王耕捷

（蘭州鐵路局，甘肅 蘭州 730000）

同頻同播鐵路無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

王耕捷

（蘭州鐵路局，甘肅 蘭州 730000）

針對(duì)鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)受限于頻點(diǎn)不夠、技術(shù)落后、組網(wǎng)分散等問(wèn)題，開展《同頻同播鐵路無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與試驗(yàn)驗(yàn)證》研究，從多方位覆蓋和消除通信盲區(qū)、均勻覆蓋和減少干擾、提高頻譜效率、多部門業(yè)務(wù)共享和節(jié)約投資、數(shù)模兼容和實(shí)現(xiàn)模擬向數(shù)字平滑過(guò)渡等方面分析數(shù)字同頻同播技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)；對(duì)GPS/發(fā)射頻率同步、相位同步和接收判選等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提出設(shè)計(jì)思路和方案，并在昆明鐵路局實(shí)際運(yùn)用，解決了現(xiàn)場(chǎng)通信盲區(qū)問(wèn)題和安全隱患。

山區(qū)鐵路；鐵路無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng)；同頻同播；通信盲區(qū)；同步技術(shù)；昆明鐵路局

1 研究背景

隨著鐵路運(yùn)輸各類業(yè)務(wù)的自動(dòng)化、智能化改造，對(duì)無(wú)線通信需求也逐漸增多，而鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)受限于頻點(diǎn)不夠、技術(shù)落后、組網(wǎng)分散等問(wèn)題[1]，現(xiàn)用的無(wú)線通信設(shè)備及頻率不能滿足多業(yè)務(wù)共享、多基站共用少量頻點(diǎn)、復(fù)雜地形全覆蓋等使用需求，造成通信不暢。

目前，在鐵路施工、固定設(shè)備維護(hù)等作業(yè)安全防護(hù)方面，普遍采用無(wú)線通信設(shè)備進(jìn)行通信防護(hù)，通信不暢問(wèn)題已成為威脅施工現(xiàn)場(chǎng)安全的主要因素之一。在昆明鐵路局管內(nèi)，由于鐵路線路地處山區(qū)，隧道較多，無(wú)線通信施工防護(hù)應(yīng)用領(lǐng)域的通信不暢問(wèn)題特別突出，主要表現(xiàn)在以下兩方面：

（1）頻率資源緊張，容易相互干擾。鐵路施工及設(shè)備維護(hù)單位在使用無(wú)線通信設(shè)備進(jìn)行施工防護(hù)時(shí)，為使通信相互不干擾，需同時(shí)使用多個(gè)不同頻率，但由于鐵路頻率資源緊張，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)作業(yè)的多個(gè)部門配置同一頻率，難以避免同頻相擾的情況?，F(xiàn)有無(wú)線通信采用同頻單工和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，無(wú)統(tǒng)一調(diào)度指揮功能，缺乏有效管理規(guī)范。

（2）山區(qū)、隧道等無(wú)線通信盲區(qū)不能有效覆蓋。在橋隧占比較大的山區(qū)鐵路，施工及設(shè)備維護(hù)單位一般采取公眾電信運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)對(duì)講或普通無(wú)線對(duì)講機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信，兩種方式在運(yùn)用中存在明顯缺陷。昆明鐵路局管內(nèi)山區(qū)鐵路很多地區(qū)無(wú)公網(wǎng)信號(hào)覆蓋，普速鐵路隧道內(nèi)基本無(wú)公網(wǎng)信號(hào)，公網(wǎng)對(duì)講應(yīng)用的局限性極大，很多區(qū)域無(wú)法正常使用。普通對(duì)講機(jī)最大發(fā)射功率4～5 W，在山區(qū)及隧道內(nèi)的最大通話距離只有1～2 km，無(wú)法滿足長(zhǎng)大隧道內(nèi)外施工及設(shè)備維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的通信防護(hù)需求。因此，現(xiàn)場(chǎng)普遍采用多名防護(hù)人員使用對(duì)講機(jī)接力傳遞信息方式解決信號(hào)覆蓋問(wèn)題，使用人力較多且信息傳遞不及時(shí)，存在信息走樣的錯(cuò)誤隱患并無(wú)法消除，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人身安全隱患嚴(yán)重。

