中国铁路无线通信系统的发展与思考

中国铁路无线通信系统的发展与思考

1中国铁路全球数字通信系统的建设1.1纪的60年代目前，中国铁路总面积超过7000公里，是经济和社会的主要支柱。铁路移动通信从20世纪的60年代开始,设备不断发展,制式不断完善。在无线列调、平面调车、区间移动、单信道对讲机、道口无线通信、DMIS无线车次号传输、列车尾部风压无线传输、红外轴温无线传输等方面都有较大的发展,至今已形成中国铁路全网的规模,成为保障铁路运输安全生产的重要手段。1.1.1无线列调系统的特点目前,铁路无线列车调度电话系统作为行车“三大件”之一,对提高运输效率、保证行车安全有着重要作用。根据中国铁路运输的特点,参考UIC751标准开发的主要制式有A、B、C3种,分别为450MHz或150MHz的单工或双工通信系统。在铁路沿线的场强覆盖已经达到93%以上,能够完成列车调度员、车站值班员与进入其管辖区段内的列车司机、车长进行通话。无线列调从20世纪60年代起,经历了TW8C/D、TW12、TW42三代产品。除上述的几种铁标规定的标准无线列调制式设备外,各设备生产厂家还根据现场的实际需要开发出一些新的满足铁路生产需要的无线产品,扩展了产品功能,承载了许多新业务。如机车出入库检修电台、场强自动测试电台、400M+400K感应电台、区间互控式遥控电台、具有数话同传功能的无线列调电台等无线列调产品。列车无线防护报警系统、监护道口无线报警系统、DMIS无线车次号传输、列车尾部风压无线传输等。1.1.2独立的单工通信系统除无线列调系统外,在铁路区段站、编组站还存在平面调车等站场无线通信系统和许多单位投资建设的各种独立的单工通信系统。平面无线调车系统解决峰头、峰尾之间编组场内的调车问题,以铁路调车标准为依据,提供了调车区长台、机车台、手持台的平面调车系统,同时还具有语音通话功能,及一系列符合现场使用要求的专用功能的信令传输、灯光显示、语音提示等,满足了调车指挥的需要,在铁路得到了广泛的应用。1.1.3单工通信系统为了满足其它工种的作业通信要求和车站内部指挥的需要,在站场内及铁路沿线还存在大量由部门单位自行投资建设的各种独立的单工通信系统,如工务、公安、电力、水电、电务维修、列检、施工等。这些系统均以同频或异频单工通信方式为主,独立使用,缺少统一的规划和集中管理,但同时又是不可缺少的部分。1.1.4模拟集群移动通信系统试验线建设为加速铁路专用移动通信的发展,从1991年起中国铁路积极研究开发集群移动通信系统,安装了多套800MHz单基站模拟集群移动通信系统,并在柳州—南宁铁路区段建设模拟集群移动通信系统试验线,主要开展话音业务。集群移动通信系统是多信道综合业务无线移动通信系统,可以为行车调度、客货站场调度指挥、公安保卫、施工维修等运输生产部门提供移动通信手段。中国铁路从20世纪80年代末不断地研究和探索满足铁路运输需要的无线通信功能,既有无线列车调度通信制式经历了40多年的运营,其他无线通信手段也基本是模拟制式。1.2无线列调信道制式制约铁路接入中国铁路正在朝高速铁路、客运专线方向发展,既有无线通信提供的业务和功能与现代铁路运输需要之间的差距在不断扩大,主要体现在以下方面:(1)模拟无线列调单信道制式严重制约铁路应用,枢纽地区同频干扰严重、信道接入困难;(2)铁路移动数据通信业务日益增多,无线车次号传输、列车尾部风压无线传输等都叠加在无线列调之上,造成已紧张的无线列调信道更是不堪重负;(3)铁路工种繁多,各部门无线移动通信自成体系,不能互联互通;(4)模拟无线列调不能满足新一代基于通信的列车控制系统(CBTC)对车-地传输通道的要求;(5)单信道无线列调不能满足客运专线和高速铁路等现代铁路运输的信息化和旅客服务对车-地间传输提出的更高要求。