻組（B1制式）、同異頻單工和同頻單工（C制式）3種，B1制式主要工作頻段為450 MHz，收發(fā)間隔10 MHz，C制式在450 MHz和150 MHz兩個(gè)頻段都有應(yīng)用。站場(chǎng)無(wú)線通信系統(tǒng)一般采用無(wú)線對(duì)講模式，各群組獨(dú)立組建無(wú)線工作組，系統(tǒng)之間沒(méi)有實(shí)現(xiàn)頻率資源共用，工作頻段為450 MHz和150 MHz。

1 鐵路無(wú)線通信數(shù)字化的必要性

眾所周知，模擬制式無(wú)線電通信系統(tǒng)存在頻譜資源利用率低、抗干擾能力差、數(shù)據(jù)傳輸能力極其有限等重大缺陷。為適應(yīng)鐵路客運(yùn)專線、高速鐵路的快速發(fā)展，鐵道部在進(jìn)行TETRA組網(wǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)深入研究和比選，最終決定選用UIC標(biāo)準(zhǔn)化組織“歐洲集成鐵路無(wú)線增強(qiáng)網(wǎng)（EIRENE）”的GSM-R。

從我國(guó)鐵路引入GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)至今，除個(gè)別干線既有普速鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)改造升級(jí)為GSM-R外，幾乎所有的客運(yùn)專線、高速鐵路全部采用了GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)。但GSM-R的推廣應(yīng)用過(guò)程并非一帆風(fēng)順，許多重大問(wèn)題逐漸顯露。

1）頻譜資源嚴(yán)重不足。國(guó)家分配給GSM-R的工作頻帶只有4 MHz，考慮到保護(hù)間隔，只有19個(gè)可用頻點(diǎn)。在5小區(qū)帶狀復(fù)用模式下，每個(gè)基站最多只有4個(gè)頻點(diǎn)；在7小區(qū)帶狀復(fù)用模式下，每個(gè)基站最多只有3個(gè)頻點(diǎn)。對(duì)于一般鐵路區(qū)間和車站而言，這些頻點(diǎn)基本夠用，但對(duì)于多線并行區(qū)間、鐵路樞紐及大型客站，頻率資源不足問(wèn)題十分突出。

2）GSM-R用于站場(chǎng)無(wú)線通信時(shí)，系統(tǒng)功能的適應(yīng)性差，系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)量大，且需要采取一定的措施解決站場(chǎng)無(wú)線通信對(duì)鐵路正線列車調(diào)度干擾的問(wèn)題（移動(dòng)臺(tái)切換到錯(cuò)誤的基站甚至出現(xiàn)頻繁切換問(wèn)題）。

3）GSM-R本身面臨技術(shù)過(guò)時(shí)和技術(shù)演進(jìn)問(wèn)題，近期演進(jìn)路線為移動(dòng)軟交換和IMS（IP多媒體子系統(tǒng)），遠(yuǎn)期演進(jìn)至基于3GPP LTE(移動(dòng)通信長(zhǎng)期演進(jìn))的第四代移動(dòng)通信技術(shù)。演進(jìn)過(guò)程中既涉及MSC的改造，也涉及BSC、基站和移動(dòng)終端的根本變革。

4）如果對(duì)使用無(wú)線列調(diào)的既有近7萬(wàn)km鐵路進(jìn)行GSM-R改造，不僅工程量巨大，而且改造資金難以落實(shí)。

解決上述問(wèn)題，可以同時(shí)從兩方面入手：一是積極向國(guó)家無(wú)委會(huì)申請(qǐng)更多的GSM-R頻率資源，但這一方案只能解決頻率資源不足問(wèn)題，且實(shí)現(xiàn)的可能性甚小。二是最大限度地保留和利用國(guó)家已經(jīng)批準(zhǔn)的鐵路無(wú)線頻譜資源，并對(duì)既有鐵路無(wú)線頻譜資源進(jìn)行數(shù)字化改造，同時(shí)采用集群技術(shù)，極大地提高頻譜資源的利用率，以充分滿足日益增長(zhǎng)的鐵路移動(dòng)通信需求；保留和充分利用既有鐵路無(wú)線頻譜資源還可以帶來(lái)額外的效益，即既有鐵路無(wú)線通信基礎(chǔ)設(shè)施（例如天饋線、鐵塔、漏纜等）可以保留利用，可以降低無(wú)線通信系統(tǒng)升級(jí)改造難度和改造費(fèi)用。

