中國鐵路無線通信系統(tǒng)的發(fā)展與思考

中國鐵路無線通信系統(tǒng)的發(fā)展與思考

1中國鐵路全球數(shù)字通信系統(tǒng)的建設(shè)1.1紀的60年代目前，中國鐵路總面積超過7000公里，是經(jīng)濟和社會的主要支柱。鐵路移動通信從20世紀的60年代開始,設(shè)備不斷發(fā)展,制式不斷完善。在無線列調(diào)、平面調(diào)車、區(qū)間移動、單信道對講機、道口無線通信、DMIS無線車次號傳輸、列車尾部風壓無線傳輸、紅外軸溫無線傳輸?shù)确矫娑加休^大的發(fā)展,至今已形成中國鐵路全網(wǎng)的規(guī)模,成為保障鐵路運輸安全生產(chǎn)的重要手段。1.1.1無線列調(diào)系統(tǒng)的特點目前,鐵路無線列車調(diào)度電話系統(tǒng)作為行車“三大件”之一,對提高運輸效率、保證行車安全有著重要作用。根據(jù)中國鐵路運輸?shù)奶攸c,參考UIC751標準開發(fā)的主要制式有A、B、C3種,分別為450MHz或150MHz的單工或雙工通信系統(tǒng)。在鐵路沿線的場強覆蓋已經(jīng)達到93%以上,能夠完成列車調(diào)度員、車站值班員與進入其管轄區(qū)段內(nèi)的列車司機、車長進行通話。無線列調(diào)從20世紀60年代起,經(jīng)歷了TW8C/D、TW12、TW42三代產(chǎn)品。除上述的幾種鐵標規(guī)定的標準無線列調(diào)制式設(shè)備外,各設(shè)備生產(chǎn)廠家還根據(jù)現(xiàn)場的實際需要開發(fā)出一些新的滿足鐵路生產(chǎn)需要的無線產(chǎn)品,擴展了產(chǎn)品功能,承載了許多新業(yè)務(wù)。如機車出入庫檢修電臺、場強自動測試電臺、400M+400K感應(yīng)電臺、區(qū)間互控式遙控電臺、具有數(shù)話同傳功能的無線列調(diào)電臺等無線列調(diào)產(chǎn)品。列車無線防護報警系統(tǒng)、監(jiān)護道口無線報警系統(tǒng)、DMIS無線車次號傳輸、列車尾部風壓無線傳輸?shù)取?.1.2獨立的單工通信系統(tǒng)除無線列調(diào)系統(tǒng)外,在鐵路區(qū)段站、編組站還存在平面調(diào)車等站場無線通信系統(tǒng)和許多單位投資建設(shè)的各種獨立的單工通信系統(tǒng)。平面無線調(diào)車系統(tǒng)解決峰頭、峰尾之間編組場內(nèi)的調(diào)車問題,以鐵路調(diào)車標準為依據(jù),提供了調(diào)車區(qū)長臺、機車臺、手持臺的平面調(diào)車系統(tǒng),同時還具有語音通話功能,及一系列符合現(xiàn)場使用要求的專用功能的信令傳輸、燈光顯示、語音提示等,滿足了調(diào)車指揮的需要,在鐵路得到了廣泛的應(yīng)用。1.1.3單工通信系統(tǒng)為了滿足其它工種的作業(yè)通信要求和車站內(nèi)部指揮的需要,在站場內(nèi)及鐵路沿線還存在大量由部門單位自行投資建設(shè)的各種獨立的單工通信系統(tǒng),如工務(wù)、公安、電力、水電、電務(wù)維修、列檢、施工等。這些系統(tǒng)均以同頻或異頻單工通信方式為主,獨立使用,缺少統(tǒng)一的規(guī)劃和集中管理,但同時又是不可缺少的部分。1.1.4模擬集群移動通信系統(tǒng)試驗線建設(shè)為加速鐵路專用移動通信的發(fā)展,從1991年起中國鐵路積極研究開發(fā)集群移動通信系統(tǒng),安裝了多套800MHz單基站模擬集群移動通信系統(tǒng),并在柳州—南寧鐵路區(qū)段建設(shè)模擬集群移動通信系統(tǒng)試驗線,主要開展話音業(yè)務(wù)。集群移動通信系統(tǒng)是多信道綜合業(yè)務(wù)無線移動通信系統(tǒng),可以為行車調(diào)度、客貨站場調(diào)度指揮、公安保衛(wèi)、施工維修等運輸生產(chǎn)部門提供移動通信手段。中國鐵路從20世紀80年代末不斷地研究和探索滿足鐵路運輸需要的無線通信功能,既有無線列車調(diào)度通信制式經(jīng)歷了40多年的運營,其他無線通信手段也基本是模擬制式。