為解決上述問(wèn)題，開展《同頻同播鐵路無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與試驗(yàn)驗(yàn)證》研究，針對(duì)同頻同播技術(shù)進(jìn)行研究和攻關(guān)，開發(fā)了多業(yè)務(wù)共享的同頻同播鐵路無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng)，并在昆明鐵路局管內(nèi)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

2 技術(shù)特點(diǎn)

為解決山區(qū)鐵路施工及設(shè)備維護(hù)無(wú)線通信盲區(qū)的信號(hào)覆蓋問(wèn)題，必須采用技術(shù)成熟可靠、頻率資源占用少的無(wú)線通信方式，同時(shí)兼顧投資建設(shè)成本等因素。對(duì)比多基站IP互聯(lián)、數(shù)字集群通信系統(tǒng)、同頻同播技術(shù)等主流通信技術(shù)方案后，決定采用數(shù)字同頻同播技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)。

同頻同播組網(wǎng)技術(shù)是在一個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)立多個(gè)工作范圍彼此重疊覆蓋的同頻基站，并利用有線或無(wú)線鏈路將這些基站聯(lián)接起來(lái)，通過(guò)統(tǒng)一調(diào)度指揮，消除同頻干擾，擴(kuò)大覆蓋范圍，消除通信盲區(qū)。當(dāng)多個(gè)基站收到某一對(duì)講機(jī)發(fā)出的上行信號(hào)時(shí)，同頻同播鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)自動(dòng)選擇接收信號(hào)最強(qiáng)的基站信號(hào)并上傳至數(shù)字交換機(jī)，由數(shù)字交換機(jī)再下發(fā)至所有基站并同步播發(fā)，實(shí)現(xiàn)工作區(qū)域內(nèi)對(duì)講機(jī)之間的相互通信。采用有線鏈路方式的同頻同播鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）多方位覆蓋，消除通信盲區(qū)。由于同頻同播的技術(shù)特點(diǎn)，基站信號(hào)覆蓋重疊區(qū)范圍內(nèi)的用戶能正常使用通信，可根據(jù)需要設(shè)置同頻同播基站，實(shí)現(xiàn)工作區(qū)域通信信號(hào)全覆蓋，徹底解決通信盲區(qū)問(wèn)題。

（2）均勻覆蓋，減少干擾。同頻同播鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)采用多個(gè)彼此信號(hào)重疊的基站，屬于多點(diǎn)覆蓋，整個(gè)覆蓋區(qū)場(chǎng)強(qiáng)平均，有助于抑制干擾信號(hào)，通信效果穩(wěn)定可靠。

（3）提高頻譜效率。鐵路頻率資源緊張，IP互聯(lián)、數(shù)字集群等其他組網(wǎng)技術(shù)為了避免同頻干擾，需要同時(shí)使用十幾個(gè)甚至數(shù)十個(gè)頻點(diǎn)，而同頻同播鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)采用12.5 kHz信道間隔，按2個(gè)時(shí)隙采用數(shù)字調(diào)制方式，獲得2個(gè)6.25 kHz的有效信道帶寬，能夠在同一個(gè)信道空間同時(shí)傳輸2路語(yǔ)音或數(shù)據(jù)，大大提高頻譜使用效率。

（4）多部門業(yè)務(wù)共享，節(jié)約投資。同頻同播鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)能夠滿足鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)維修和應(yīng)急通信聯(lián)絡(luò)的業(yè)務(wù)需求，除施工及設(shè)備維護(hù)防護(hù)用途外，日常還可作為電務(wù)、工務(wù)、供電、列尾中繼補(bǔ)強(qiáng)通信聯(lián)絡(luò)使用，當(dāng)GSM-R系統(tǒng)失效或應(yīng)急搶險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)可及時(shí)升級(jí)作為應(yīng)急通信聯(lián)絡(luò)使用，且用戶使用權(quán)限等級(jí)最高，滿足鐵路應(yīng)急通信需求。通信業(yè)務(wù)等級(jí)劃分及頻率規(guī)劃示意見圖2。

圖1 同頻同播鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 通信業(yè)務(wù)等級(jí)劃分及頻率規(guī)劃示意圖

（5）數(shù)模兼容，實(shí)現(xiàn)模擬向數(shù)字平滑過(guò)渡。模擬終端和數(shù)字終端可在同頻同播鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)中同時(shí)使用，可自動(dòng)判定終端呼叫類型并自動(dòng)切換。用戶可方便、經(jīng)濟(jì)地按照適合自己的計(jì)劃逐步淘汰模擬終端，順利過(guò)渡到完全數(shù)字終端。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