1.3无线通信的需要1.3.1移动商务需要满足以旅客为主体的移动信息服务系统,如车上订票服务、电子移动商务、旅客移动增值服务等的需要;以及铁路路网移动体(机车、车辆、集装箱等)实时动态跟踪信息传输的需要,为开展实时网上信息查询和各种管理信息系统提供移动传输通道。1.3.2dmis无线数据传输的需求作为无线列调的更新换代产品,要能够满足区间公务移动、紧急救援、调车编组作业、站场无线等移动话音通信的需要;同时满足DMIS无线车次号传输、列车尾部风压、机车状态信息、车辆轴温监测、线桥隧道监护、铁路供电状态监视、道口防护等移动和固定无线数据传输的需要;满足以移动列车为主体的安全信息分发与预告报警系统的需要,确保沿铁路线的施工、轨道养护、平交道口与车辆、车站等人员和设备的安全,减少事故。1.3.3车载充放电的组织青藏铁路需要建设接近连续式的无线机车信号;铁路提速、高速和客运专线网络化、智能化、综合化的行车调度指挥系统需要高度可靠、高度安全、快速接入的综合移动通信系统,以及透明、双向、大容量的车-地信息传输通道。1.3.4年性能发展中国铁路移动通信从无到有,从模拟到数字,从单一业务到多业务再到综合业务,这既是铁路运输发展的需要,也是技术进步的趋势。IT业在过去20年突飞猛进,微电子技术从微米向纳米技术过渡;交换网络已程控化,从单一业务向智能多业务交换发展;骨干传输网朝着全光纤网络方向发展;接入网出现三网融合(计算机、通信、广播);蜂窝公众移动通信已经完成从模拟到数字的过渡,并朝着宽带多媒体发展;无线局域网朝着广带数据业务发展;计算机网络IP化,移动IP和移动计算成为电子商务的关键技术。IT业的这些技术进步必将推动铁路综合数字移动通信网络的发展。1.4发展综合数字移动通信网络发展铁路综合数字移动通信网络是十分必要的,也是铁路运输装备现代化和IT业进步的必然。中国铁路将通过综合数字移动通信网络的建设,实现铁路各种移动信息资源采集、传输,为现代化的调度、指挥、控制提供通信工具,使铁路各级生产和管理人员通过综合数字移动通信网络共享全路范围内生产和管理领域的信息,并且向社会实时提供铁路客货运及其他服务的信息。2从技术角度选择铁路数字移动通信制式受IT技术进步和高速铁路发展的驱动,20世纪90年代以来,世界各国铁路积极探索和发展基于通信的列车控制系统(CBTC、TBS等),促进了铁路通信信号一体化,以期更好地满足现代铁路运输发展的要求。欧洲铁路经过多年的分析论证,欧洲委员会批准选择GSM-R作为新一代的欧洲铁路综合移动通信网络制式,1998-2000年进行了为期3年的大规模试验。近10年来,中国铁路经历了重载运输、电气化改造、既有线提速、秦沈客运专线建设等一系列的技术进步,推动了铁路通信信号的发展。与世界其他国家的铁路一样,拥有7万km线路的中国铁路,其服务、开放、网络特征要求为其服务的移动通信也必须具备这3个特征。因此,在选择新一代铁路数字移动通信制式的时候,也要以满足既有铁路和未来10～15年铁路进步的需要,以技术先进成熟和可持续发展为原则。90年代初铁路开始跟踪研究无线列调的更新换代技术,为了克服干扰,将无线列调的工作频率从150MHz频段迁移到450MHz频段,在一定程度上提高了无线列调的通话质量。与此同时,也开展了对模拟集群移动通信的研究和试验。从1995年开始,结合铁路运输的具体情况,比选各种专用移动通信制式,经过分析研究,选择GSM-R作为发展铁路综合数字移动通信网络的制式。与其他制式比较,GSM-R有以下方面优势:(1)专门为铁路服务是GSM-R明确的发展目标,其标准、技术、设备在铁路上的应用得到欧洲许多国家的验证,符合高速铁路、普通铁路运输的要求,在德国、瑞典等国家也开始商业运营。