铁路通信工程的无线接入技术标准研究

毛鹏翀

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

铁路是人们出行、物流运输的重要交通工具，是国家重要交通设施，为保障铁路的稳定运行，铁路站点以及沿线工作人员需要保持稳定、通畅的通信，为铁路调度、应急指挥提供支撑。在铁路高速化发展的背景下，铁路系统对通信网络有了更高的技术要求，要在传统的通话传输基础上，增加数据传输、视频信号传输，以及高速低延迟通信传输等多样化的服务，提升稳定性、可扩展性等多方面性能。以往铁路通信工程主要采用有线接入技术，这种通信方案的需要耗费大量的人力、财力来架设通信电缆，而且线路会受到自然环境影响，维护检修的难度也比较大。且扩展性也比较差，对于新建铁路工程，或增加新的通信设备，就会涉及到新的布线工程。而无线通信接入技术不需要架设通信电缆，有效降低经济成本和时间成本，也不会受到自然环境影响，运行更加稳定，且扩展性也比较理想，搭设好的无线通信网络还能为乘客提供信息服务。因此从成本、稳定性、服务性等多角度来看，无线通信技术是铁路通信工程的重要发展趋势。

1 铁路通信工程无线接入技术的优势

在铁路高速化发展，以及信息化时代的背景下，铁路系统对于通信网络有了更高的要求，需要提供更加强有力的通信保障功能，以满足新时期体铁路列车通信指挥的工作需要，构建更高速度、更加稳定的通信网络，并积极拓展通信业务内容，构建数字通信网络。我国幅员辽阔，很多铁路站点的距离远，而且可能会途经一些地形地势复杂的地区，传统的有线接入技术难度很大、建设成本也非常高，后期的维护检修工作难度也非常大。因此目前铁路通信工程更青睐无线接入技术，这类技术需架设通信电缆，可以有效降低成本，除此之外，还具备以下几方面的技术优势。

1.1 覆盖面广传输稳定

我国是世界第三大领土大国，地域幅员辽阔，共有18个铁路局，铁路列车不仅会经过不同第二路站点，还会跨越不同省、不同铁路局辖区。因此在铁路运行时就可能遇到不同站点，甚至不同铁路局之间的通信传输，需要借助铁路通信网络来实现，这就需要铁路通信网络要尽可能全面覆盖。有线通信网络的覆盖面主要是在通信电缆的覆盖范围内，被物理媒介所限制，而且如果每个区域的线路因环境因素而损坏，会直接导致这个区域的通信传输失灵。而无线通信网络则是基站远程收发通信信号，这种方式的覆盖面更广，也不会出现线路受到破坏的问题，通信传输更加稳定。

1.2 支持多样化的数据传输

铁路管理是一项综合性工作，涉及的信息也复杂多样，铁路通信不能只局限于通话传输，还应当能够实现音频、图片、视频等多样化的数据传递。构建基于无线通信技术的数字化铁路移动通信网络，能够传输更加多样化的数据信号，满足多方面的铁路管理需要。比如GSM-R系统不仅能够完成基础的通话通信功能，还能实时传输车辆监控信息，并借助GPRS技术获取车次号、车辆当前运行状态等，为铁路管理提供更加及时、准确、全面的列车信息。

2 符合铁路通信工程技术标准的几种无线通信接入技术

2.1 蜂窝技术

蜂窝技术是铁路系统最常用的无线接入技术，是符合铁路通信工程技术标准的无线通信接入技术，利用通信基站接收和发送数字通信信号（电磁波），对讲机、手机等移动终端可以接收来自基站的电磁波，实现无线通信。每隔一段距离布置通信基站，连点成片，形成整片区域的通信覆盖，新建铁路只要在基站覆盖范围内，就无需新建基站。因为基站的布置形态如同连点成面的蜂窝一般，故而得名蜂窝技术。GSM-R系统也是一种基于蜂窝技术的铁路通信无线接入技术，理论上一个GMS通信基站可以覆盖35 km范围的通信传输。

2.2 点对多点数字微波技术

这种无线通信技术主要适合地势平坦的平原地区，这样能够减少阻挡。首先确定无线传输的范围，在中间区域设置中心站，之后在不同方向设置围站，如果中心站和围站之间设置中继站，则可以将覆盖范围实现数百公里，利用这一无线介入技术可以实现电话通信、数据传输、电报等多项通信功能，能够同时为多个在线用户提供服务。也可以将这种技术和蜂窝技术相结合，延伸蜂窝通信基站的覆盖范围，这也是一种符合国家铁路通信工程技术标准的无线接入技术。