隨著無(wú)線數(shù)字調(diào)制技術(shù)、頻率共用和頻率復(fù)用技術(shù)發(fā)展，頻率資源的利用率越來(lái)越高。為鼓勵(lì)對(duì)既有頻率資源數(shù)字化運(yùn)用，國(guó)家層面出臺(tái)了相應(yīng)政策，對(duì)模擬方式的無(wú)線通信系統(tǒng)嚴(yán)加限制。因此，對(duì)既有鐵路模擬無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化變革勢(shì)在必行，也完全可行。

2 數(shù)字化技術(shù)路線選擇

對(duì)鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)，除了推廣應(yīng)用GSM-R，自然會(huì)想到TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)。TETRA數(shù)字集群不僅具備強(qiáng)大的調(diào)度通信和虛擬組群功能，而且系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)就考慮在450～470 MHz這一工作頻段，但我國(guó)規(guī)定TETRA系統(tǒng)只能使用800 MHz頻段，此外，TETRA數(shù)字集群沒(méi)有考慮150 MHz頻段的利用。該系統(tǒng)除在國(guó)內(nèi)城市軌道交通大量應(yīng)用外，僅在國(guó)鐵個(gè)別線路采用。在國(guó)鐵選擇了GSM-R之后，受頻譜資源和國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策限制，TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)不可能繼續(xù)用于鐵路移動(dòng)通信。

對(duì)工作在450 MHz和150 MHz頻段的模擬無(wú)線通信系統(tǒng)數(shù)字化改造，可供選擇的技術(shù)路線很多?？梢越梃b基于第二代技術(shù)的TETRA技術(shù)體制特點(diǎn)，也可以直接采用3G或LTE技術(shù)?？紤]到LTE技術(shù)日漸成熟，應(yīng)優(yōu)選LTE技術(shù)，但應(yīng)注意一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)是一個(gè)專用的無(wú)線通信系統(tǒng)，在借鑒公共無(wú)線通信系統(tǒng)技術(shù)時(shí)，應(yīng)注意簡(jiǎn)化系統(tǒng)規(guī)模、結(jié)構(gòu)和協(xié)議，以便系統(tǒng)的快速開(kāi)發(fā)和部署。

數(shù)字化后的鐵路無(wú)線列調(diào)和站場(chǎng)無(wú)線通信系統(tǒng)是融合還是分立，也必須做出明確的抉擇。無(wú)線列調(diào)和站場(chǎng)無(wú)線通信的使用場(chǎng)合、使用對(duì)象和功能迥異。

首先，無(wú)線列調(diào)移動(dòng)終端可能漫游至全國(guó)，且移動(dòng)速度很高，對(duì)于提速后的既有鐵路，列車最高運(yùn)行速度達(dá)到了250 km/h；而站場(chǎng)無(wú)線通信系統(tǒng)的移動(dòng)終端往往限于站場(chǎng)地理范圍內(nèi)使用，其移動(dòng)速度低，屬于“游牧”速度范圍。

其次，無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)中用戶群組很單一，主要是調(diào)度、各類值班員、各種機(jī)車的司機(jī)，還要兼顧列車尾部風(fēng)壓、調(diào)度命令和車次號(hào)校核等數(shù)據(jù)傳送；而站場(chǎng)無(wú)線通信系統(tǒng)需要?jiǎng)澐侄鄠€(gè)邏輯上相互獨(dú)立的群組，這些群組與鐵路正線運(yùn)輸調(diào)度無(wú)關(guān)，且各群組之間基本不允許通信。

有鑒于此，宜對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)分別處理，即分別開(kāi)發(fā)數(shù)字無(wú)線列調(diào)和站場(chǎng)數(shù)字無(wú)線通信系統(tǒng)。

3 數(shù)字化目標(biāo)

對(duì)既有模擬無(wú)線列調(diào)和站場(chǎng)無(wú)線通信系統(tǒng)數(shù)字化改造，應(yīng)達(dá)成如下目標(biāo)。

1）新系統(tǒng)除了必須實(shí)現(xiàn)原模擬系統(tǒng)無(wú)線列調(diào)和站場(chǎng)無(wú)線通信系統(tǒng)相應(yīng)的所有功能外，無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)應(yīng)具備GSM-R系統(tǒng)的基于位置的尋址功能（LDA）、功能號(hào)尋址、緊急呼叫等功能，站場(chǎng)無(wú)線通信系統(tǒng)應(yīng)具備多層次搶占和預(yù)清除（eMLPP），虛擬分組功能等。

2）系統(tǒng)工作頻段可以同時(shí)或分別采用450 MHz和150 MHz等頻段。

3）系統(tǒng)應(yīng)該具備靈活的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)鐵路無(wú)線通信的各種需求。

