李利民，朱少捷，王偉松

（1.?鄭州鐵路局?貨運處，河南?鄭州 450015；2.?鄭州鐵路局?科學技術研究所，河南?鄭州 450015）

1 概述

現(xiàn)代化的貨運設備設施是促進鐵路貨運轉(zhuǎn)型發(fā)展、確保貨物運輸安全、提高運輸效率效益和服務質(zhì)量的物質(zhì)基礎和保障?！蛾P于“十二五”鐵路貨運設備設施建設的實施意見》(鐵運 [2013]26號) 中提出，要加強貨運安全監(jiān)控系統(tǒng)建設，提高信息化水平，建設鐵路貨檢安全監(jiān)控與管理系統(tǒng)、貨運站集中監(jiān)控和生產(chǎn)指揮中心，加快鐵路貨運現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型進程[1]。

為了統(tǒng)一鐵路貨運安全監(jiān)控系統(tǒng)的建設與管理標準，《鐵路貨運安全檢測監(jiān)控與管理系統(tǒng)總體技術規(guī)范》(鐵運 [2013]56號) (以下簡稱《總體技術規(guī)范》)，為全路貨運安全監(jiān)控系統(tǒng)逐步走向規(guī)范化奠定基礎，著重增加了貨檢作業(yè)手持設備和高清視頻檢測設備的應用，從而實現(xiàn)車站、鐵路局、中國鐵路總公司系統(tǒng)的三級聯(lián)網(wǎng)。手持機作為貨檢員實現(xiàn)信息采集、信息交換、語音通話的工具，由無線網(wǎng)絡設備為其提供無線信號網(wǎng)絡覆蓋和通信服務。

在無線網(wǎng)絡的建設實踐中，如何因地制宜、科學合理地選擇網(wǎng)絡制式、工作頻段和無線網(wǎng)絡設備，是基層現(xiàn)場普遍需要考慮的問題。如果選擇不當，不僅不能發(fā)揮好無線網(wǎng)絡的作用，而且不便于后期工作，同時還會引起資源浪費、阻礙鐵路信息化的發(fā)展[2]。因此，鄭州鐵路局組織開展專項實驗，通過比較分析，將先進的技術先行試點應用于洛陽北站，為無線網(wǎng)絡和手持設備的建設發(fā)展探索出一套可行的技術方案和標準[3]。

2 測試內(nèi)容

通過借鑒既有技術與前沿技術，結(jié)合《總體技術規(guī)范》的技術標準，經(jīng)過多次討論，最終選擇運用較為普遍的無線局域網(wǎng) (Wireless Fidelity，WIFI)技術 (2.4 G 頻段) 和當前國內(nèi)先進的4G 技術 (分時長期演進 Time Division Long Term Evolution，TD-LTE 4G)[4]作為測試標的，通過站場試驗，比較分析各項實驗數(shù)據(jù)。

2.1 測試目的

在充分滿足《總體技術規(guī)范》中《鐵路貨檢作業(yè)手持機系統(tǒng)技術條件》(附件 3)之“站區(qū)無線網(wǎng)覆蓋試驗”要求的同時，測試包括以下內(nèi)容：①設備在鐵路站場內(nèi)的抗干擾能力；②站場內(nèi)無遮擋信號覆蓋距離；③站場內(nèi)多列車遮擋信號覆蓋距離；④測試區(qū)域內(nèi)無線網(wǎng)絡的傳輸延時；⑤測試區(qū)域內(nèi)的傳輸帶寬；⑥手持終端視頻回傳質(zhì)量。

2.2 測試設備

TD-LTE 4G (1.8 G) 的測試設備如下：TD-LTE 1.8 G 基站1臺；TD-LTE 1.8 G 核心網(wǎng)1臺；TD-LTE 1.8 G 網(wǎng)管1臺；TD-LTE1.8 G 數(shù)傳模塊1臺；TDLTE1.8 G 工業(yè)手持機3臺；筆記本電腦1臺。

大功率 WIFI (2.4 G) 的測試設備如下：大功率WIFI 設備1臺；語音服務器1臺；H3C 交換機1臺；工業(yè)手持機1臺；智能手機2臺；筆記本電腦1臺。