(2)GSM成熟的标准、技术和良好的工业是GSM-R发展的基础。GSM被100多个国家200多个电信运营商采纳,其网络设施和移动终端在世界上各种地形地物环境、各种气候条件下得到了广泛的验证,在网络规划、建设、运营维护等方面积累了非常丰富的成功经验。(3)GSM-R可以在GSM基础上实现可持续发展,走GSM-R/GPRS/WCDMA发展的道路,与整个通信产业保持一致,能够持续稳步地朝着移动分组数据、宽带多媒体、基于IP的核心网络方向融合发展。3网络模型和企业模型3.1无线直通网的用户接入中国铁路综合数字移动通信网络具有明确的需求和发展目标,它不是一个孤立的系统。在基础网络方面,其骨干传输应用光纤将各路局/分局的移动交换中心连接起来,形成具有迂回自愈功能的传输网络。沿铁路的基站与基站控制器通过既有或新建的本地传输网连接起来,同步体系使用既有的数字同步网络,信令体系依托既有的信令网络,以No.7和DSS1为基础。在用户接入层面,主要提供移动话音业务和移动数据业务的接入,也可以承担某些固定点的无线数据业务的接入。移动交换中心与既有PSTN、ISDN、PSPDN互联互通,特别是与铁路专用通信网紧密结合,完成调度指挥功能。车上、车站、区间用户或设备的接入方式需要符合非调度集中和调度集中两种运输作业方式的要求。与应用层之间的接口基于既有的计算机通信或数据传输体系。在机车台、车站台、调度台形成开放的用户接口,与列车控制系统互联互通,与传输层和固定接入网之间的接口基于国际标准化通信协议。这种网络模型能够确保与既有通信网络之间的互联互通,充分利用既有网络资源,减少投资,形成可持续发展的基础,提供方便灵活和开放的应用体系。因此,铁路综合数字移动通信的网络模型采用3层体系结构,见图1。3.2发展铁路综合数字移动通信网络要条铁路综合数字移动通信的业务模型采用4层体系结构,见图2。下面3层是GSM-R的业务模型,最上层是结合铁路实际需要的各种应用业务,这也是需要二次开发的地方。铁路综合数字移动通信网络的形成是一项十分艰巨、需要持续发展的系统工程,与铁路运输组织、控制、生产、安全密切相关。它将以GSM-R技术体制为基础,充分考虑世界移动通信技术的发展方向特别是第三代移动通信技术,以及世界铁路市场规律和运输技术装备趋势,结合铁路运输的具体情况进行开发,形成一张覆盖铁路干线的巨大网络,以达到为铁路运输提供高质量服务的目的。4作为接收点的gsm-r,社区与世界其他国家铁路相比,中国铁路运输无论在运输模式、客货运输量和周转量、行车指挥和控制方式、以及在国民经济中所处的地位等方面,都存在不同程度的差别。这样决定了为其服务或作为其传输基础设施的GSM-R必须适应其要求。因此,中国铁路将在GSM-R标准基础上,吸收欧洲各国铁路的成功经验,走引进、消化吸收、二次开发的道路,形成能够满足中国铁路实际需要的网络标准,使中国铁路综合数字移动通信网络的规划、设计、建设、维护、持续发展能够健康地进行下去。4.1中国铁路的运行需求欧洲GSM-R标准的频段为876～880MHz(上行)/921～925MHz(下行),其中上行876～880MHz频段已经分配给中国联通用于CDMA移动电话系统。中国铁路发展GSM-R需要发展新的频段,根据中国无线频率资源现状,中国铁路希望在1800MHz频段申请发展GSM-R。因此,需要评估频段改变对铁路应用特别是高速铁路应用的影响;需要市场调查研究1800MHzGSM-R基站、手持/车载终端产品的有效性;需要针对该频段开展技术和应用试验;需要评估分析频段改变对建网成本的影响。4.2推进调度集中的运输指挥方式中