1.2無線列調(diào)信道制式制約鐵路接入中國鐵路正在朝高速鐵路、客運專線方向發(fā)展,既有無線通信提供的業(yè)務(wù)和功能與現(xiàn)代鐵路運輸需要之間的差距在不斷擴大,主要體現(xiàn)在以下方面:(1)模擬無線列調(diào)單信道制式嚴重制約鐵路應(yīng)用,樞紐地區(qū)同頻干擾嚴重、信道接入困難;(2)鐵路移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)日益增多,無線車次號傳輸、列車尾部風壓無線傳輸?shù)榷集B加在無線列調(diào)之上,造成已緊張的無線列調(diào)信道更是不堪重負;(3)鐵路工種繁多,各部門無線移動通信自成體系,不能互聯(lián)互通;(4)模擬無線列調(diào)不能滿足新一代基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)對車-地傳輸通道的要求;(5)單信道無線列調(diào)不能滿足客運專線和高速鐵路等現(xiàn)代鐵路運輸?shù)男畔⒒吐每头?wù)對車-地間傳輸提出的更高要求。1.3無線通信的需要1.3.1移動商務(wù)需要滿足以旅客為主體的移動信息服務(wù)系統(tǒng),如車上訂票服務(wù)、電子移動商務(wù)、旅客移動增值服務(wù)等的需要;以及鐵路路網(wǎng)移動體(機車、車輛、集裝箱等)實時動態(tài)跟蹤信息傳輸?shù)男枰?為開展實時網(wǎng)上信息查詢和各種管理信息系統(tǒng)提供移動傳輸通道。1.3.2dmis無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笞鳛闊o線列調(diào)的更新?lián)Q代產(chǎn)品,要能夠滿足區(qū)間公務(wù)移動、緊急救援、調(diào)車編組作業(yè)、站場無線等移動話音通信的需要;同時滿足DMIS無線車次號傳輸、列車尾部風壓、機車狀態(tài)信息、車輛軸溫監(jiān)測、線橋隧道監(jiān)護、鐵路供電狀態(tài)監(jiān)視、道口防護等移動和固定無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?滿足以移動列車為主體的安全信息分發(fā)與預(yù)告報警系統(tǒng)的需要,確保沿鐵路線的施工、軌道養(yǎng)護、平交道口與車輛、車站等人員和設(shè)備的安全,減少事故。1.3.3車載充放電的組織青藏鐵路需要建設(shè)接近連續(xù)式的無線機車信號;鐵路提速、高速和客運專線網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綜合化的行車調(diào)度指揮系統(tǒng)需要高度可靠、高度安全、快速接入的綜合移動通信系統(tǒng),以及透明、雙向、大容量的車-地信息傳輸通道。1.3.4年性能發(fā)展中國鐵路移動通信從無到有,從模擬到數(shù)字,從單一業(yè)務(wù)到多業(yè)務(wù)再到綜合業(yè)務(wù),這既是鐵路運輸發(fā)展的需要,也是技術(shù)進步的趨勢。IT業(yè)在過去20年突飛猛進,微電子技術(shù)從微米向納米技術(shù)過渡;交換網(wǎng)絡(luò)已程控化,從單一業(yè)務(wù)向智能多業(yè)務(wù)交換發(fā)展;骨干傳輸網(wǎng)朝著全光纖網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展;接入網(wǎng)出現(xiàn)三網(wǎng)融合(計算機、通信、廣播);蜂窩公眾移動通信已經(jīng)完成從模擬到數(shù)字的過渡,并朝著寬帶多媒體發(fā)展;無線局域網(wǎng)朝著廣帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展;計算機網(wǎng)絡(luò)IP化,移動IP和移動計算成為電子商務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。IT業(yè)的這些技術(shù)進步必將推動鐵路綜合數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。1.4發(fā)展綜合數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展鐵路綜合數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)是十分必要的,也是鐵路運輸裝備現(xiàn)代化和IT業(yè)進步的必然。