同頻同播技術(shù)具有頻率資源占用少、組網(wǎng)靈活方便和成本較低的優(yōu)點(diǎn)，符合鐵路現(xiàn)場(chǎng)地形復(fù)雜、通信盲區(qū)多、應(yīng)用需求分散的應(yīng)用實(shí)際。但由于技術(shù)手段制約，同頻同播基站信號(hào)覆蓋重疊區(qū)的同頻干擾問(wèn)題始終沒有得到很好解決，極大地限制了同頻同播技術(shù)的推廣和運(yùn)用。為實(shí)現(xiàn)同頻同播功能，滿足通信覆蓋區(qū)域語(yǔ)音通話良好，關(guān)鍵是要解決同播基站重疊區(qū)同頻干擾問(wèn)題，必須對(duì)同頻同播鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)的頻率、相位作嚴(yán)格控制，確保達(dá)到各基站發(fā)射頻率、音頻延時(shí)和發(fā)射音頻波形的基本一致。

3.1 GPS/發(fā)射頻率同步技術(shù)

如果發(fā)射機(jī)到達(dá)重疊覆蓋區(qū)的載頻信號(hào)頻率不穩(wěn)定，對(duì)講機(jī)收到信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)劇烈的噪聲或拍頻現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)語(yǔ)音時(shí)斷時(shí)續(xù)，無(wú)法通信。因此，必須采用載頻同步控制技術(shù)。如果各基站的載頻頻率誤差達(dá)到50 Hz以上，模擬電臺(tái)可聽到交流哼聲，因此各基站的載頻頻率誤差必須控制在25 Hz以內(nèi)[2]。

為實(shí)現(xiàn)載頻的一致性，一般每個(gè)同頻同播基站需要配置一個(gè)GPS衛(wèi)星時(shí)鐘，由衛(wèi)星時(shí)鐘延伸出一個(gè)中繼臺(tái)需要的10 MHz模擬本振信號(hào)源，將其傳輸至基站，達(dá)到各基站載頻基本一致的目的。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于多個(gè)GPS衛(wèi)星同步控制器相互之間存在誤差，致使模擬同頻同播基站的實(shí)際同頻效果不佳，如果需要多信道的集群同播，10 MHz基準(zhǔn)信號(hào)的分配將進(jìn)一步惡化射頻指標(biāo)，并引入大量不穩(wěn)定因素，實(shí)際效果大打折扣，難以實(shí)現(xiàn)同頻目的。

為實(shí)現(xiàn)良好的同頻同播效果，應(yīng)將各基站發(fā)射機(jī)的載頻穩(wěn)定性提升到小于10 Hz。這個(gè)載頻穩(wěn)定性的要求極高，按常規(guī)電路設(shè)計(jì)的對(duì)講機(jī)無(wú)法達(dá)到這一指標(biāo)。因此，基站設(shè)計(jì)應(yīng)按10 Hz要求設(shè)計(jì)發(fā)射電路，從硬件電路上保證基站載頻的穩(wěn)定性；同時(shí)改為僅配置1個(gè)GPS衛(wèi)星時(shí)鐘，通過(guò)有線鏈路將時(shí)鐘信號(hào)傳輸至各基站，各基站采用計(jì)算機(jī)匯編軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字化同頻處理的底層控制，將GPS時(shí)鐘進(jìn)行精確分頻，作為各基站的本振信號(hào)源。通過(guò)優(yōu)化數(shù)字同頻同播架構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，基站載頻穩(wěn)定性達(dá)到每12.8 MHz誤差不超過(guò)±0.1 Hz的校核標(biāo)準(zhǔn)，即載頻為400 MHz時(shí)，可將下行頻率誤差控制在400/12.8×0.1=3.125 Hz，解決了載頻同步難題，實(shí)現(xiàn)了實(shí)用的同頻同播性能。時(shí)鐘同步系統(tǒng)示意見圖3。

圖3 時(shí)鐘同步系統(tǒng)示意圖

3.2 相位同步技術(shù)