4）系統(tǒng)應(yīng)具備終端的快速接入和切換能力，力爭(zhēng)控制在1 s之內(nèi)。

5）系統(tǒng)應(yīng)具有低時(shí)延和低誤碼率，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延應(yīng)控制在100 ms之內(nèi)，誤碼率控制在10-4/h。

6）采用先進(jìn)的數(shù)字集群技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)之間頻率共用，爭(zhēng)取將頻譜資源利用率提高5倍以上；采用先進(jìn)的調(diào)制、復(fù)用和多址技術(shù)，爭(zhēng)取頻帶數(shù)字化效率達(dá)到3.5～5 b/s/Hz。

7）采用成熟的、高壓縮率的語(yǔ)音編碼技術(shù)，降低語(yǔ)音通信所需物理信道帶寬。

8）全面采用分組技術(shù)，語(yǔ)音通過(guò)VoIP方式實(shí)現(xiàn)，在保證語(yǔ)音通信質(zhì)量的前提下，提供良好的數(shù)據(jù)傳輸能力和質(zhì)量。因此，準(zhǔn)確地說(shuō)，數(shù)字化改造后的無(wú)線通信系統(tǒng)是基于包交換的無(wú)線通信系統(tǒng)。

數(shù)字化之后的系統(tǒng)應(yīng)用定位：作為GSM-R的補(bǔ)充，用于250 km/h及以下列車運(yùn)行速度的普速鐵路調(diào)度通信和鐵路樞紐無(wú)線通信，同時(shí)滿足鐵路區(qū)間移動(dòng)通信需求。

4 數(shù)字無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)總體框架設(shè)想

為便于對(duì)數(shù)字無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)總體框架的理解，首先簡(jiǎn)要介紹一下筆者先前設(shè)想的既有調(diào)度系統(tǒng)IP化方案。IP調(diào)度通信系統(tǒng)借鑒軟交換的體系架構(gòu)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分為4個(gè)層面：業(yè)務(wù)應(yīng)用層、控制層、傳送層和媒體接入層，如圖1所示。其中控制層提供各種業(yè)務(wù)的呼叫控制、連接以及部分應(yīng)用業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)僅僅停留在筆者的設(shè)想之中，尚未見(jiàn)相應(yīng)產(chǎn)品，限于篇幅，不作詳細(xì)介紹。

設(shè)想的數(shù)字無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)總體框架如圖2所示。該系統(tǒng)建立在獨(dú)立設(shè)置的“基于IP的有線調(diào)度通信系統(tǒng)”之上，系統(tǒng)的物理實(shí)體由4大部分組成。

1）位于調(diào)度機(jī)械室的無(wú)線控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)包括固定設(shè)施和移動(dòng)終端的管理、控制；對(duì)調(diào)度區(qū)劃分的管理；對(duì)移動(dòng)終端位置的跟蹤登記；對(duì)調(diào)度臺(tái)與移動(dòng)終端之間的呼叫進(jìn)行連接控制。

2）位于車站的無(wú)線接入網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)終端附著狀態(tài)選擇收發(fā)信機(jī)；尋呼信息和廣播信息的發(fā)送；無(wú)線資源的動(dòng)態(tài)分配，包括多小區(qū)無(wú)線資源管理；設(shè)置和提供接入網(wǎng)關(guān)的測(cè)量；無(wú)線承載的控制；無(wú)線接納控制；在移動(dòng)終端激活狀態(tài)的連接移動(dòng)性控制，無(wú)需上一層的無(wú)線控制器接入，即可處理本網(wǎng)關(guān)內(nèi)移動(dòng)終端之間的呼叫連接。

3）位于車站和鐵路區(qū)間的收發(fā)信機(jī)或中繼設(shè)備，負(fù)責(zé)無(wú)線信道編碼、無(wú)線鏈路控制、干擾檢測(cè)和射頻場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。

4）移動(dòng)終端。

考慮到系統(tǒng)可靠性要求，無(wú)線控制器和接入網(wǎng)關(guān)應(yīng)該主備冗余配置（圖中2未作表示）。無(wú)線控制器的處理容量應(yīng)能管理整個(gè)鐵路局/公司的所有無(wú)線列調(diào)終端（包括其他路局漫游過(guò)來(lái)的終端）。

數(shù)字無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)建議采用GSM-R系統(tǒng)的編號(hào)方案，只是其中的H1H2與GSM-R網(wǎng)絡(luò)不同。語(yǔ)音編碼方案建議采用LTE標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)具備RPELTP算法，以與GSM-R系統(tǒng)兼容。