中國鐵路將通過綜合數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),實現(xiàn)鐵路各種移動信息資源采集、傳輸,為現(xiàn)代化的調(diào)度、指揮、控制提供通信工具,使鐵路各級生產(chǎn)和管理人員通過綜合數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)共享全路范圍內(nèi)生產(chǎn)和管理領(lǐng)域的信息,并且向社會實時提供鐵路客貨運及其他服務(wù)的信息。2從技術(shù)角度選擇鐵路數(shù)字移動通信制式受IT技術(shù)進步和高速鐵路發(fā)展的驅(qū)動,20世紀90年代以來,世界各國鐵路積極探索和發(fā)展基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC、TBS等),促進了鐵路通信信號一體化,以期更好地滿足現(xiàn)代鐵路運輸發(fā)展的要求。歐洲鐵路經(jīng)過多年的分析論證,歐洲委員會批準選擇GSM-R作為新一代的歐洲鐵路綜合移動通信網(wǎng)絡(luò)制式,1998-2000年進行了為期3年的大規(guī)模試驗。近10年來,中國鐵路經(jīng)歷了重載運輸、電氣化改造、既有線提速、秦沈客運專線建設(shè)等一系列的技術(shù)進步,推動了鐵路通信信號的發(fā)展。與世界其他國家的鐵路一樣,擁有7萬km線路的中國鐵路,其服務(wù)、開放、網(wǎng)絡(luò)特征要求為其服務(wù)的移動通信也必須具備這3個特征。因此,在選擇新一代鐵路數(shù)字移動通信制式的時候,也要以滿足既有鐵路和未來10～15年鐵路進步的需要,以技術(shù)先進成熟和可持續(xù)發(fā)展為原則。90年代初鐵路開始跟蹤研究無線列調(diào)的更新?lián)Q代技術(shù),為了克服干擾,將無線列調(diào)的工作頻率從150MHz頻段遷移到450MHz頻段,在一定程度上提高了無線列調(diào)的通話質(zhì)量。與此同時,也開展了對模擬集群移動通信的研究和試驗。從1995年開始,結(jié)合鐵路運輸?shù)木唧w情況,比選各種專用移動通信制式,經(jīng)過分析研究,選擇GSM-R作為發(fā)展鐵路綜合數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)的制式。與其他制式比較,GSM-R有以下方面優(yōu)勢:(1)專門為鐵路服務(wù)是GSM-R明確的發(fā)展目標,其標準、技術(shù)、設(shè)備在鐵路上的應(yīng)用得到歐洲許多國家的驗證,符合高速鐵路、普通鐵路運輸?shù)囊?在德國、瑞典等國家也開始商業(yè)運營。(2)GSM成熟的標準、技術(shù)和良好的工業(yè)是GSM-R發(fā)展的基礎(chǔ)。GSM被100多個國家200多個電信運營商采納,其網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和移動終端在世界上各種地形地物環(huán)境、各種氣候條件下得到了廣泛的驗證,在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)、運營維護等方面積累了非常豐富的成功經(jīng)驗。(3)GSM-R可以在GSM基礎(chǔ)上實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,走GSM-R/GPRS/WCDMA發(fā)展的道路,與整個通信產(chǎn)業(yè)保持一致,能夠持續(xù)穩(wěn)步地朝著移動分組數(shù)據(jù)、寬帶多媒體、基于IP的核心網(wǎng)絡(luò)方向融合發(fā)展。3網(wǎng)絡(luò)模型和企業(yè)模型3.1無線直通網(wǎng)的用戶接入中國鐵路綜合數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)具有明確的需求和發(fā)展目標,它不是一個孤立的系統(tǒng)。在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)方面,其骨干傳輸應(yīng)用光纖將各路局/分局的移動交換中心連接起來,形成具有迂回自愈功能的傳輸網(wǎng)絡(luò)。沿鐵路的基站與基站控制器通過既有或新建的本地傳輸網(wǎng)連接起來,同步體系使用既有的數(shù)字同步網(wǎng)絡(luò),信令體系依托既有的信令網(wǎng)絡(luò),以No.7和DSS1為基礎(chǔ)。