2.3 測試結(jié)構(gòu)圖

（1）TD-LTE 4G 測試網(wǎng)由測試中心平臺和移動測試終端2部分組成。其中，測試中心平臺由 TDLTE 基站、TD-LTE 核心網(wǎng)和 TD-LTE 網(wǎng)管組成；移動測試終端由 TD-LTE 手持機和配備 TD-LTE 數(shù)傳模塊的筆記本電腦組成。測試指標包括測試 TD-LTE 網(wǎng)絡在鐵路站場環(huán)境下的網(wǎng)絡覆蓋狀況、傳輸帶寬、傳輸穩(wěn)定性、抗干擾性能等指標。TD-LTE 4G 測試網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 TD-LTE 4G 測試網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

（2）大功率 WIFI 測試網(wǎng)由測試中心平臺和移動測試終端2部分組成。其中，測試中心平臺由大功率 WIFI 基站、交換機和語音服務器組成；移動測試終端由大功率 WIFI 手持機和配備大功率 WIFI 數(shù)傳模塊的筆記本電腦組成。測試指標包括測試大功率 WIFI 網(wǎng)絡在鐵路站場環(huán)境下的網(wǎng)絡覆蓋狀況、傳輸帶寬、傳輸穩(wěn)定性、抗干擾性能等指標。大功率WIFI 測試網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 大功率 WIFI 測試網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.4 測試方法

（1）測試 TD-LTE 4G。測試工作按照以下步驟完成：第1步，安裝 TD-LTE 4G 基站，具體位置在洛陽北站東側(cè)信號樓樓頂，樓高12m；第2步，用3 臺TD-LTE 4G 手持機分別在車站西北側(cè)最遠端便道及2 列車之間，中部2列車之間，西南側(cè)2列車之間，最南側(cè)距信號樓 1.5 km 處，距信號樓 1.2 km 的整倒裝線上的棚車內(nèi)部，并且在相鄰線路有機車通過、有列車通過的環(huán)境下，分別拍攝圖像，向基站回傳實時視頻。

（2）測試大功率 WIFI。大功率 WIFI 天線分別安裝于車站東側(cè)信號樓 (天線射頻方向垂直于車場) 和北端駝峰信號樓 (基本位于車場中間，天線射頻方向與股道同向) 樓頂，樓高均為12 m。測試距離350～500 m，測試條件分為空曠場地、2 列車中間、有機車通過、鄰線有列車通過等。用2臺手持機現(xiàn)場拍攝圖像，向系統(tǒng)回傳實時視頻。

（3）后臺人員在筆記本電腦上用配置好的數(shù)傳模塊測試上傳速率，并且測試碼率變化情況，觀察視頻回傳是否流暢，測試最遠端上行帶寬。

2.5 測試結(jié)果

（1）TD-LTE 4G。在基站輻射半徑 1.5 km 范圍內(nèi)均完成多路視頻回傳工作，內(nèi)燃機車、電力機車、接觸網(wǎng)高壓、并排2列車之間、縱向2個車廂連接處、鄰線列車通過、距離 1.2 km 棚車車內(nèi)等環(huán)境條件對網(wǎng)絡未形成任何干擾，高效地解決了多徑路反射問題，上行帶寬達20Mbps 以上，預計優(yōu)化后可升級至30Mbps，為今后全系統(tǒng)或多系統(tǒng)發(fā)展預留有較大的空間。從現(xiàn)場情況看，無線組網(wǎng)只需要在洛陽北站東側(cè)信號樓上架設1個基站即可，安裝過程簡便，后續(xù)維護方便。

（2）大功率 WIFI。無線鏈路在空曠無阻擋環(huán)境下，傳輸帶寬為1.7～2.5 Mbps，有掉線現(xiàn)象。有列車或多輛貨車阻擋時，傳輸不穩(wěn)定，平均帶寬為300～350 kbps，阻擋環(huán)境下傳輸一張1Mbps 圖片約需 3～4 s。內(nèi)燃機車、電力機車通過時傳輸質(zhì)量明顯下降。從現(xiàn)場情況看，無線組網(wǎng)應在洛陽北站南、北2個燈橋和駝峰信號樓頂部分別安裝大功率 WIFI設備，并且需要用光纜貫穿股道聯(lián)通，這無疑增加了安裝施工和后續(xù)維護的難度。