2.3 集群通信技术

集群通信技术是通过程控交互设备、计算机互联网技术、微处理技术等集合于一体的无线通信接入技术，这种技术可以实现无线和无线端的短时间通信，通过无线拨号的方式进行群呼、组呼通信。集群通信主要是一对群通信，适合应用在应急抢险、紧急调度指挥等情况。

2.4 卫星通信技术

卫星通信技术是利用卫星作为通信传输的中继站，利用卫星通信可以实现非常大面积的覆盖面，对于我国边境地区、沙漠地区等难以建造基站的区域可以利用卫星通信技术接入到无线通信网中。但是这种技术也有明显的劣势，就是通信费用高，而且有一定延迟，虽然覆盖面比较广，但在使用时还会受到气候等因素影响传输信号，因此难以构建基站实现覆盖的区域，还是尽量不采用这种无线接入技术。

3 铁路无线通信网络系统

铁路无线通信网络系统（GSM-R）全称为Global system of mobile for railway，意为针对铁路的全球移动通信系统，它以GSM系统（全球移动通信系统）为基础，是一种利用基站收发通信信号（电磁波）的蜂窝式无线通信网络。这以系统目前已经非常成熟，2002年首次被欧洲多个国家使用，并取得了显著的应用效果。我国在2015年1月经由中国铁路总公司工作会议通过，决定正式引入这一系统构建我国铁路无线通信网络。GSM-R系统作为当前铁路系统中最为成熟且国际通用的无线通信设施，能够满足铁路通信的各项基本功能，如群呼、优先级别、强插以及组呼等。适合应用在无线列车调度、编组调车、应急指挥、养护维修组织等多种场合，且GSM-R系统的通信传输能够适应300~500 km/h的高速铁路，可以有效满足我国铁路高速化发展背景下对通信传输的需求，其主要功能包括以下几点：

①调度通信。无线列车调度功能是GSM-R的基础性功能，可以进行一对一呼叫、一对多的组呼，或是广播呼叫，适用于客运列车调度、货运列车调度、牵引变电调度、站场通信、应急指挥、维护调度、道口通信等多种场合。比如当在列车前方出现事故时，调度人员可及时下达应急指令通过无线通信网络传递给列车司机，司机就能够根据指令操控车辆，保证车辆及乘客的安全。目前我国铁路朝着高速度方向发展，这就要求信息传递必须快速、及时，最大限度降低延迟问题，提高工作效率。而且GSM-R还能在常规调度通信、语音传输的基础上，将通话记录保存起来，方便管理和责任回溯。②数据信息传输。GSM-R系统能够及时传输车次号、列车停稳信息、列车尾部风压数据等信息，通过GPRS装置，及车辆上的终端感知设备收集车辆运行的相关数据参数，传递给GSM-R系统中并传输给铁路管理人员，为铁路车辆安全管理决策提供重要参考。③远程监控及监控影像传输。在站台及车辆中装设监控设备终端，收集视频信号，将视频信号传递给列车人员，对车厢内部情况进行实时监控。且这些影像信号还可以通过GSM-R无线网络进行传输，列车就可以在进站前可查看前方站台监控影像信息。④移动办公作业。铁路沿线及铁路局辖区的水电、信号、供电、工务等各岗位人员在开展作业时可以利用GSM-R手持通话设备，和车站工作人员、各站点调度人员等建立联系。在特殊情况下，作业人员可以紧急呼叫列车司机，和司机进行通信联络。⑤应急指挥。在铁路沿线遭遇自然灾害或一些影响交通的突发事件情况下，需要立即通知列车司机。或是在列车运行过程中遭遇突发事件，需要和救援中心联络时，都可利用GSM-R系统进行应急指挥，除了能进行通话传输外，还能传输图像、视频等数据信息。⑥紧急呼叫。紧急呼叫可具体分为列车紧急呼叫以及调度紧急呼叫。一旦发起呼叫就会被系统列为最高优先级，保证这一线路的通畅。而且接受方不能拒绝也不能退出，除非发起方主动取消紧急呼叫。在GSM-R无线通信网络中，紧急呼叫的延迟可以控制在1秒以内，这种延迟能够有效满足各类紧急情况下的通信要求。