在用戶接入層面,主要提供移動話音業(yè)務(wù)和移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接入,也可以承擔某些固定點的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接入。移動交換中心與既有PSTN、ISDN、PSPDN互聯(lián)互通,特別是與鐵路專用通信網(wǎng)緊密結(jié)合,完成調(diào)度指揮功能。車上、車站、區(qū)間用戶或設(shè)備的接入方式需要符合非調(diào)度集中和調(diào)度集中兩種運輸作業(yè)方式的要求。與應(yīng)用層之間的接口基于既有的計算機通信或數(shù)據(jù)傳輸體系。在機車臺、車站臺、調(diào)度臺形成開放的用戶接口,與列車控制系統(tǒng)互聯(lián)互通,與傳輸層和固定接入網(wǎng)之間的接口基于國際標準化通信協(xié)議。這種網(wǎng)絡(luò)模型能夠確保與既有通信網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通,充分利用既有網(wǎng)絡(luò)資源,減少投資,形成可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ),提供方便靈活和開放的應(yīng)用體系。因此,鐵路綜合數(shù)字移動通信的網(wǎng)絡(luò)模型采用3層體系結(jié)構(gòu),見圖1。3.2發(fā)展鐵路綜合數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)要條鐵路綜合數(shù)字移動通信的業(yè)務(wù)模型采用4層體系結(jié)構(gòu),見圖2。下面3層是GSM-R的業(yè)務(wù)模型,最上層是結(jié)合鐵路實際需要的各種應(yīng)用業(yè)務(wù),這也是需要二次開發(fā)的地方。鐵路綜合數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)的形成是一項十分艱巨、需要持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)工程,與鐵路運輸組織、控制、生產(chǎn)、安全密切相關(guān)。它將以GSM-R技術(shù)體制為基礎(chǔ),充分考慮世界移動通信技術(shù)的發(fā)展方向特別是第三代移動通信技術(shù),以及世界鐵路市場規(guī)律和運輸技術(shù)裝備趨勢,結(jié)合鐵路運輸?shù)木唧w情況進行開發(fā),形成一張覆蓋鐵路干線的巨大網(wǎng)絡(luò),以達到為鐵路運輸提供高質(zhì)量服務(wù)的目的。4作為接收點的gsm-r,社區(qū)與世界其他國家鐵路相比,中國鐵路運輸無論在運輸模式、客貨運輸量和周轉(zhuǎn)量、行車指揮和控制方式、以及在國民經(jīng)濟中所處的地位等方面,都存在不同程度的差別。這樣決定了為其服務(wù)或作為其傳輸基礎(chǔ)設(shè)施的GSM-R必須適應(yīng)其要求。因此,中國鐵路將在GSM-R標準基礎(chǔ)上,吸收歐洲各國鐵路的成功經(jīng)驗,走引進、消化吸收、二次開發(fā)的道路,形成能夠滿足中國鐵路實際需要的網(wǎng)絡(luò)標準,使中國鐵路綜合數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、維護、持續(xù)發(fā)展能夠健康地進行下去。4.1中國鐵路的運行需求歐洲GSM-R標準的頻段為876～880MHz(上行)/921～925MHz(下行),其中上行876～880MHz頻段已經(jīng)分配給中國聯(lián)通用于CDMA移動電話系統(tǒng)。中國鐵路發(fā)展GSM-R需要發(fā)展新的頻段,根據(jù)中國無線頻率資源現(xiàn)狀,中國鐵路希望在1800MHz頻段申請發(fā)展GSM-R。因此,需要評估頻段改變對鐵路應(yīng)用特別是高速鐵路應(yīng)用的影響;需要市場調(diào)查研究1800MHzGSM-R基站、手持/車載終端產(chǎn)品的有效性;需要針對該頻段開展技術(shù)和應(yīng)用試驗;需要評估分析頻段改變對建網(wǎng)成本的影響。4.2推進調(diào)度集中的運輸指揮方式中