該框架的主要特點(diǎn)如下。

①借鑒了TETRA和GSM-R的有線/無(wú)線調(diào)度一體化的思路，以避免目前有線調(diào)度和無(wú)線調(diào)度分離、同時(shí)設(shè)置兩套調(diào)度臺(tái)/值班臺(tái)的弊端。

②與TETRA和GSM-R相比，系統(tǒng)摒棄了電路交換技術(shù)，完全采用包傳送技術(shù)，包括有線部分和空中接口，其中空中接口物理層采用正交頻分多址（OFDMA）技術(shù)，既適合于語(yǔ)音通信，更適合數(shù)據(jù)傳送。但全網(wǎng)需要采用包交換技術(shù)中的各種QoS保障措施，確保系統(tǒng)語(yǔ)音和特殊數(shù)據(jù)的傳送質(zhì)量。

③邏輯上有線調(diào)度和無(wú)線調(diào)度既是緊耦合關(guān)系，又相對(duì)獨(dú)立，以提高有線調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，便于不同的廠商開(kāi)發(fā)。

④物理上兩個(gè)系統(tǒng)共用很多實(shí)體，包括承載網(wǎng)、調(diào)度終端、車站值班臺(tái)等，因此有線和無(wú)線兩個(gè)系統(tǒng)之間接口標(biāo)準(zhǔn)化十分關(guān)鍵。

5 站場(chǎng)數(shù)字無(wú)線通信系統(tǒng)總體框架設(shè)想

站場(chǎng)無(wú)線通信的最大特點(diǎn)：通話各方基本處于一個(gè)地理范圍相對(duì)較小的區(qū)域，而且存在多個(gè)組群，在非集群方式下，每個(gè)組群至少占用一組頻率，組間頻率資源不能共用，頻譜資源浪費(fèi)極大。因此，對(duì)站場(chǎng)無(wú)線通信系統(tǒng)的改造首先要實(shí)現(xiàn)集群化，以提高有限頻譜資源的利用率，其次才考慮通過(guò)數(shù)字化技術(shù)提高每個(gè)頻道的利用率。

站場(chǎng)無(wú)線通信可以采用成熟的數(shù)字集群通信系統(tǒng)技術(shù)，設(shè)想的站場(chǎng)數(shù)字無(wú)線通信系統(tǒng)總體框架如圖3所示。系統(tǒng)由無(wú)線控制器、固定終端、基站和移動(dòng)臺(tái)4部分組成。由無(wú)線控制器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和管理，移動(dòng)終端和固定終端根據(jù)站場(chǎng)通信群組的需要?jiǎng)澐帧?/p>

與傳統(tǒng)數(shù)字集群通信系統(tǒng)不同的是，系統(tǒng)不再采用電路交換技術(shù)，而是全部采用包交換技術(shù)，其中空中接口物理層采用OFDMA技術(shù)。這樣可以帶來(lái)如下好處。

1）無(wú)線控制器可以設(shè)置于站場(chǎng)內(nèi)任意一個(gè)通信機(jī)房?jī)?nèi)，而基站根據(jù)站場(chǎng)地理和覆蓋情況按需設(shè)置。

2）固定終端設(shè)置地點(diǎn)不受無(wú)線控制器設(shè)置地點(diǎn)的限制，既可以按需要設(shè)置在不同地點(diǎn)，也可以集中設(shè)置在同一地點(diǎn)。

3）在采取一定QoS措施的前提下，既適合于站場(chǎng)內(nèi)語(yǔ)音通信，更適合于數(shù)據(jù)傳送。

6 空中接口建議

如前所述，無(wú)論是數(shù)字無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)，還是站場(chǎng)數(shù)字無(wú)線通信系統(tǒng)，均應(yīng)能工作在150 MHz和450 MHz雙頻段。上下行頻率分配和收發(fā)間隔等維持既有模擬系統(tǒng)不變。

物理信道采用LTE的主流復(fù)用技術(shù)——正交頻分復(fù)用（OFDM），其優(yōu)點(diǎn)是可以獲得極高的頻譜利用率，同時(shí)給用戶帶來(lái)較高的數(shù)據(jù)傳送速率。

上下行傳輸方案：下行的多址方式為OFDMA，上行為基于OFDM傳輸技術(shù)的單載波頻分多址（SC-FDMA）。

物理信道編碼及調(diào)制技術(shù)應(yīng)保證在250 km/h的列車運(yùn)行速度下，提供峰值256 kb/s的用戶數(shù)據(jù)速率。幀結(jié)構(gòu)有待試驗(yàn)后研究確定。

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