（3）比較分析。測試結(jié)果表明 TD-LTE 4G 無線網(wǎng)絡抗各種因素的干擾能力較強，完全適合在鐵路站場復雜環(huán)境下使用，并且在帶寬上為今后的發(fā)展預留有較大空間。大功率 WIFI 采用公用頻段，容易受各種因素的干擾，對場地的客觀環(huán)境和選點位置要求較為苛刻，傳輸不穩(wěn)定。從現(xiàn)場情況看，洛陽北站最佳安裝位置應分別放在南、北2個燈橋和駝峰信號樓頂部，并且用光纜聯(lián)通，增加安裝施工和后續(xù)維護的難度。

2.6 測試結(jié)論

鄭州鐵路局組織通信、信息、運輸系統(tǒng)專家，以及設計單位、信息集成廠家的專家，召開鐵路站場無線組網(wǎng)技術選型討論會，詳細介紹洛陽北站站場無線組網(wǎng)的實驗過程和結(jié)論。專家團隊通過分析實驗過程的科學性、嚴密性、可靠性，論證實驗結(jié)論，最終一致認為TD-LTE 4G 無線網(wǎng)絡系統(tǒng)能夠適應鐵路站場復雜苛刻的環(huán)境，數(shù)據(jù)、圖像傳輸質(zhì)量穩(wěn)定可靠，集成后核心網(wǎng)架構(gòu)相對簡單，基站安裝較為簡便，帶寬容量大，可以在站場內(nèi)實現(xiàn)一個基站多種用途的無線網(wǎng)絡環(huán)境，可以作為鐵路站場無線組網(wǎng)技術選型的首選方向和標準。不足之處是規(guī)模較小時成本相對較高。如果需要在較大車站或鐵路沿線，搭建車務、車輛 (列檢)、機務、工務、電務、公安等部門共同使用的、穩(wěn)定高效的綜合無線網(wǎng)絡，TD-LTE 4G 方案的性價比將更具有優(yōu)勢，相對而言也更加經(jīng)濟可靠。

3 TD-LTE 4G的應用實踐

3.1 系統(tǒng)組成

洛陽北站 TD-LTE 4G 無線網(wǎng)絡系統(tǒng)由分布式基站、小型化核心網(wǎng)、小型化網(wǎng)管、手持機4個部分組成。分布式基站、小型化核心網(wǎng)、小型化網(wǎng)管組成無線網(wǎng)絡，為手持機提供移動作業(yè)的無線傳輸通道。TD-LTE 4G 無線網(wǎng)絡系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 TD-LTE 4G 無線網(wǎng)絡系統(tǒng)組成

3.2 技術指標

（1）工作頻點 1.8 G，單基站下行100Mbps、上行不小于20Mbps 傳輸帶寬，支持3:1的上下行帶寬調(diào)整，上行帶寬可達80Mbps。

（2）無死角、無盲區(qū)，單基站覆蓋距離超過1.5 km。

（3）能夠滿足40人同時上傳數(shù)據(jù)、圖像，10 人同時傳輸720×576像素視頻 (前提是申請10Mbps 帶寬情況下，如果申請20Mbps 及以上帶寬則數(shù)量翻倍)。

（4）能夠滿足40人點對點、組呼、群呼等語音功能。

（5）貨檢手持機平臺可以二次開發(fā)相關應用程序。

（6）滿足風、雨、雪、雷電等惡劣環(huán)境的考驗。

（7）總體性能穩(wěn)定可靠，有批量運用的實踐，完全滿足系統(tǒng)設計要求。

3.3 設備組成

（1）核心網(wǎng)。核心網(wǎng)設備提供接入網(wǎng)絡控制和數(shù)據(jù)傳輸功能。對終端接入進行控制管理，實現(xiàn)接入終端身份驗證、鑒權(quán)和密鑰管理等，提供高安全的網(wǎng)絡接入控制；提供用戶信息、用戶等級的管理和查詢，實現(xiàn)系統(tǒng)不同數(shù)據(jù)業(yè)務優(yōu)先級調(diào)度與管理，保障系統(tǒng)高優(yōu)先級業(yè)務的正常通信，提高系統(tǒng)通信可靠性；管理接入終端和外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間的連接，完成用戶數(shù)據(jù)的路由和處理，實現(xiàn)接入終端數(shù)據(jù)與業(yè)務系統(tǒng)服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸與交換。