由于信號(hào)傳送到各基站的距離不同或鏈路形式不同，到達(dá)重疊覆蓋區(qū)的音頻相位、幅度將出現(xiàn)不一致，控制不好會(huì)出現(xiàn)語(yǔ)音錯(cuò)誤、丟字、語(yǔ)音變調(diào)、音頻失真大等現(xiàn)象。音頻相位、幅度不一致是由延時(shí)導(dǎo)致，因此必須嚴(yán)格控制音頻延時(shí)，理想狀態(tài)是到達(dá)重疊覆蓋區(qū)的波形應(yīng)基本重疊。同頻同播需要將語(yǔ)音延時(shí)控制在25 μs以內(nèi)，一般是采用模擬音頻延遲線或采用數(shù)字化芯片將音頻存儲(chǔ)延時(shí)的方式實(shí)現(xiàn)[3]。因傳統(tǒng)技術(shù)必須依靠人工調(diào)整同頻同播區(qū)音頻延時(shí)，實(shí)際控制離散性大，精度始終達(dá)不到最佳要求，實(shí)用性受到很大限制。

針對(duì)上述問(wèn)題，研發(fā)了基站內(nèi)置的高速數(shù)字化處理模塊自動(dòng)適配GPS時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音延時(shí)的高速自適應(yīng)調(diào)整，調(diào)整精度大幅度提高，實(shí)測(cè)達(dá)到1 μs以內(nèi)，延時(shí)對(duì)語(yǔ)音清晰度的影響已可忽略不計(jì)，實(shí)現(xiàn)了警用數(shù)字中繼（Police Digital Trunking，PDT）、數(shù)字移動(dòng)無(wú)線電（Digital Mobile Radio，DMR）數(shù)字集群、常規(guī)同播。相位同步技術(shù)示意見圖4。

圖4 相位同步技術(shù)示意圖

3.3 接收判選技術(shù)

同頻同播鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)工作時(shí)，多個(gè)基站經(jīng)常會(huì)收到同一對(duì)講機(jī)音頻信號(hào)，如果將這些信號(hào)全部轉(zhuǎn)發(fā)出去，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)音頻疊加，導(dǎo)致對(duì)講機(jī)收到的音頻背景噪聲大和失真大，因此必須增加接收判選功能。

如果覆蓋區(qū)內(nèi)的多個(gè)基站同時(shí)收到某一對(duì)講機(jī)信號(hào)，基站控制器將根據(jù)接收信號(hào)質(zhì)量自動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化判別，選定其中信號(hào)質(zhì)量最好的1個(gè)基站信號(hào)上傳。如果遇到2個(gè)基站信號(hào)質(zhì)量不相上下的特殊情況，則隨機(jī)選擇其中1個(gè)基站的信號(hào)上傳，始終保證相同時(shí)間只有1路信號(hào)上傳，并通過(guò)鏈路下發(fā)至各基站轉(zhuǎn)發(fā)，確保另一方收到的語(yǔ)音始終清晰。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 設(shè)置方案

昆明鐵路局管內(nèi)廣通—昆明改建鐵路的祿豐南—雙湄村站區(qū)間，西起楚雄州祿豐縣祿豐鎮(zhèn)，東至安寧市雙湄村。區(qū)間線路長(zhǎng)27.7 km，有2條較長(zhǎng)的雙線隧道——三棵樹隧道（7.375 km）和秀寧隧道（13.173 km）。區(qū)間施工作業(yè)時(shí)，原無(wú)線通信方式只能保證1～2 km的信息傳遞，需要多人進(jìn)行信息中繼，安全隱患很大。

為解決該區(qū)間施工及設(shè)備維護(hù)時(shí)安全防護(hù)通信困難的問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，經(jīng)過(guò)場(chǎng)強(qiáng)模擬測(cè)算和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)，按照實(shí)現(xiàn)區(qū)間信號(hào)全覆蓋的目標(biāo)設(shè)計(jì)，在祿豐南和雙湄村車站通信機(jī)房?jī)?nèi)安裝2套車站基站及4副全向天線，在三棵樹隧道安裝了2套壁掛式基站及4套定向天線，在秀寧隧道安裝了3套壁掛式基站及6套定向天線，各基站通過(guò)光纖采用有線鏈路連接。三棵樹隧道和秀寧隧道基站設(shè)置示意見圖5和圖6。

4.2 實(shí)施效果

同頻同播鐵路無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng)應(yīng)用以來(lái)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，其性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。昆明鐵路局廣通工電段試運(yùn)用取得以下效果：