4 基于铁路通信工程技术标准的通信无线接入技术

铁路运行根据不同场景可以分成包括地面铁路、隧道铁路、桥梁铁路等几种情况，不同场景下的无线接入技术都有着不同的要求，需要结合实际情况选择最佳接入方案，增强无线通信网络的覆盖效果。

4.1 地面铁路的无线接入

对于地面铁路的无线接入需要考虑地形地势，以及地面上的物体。在铁路沿线分布式设置基站，将RRU（射频拉远单元）设置在塔顶位置，提高通信信号的发送覆盖面，新建基站和铁路之间的垂直距离控制在50~300 m的范围。对于专网、公网的出入口位置，比如站台部分，可采用宏站的形式，或是宏站和室内分布系统相结合的方式设置。对于铁路的弯道部分，设置的基站建议位于弯道内侧，这样能够扩大入射角，使无线接入更加稳定。

4.2 隧道铁路的无线接入

对于隧道铁路需要考虑隧道的具体长度来设置无线接入方案：①如果是长度不足100 m的小型隧道铁路，为保证这部分铁路能够接入到无线通信网络中，可在隧道出口的位置设置信号发射装置，向隧道内部定向发射通信信号，因此隧道的距离比较短，这种方式可以达到无线接入的目的。②对于长度超过100 m，但不足200 m的隧道，只在出口位置发射信号可能无法实现完全覆盖，建议分别在隧道两侧进出口分别设置信号收发装置。且需要注意，切换带不能设置在隧道之中，防止铁路列车进出对信号切换造成影响。③对于长度在200~500 m的中型隧道，可以在隧道两端布置信号收发装置的同时，在其中一端安装RRU，并利用功分器将信号分成两路，一路为接收，另一路为朝着隧道中定向发射。此外，也需要切换带不能设置在隧道之中，防止铁路列车进出对信号切换造成影响。④500~1 000 m长的大型隧道，则是在隧道两端布置信号收发装置的同时，两端均安装RRU，并利用功分器将信号各分成两路，分别是信号接收路，和朝着隧道方向定向发射信号的发射路。切换带不能设置在隧道之中，防止铁路列车进出对信号切换造成影响。⑤对于1 000~2 000 m的长隧道，则要在500~1 000 m无线接入方案基础上，在隧道的中间位置增加一个信号收发装置，并安装RRU，且利用功分器将信号分成两路，这两路分别朝向隧道的两端。如果是超过2 000 m的超长隧道，则按照第五种接入方案类推，每1 000 m加入一个信号收发装置并安装RRU和功分器，将信号分成朝着隧道两端的两条路。

4.3 桥梁铁路的无线接入

设计接入方案时要考虑通过铁路桥梁的列车速度、桥梁形态、周边地形等来确定基站的设置方案。如果桥梁的长度比较短，在铁路桥梁的一端设置基站站点即可，如果桥梁长度中等，则在铁路桥梁两端位置分别设置基站。如果是跨过大江、大河、山谷的大跨度铁路桥梁，桥梁上没有设置基站的空间，那么可利用桥梁上的电杆架空搭设无线直放站。

4.4 基站站址的选择

铁路GSM-R无线通信网络建立在GSM基础之上，技术是相通的。一般情况下，城市、乡村等铁路沿线已经建立了大量GSM基站，涵盖到了铁路沿线，如果铁路沿线周围能够目视到GSM基站，那么直接利用这些现场基站即可，无需新建基站。如果铁路周边没有基站，就需要在和铁路垂直距离300 m的距离之内建立高度在20~30 m的基站，并在站顶安装RUU，增强无线通信网络的接入效果。

5 结束语

综上，为了增强铁路通信质量，以为铁路系统安全稳定运行提供更加强有力的保障，中国铁路总公司于2015年正式引入GSM-R无线通信网络技术，这种技术非常成熟，覆盖面广、延迟小、能够满足高速铁路的通信要求，且这也是国内各铁路局以及国际上通用的无线通信网络系统，在跨国铁路线也可以实现互通。在无线接入方面，需要考虑不同铁路运行场景的地形、地势，以保证充分覆盖的原则设置基站，有效接入到铁路无线通信网络中，打造高质量、全覆盖的优质铁路无线通信网络。