（2）基站?；驹O備是 4G 無線網(wǎng)絡系統(tǒng)的無線接入設備，主要完成包括空中接口、接入控制、移動性控制、用戶資源分配等無線資源管理功能。由基站室內(nèi)單元 (Base Band Unit，BBU) 和基站室外單元 (Radio Remote Unit，RRU) 組成。其中，BBU 采用集成度高、全 IP 化的硬件平臺，集中放置在機房；RRU 工作頻段為1.8 GHz，采用緊湊型設計，便于室外安裝。BBU 和 RRU 采用射頻拉遠技術，通過光纖連接，從而降低網(wǎng)絡布置的難度和成本。為適應鐵路站場應用要求，BBU 可以融合演進分組核心網(wǎng)功能，具備單站組網(wǎng)能力。

（3）終端設備。手持機集群終端設備采用工業(yè)級三防設計，顯示屏強光可見，采用 Android 智能操作系統(tǒng)，能夠同時支持私密呼叫、組呼、短信、彩信、寬帶數(shù)據(jù)接入、視頻監(jiān)控和回傳業(yè)務，以及多業(yè)務并發(fā)功能，可用于現(xiàn)場集群通信與手持機拍照上傳作業(yè)，適應鐵路站場作業(yè)環(huán)境。

3.4 應用實踐效果

TD-LTE 4G 在洛陽北站的應用實踐證明，該系統(tǒng)能夠滿足鐵路貨運安全監(jiān)控系統(tǒng)的需求，并且具備較強的適應性。TD-LTE 4G 采用扁平化網(wǎng)絡架構(gòu)等技術，系統(tǒng)峰值速率下行100Mbps、上行可達50 Mbps，帶寬是傳統(tǒng)的窄帶專網(wǎng)系統(tǒng)的幾十倍；系統(tǒng)具有較好的擴展性，可以與其他現(xiàn)有的網(wǎng)絡互連互通；不同廠家的設備之間可兼容；同時 TD-LTE 具有明確的技術演進方向，由中國主導，包含大量中國專利，得到廣泛的國際支持。

因此，鄭州鐵路局將該技術推廣應用至鄭州北站貨檢安全監(jiān)控系統(tǒng)，并且在2014年蘭考站全路貨運作業(yè)標準化現(xiàn)場會上，將基于 TD-LTE 4G 無線網(wǎng)絡的手持機，嵌入蘭考貨運站安全管理信息系統(tǒng)，接受全路貨運系統(tǒng)領導和專家的檢驗。該系統(tǒng)在現(xiàn)場各種環(huán)境 (含專用線棚車內(nèi)作業(yè)、夜間無照明、雨雪天氣等) 下的作業(yè)數(shù)據(jù)和圖像實時傳輸、與后臺交互式作業(yè)流程控制、語音通話、拍照和現(xiàn)場錄像等方面的應用效果良好。

4 結(jié)束語

將 TD-LTE 4G 技術引入鐵路站場，在鐵路站場部署寬帶無線覆蓋，提供大帶寬、高速率、全 IP、廣區(qū)域、安裝簡單的LTE 寬帶集群通信平臺，滿足鐵路車、機、工、電、輛各項業(yè)務對作業(yè)前端數(shù)據(jù)集成平臺、數(shù)據(jù)及圖像采集及傳輸、交互式作業(yè)流程控制、過程控制、應急處置[5]、現(xiàn)場監(jiān)控指揮等方面的需要，既符合中國鐵路總公司有關技術規(guī)范，又具有發(fā)展戰(zhàn)略的前瞻性。隨著技術的進步和實踐的深入，TD-LTE 4G 技術將在鐵路站場及更多領域具有更加廣闊的發(fā)展前景，將為鐵路信息化建設做出更大貢獻。

[1] 郭玉華.深入推進“三化”建設 全面提升貨運工作質(zhì)量[J].鐵道貨運，2015，33(1)：1-9.

[2] 陳文興.鄭州鐵路局推進貨運作業(yè)標準化建設的思考[J].鐵道貨運，2015，33(1)：12-13.

[3] 王忠剛.鐵路編組站構(gòu)建貨檢安全保障體系的實踐[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2008，30(1)：40-43。

[4] 沈 嘉.3GPP長期演進(LTE)技術原理與系統(tǒng)設計[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[5] 黃 鋼.我國鐵路安全風險管理持續(xù)發(fā)展的研究與思考[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2014，36(9)：1-6.