（1）在27.7 km（包括隧道區(qū)間）內(nèi)實(shí)現(xiàn)與車站無(wú)線對(duì)講無(wú)盲區(qū)。車站防護(hù)人員使用同頻同播鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)數(shù)字對(duì)講機(jī)可隨時(shí)呼叫到雙湄村—祿豐南區(qū)間的施工作業(yè)人員，可以快速、準(zhǔn)確地傳遞防護(hù)信息，操作簡(jiǎn)便，話音清晰，很好地解決了山區(qū)鐵路無(wú)線通信不暢的問(wèn)題。

圖5 三棵樹隧道基站設(shè)置示意圖

圖6 秀寧隧道基站設(shè)置示意圖

（2）節(jié)約頻率資源，減少同頻干擾。采用1對(duì)頻率即可同時(shí)滿足4組作業(yè)人員的通信防護(hù)，各組之間互不干擾，大大節(jié)約頻率資源，在鐵路頻率資源緊張情況下作用十分明顯。

（3）經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。由于通信暢通，無(wú)需增加人工進(jìn)行信息接力，各專業(yè)在區(qū)間隧道內(nèi)開展施工或設(shè)備維護(hù)作業(yè)時(shí)，每次可平均減少4～5名防護(hù)人員，大大節(jié)約人力資源，明顯降低了施工防護(hù)作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，施工和維修作業(yè)過(guò)程中的作業(yè)安全和人身安全得到保證。

5 結(jié)束語(yǔ)

山區(qū)普速鐵路施工和設(shè)備維護(hù)作業(yè)安全防護(hù)采用傳統(tǒng)普通無(wú)線對(duì)講方式，受到環(huán)境制約、頻點(diǎn)限制和同頻干擾等影響，必須依靠大量人力接力傳遞信息才能確保防護(hù)區(qū)域通信覆蓋，存在嚴(yán)重安全隱患。同頻同播鐵路無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng)能夠有效消除同頻干擾，組網(wǎng)方式可采用有線鏈路或無(wú)線鏈路方式[4]，具有覆蓋廣泛、通信質(zhì)量?jī)?yōu)良、節(jié)省頻率資源和成本低等優(yōu)點(diǎn)，是解決山區(qū)多隧道鐵路區(qū)段施工和設(shè)備維護(hù)作業(yè)安全防護(hù)通信的先進(jìn)和適用技術(shù)。該技術(shù)還可用于數(shù)字列尾無(wú)線通信弱場(chǎng)信號(hào)補(bǔ)強(qiáng)、數(shù)字平調(diào)無(wú)線弱場(chǎng)通信補(bǔ)強(qiáng)等領(lǐng)域，并可在我國(guó)鐵路“走出去”戰(zhàn)略中，作為某些低成本鐵路列車無(wú)線調(diào)度通信設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用前景十分廣闊。

[1] 田桂花. 淺談無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展[J]. 價(jià)值工程， 2010(22)：151-152.

[2] 郭俊利. DMR同頻組網(wǎng)的相干區(qū)設(shè)計(jì)[J]. 無(wú)線電工 程，2014(5)：5-8，67.

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Research and Application on Railway Wireless Digital Communication System w ith Common Frequency Broadcasting

WANG Gengjie
（Lanzhou Railway Administration，Lanzhou Gansu 730000，China）

In view of the problems such as inadequate frequency points, backward technology and decentralized network, the research subject naming "Research on, Test and Verification of Key Technologies of Railway Wireless Digital Communication System with Common Frequency Broadcasting" is conducted, so as to analyze the advantages of digital common frequency broadcasting technologies in the fields such as covering and eliminating communication blind zone, promoting uniform coverage, reducing interference, improving spectral efficiency, multiple department service sharing, saving investment, digital/analog signal compatibility,smooth transition from analog to digital. Meanwhile, researches are carried out on key technologies like GPS/transmitting frequency synchronization, phase synchronization and judgment & selection of receiving signal.Then, design idea and con figuration plan are put forward and applied in Kunming Railway Administration, which eliminates communication blind zone and potential safety hazard.

railway in mountainous area；railway wireless digital communication system；common frequency broadcasting；communication blind zone；synchronization technology；Kunming Railway Administration

U285

A

1001-683X（2017）09-0058-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.09.058

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2015X001-E）

王耕捷（1964—），男，高級(jí)工程師，碩士。E-mail：ynwang@sina.com

責(zé)任編輯 盧敏

2017-08-26