大准铁路无线通信发展趋势

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【摘要】大准铁路专用无线通信是大准铁路运输生产的重要基础设施，是保障行车安全的重要通信设备，对铁路运输与安全起着重要作用。是实现新时期铁路安全、高效、重载发展要求的重要保障。巴准—大准—准池铁路路网形成后，开行2万吨列车已提上日程，现有的无线通信系统已满足不了新形势业务应用要求，如何解决机车同步操控、车头视频监控等业务应用已是迫切需要解决的问题。通过本文分析铁路专用宽带无线多媒体集群系统是重载信息化的最佳实现方案。【关键词】现状经验问题及措施可比性趋势
大准铁路专用无线通信系统是铁路运输生产的重要基础设施，对铁路运输与安全起着重要作用，是实现新时期铁路安全、高效、重载发展要求的重要保障。
一、现状
目前大准铁路全线采用TG400-4无线列调系统和400K电力接触网感应通信相结合的方式，用于机车联控和货物列车完整性检查等业务。450M采用无线列调A制式，两种通信方式集成在一个通信终端上，系统根据通信情况进行自动切换。路网形成后，巴准—大准—准池铁路开行2万吨列车，力争让重载列车开行技术走在集团前列，现有的无线通信系统无法新形势下大准线路机车同步操控、车头视频监控等业务应用。为有效解决上述问题，更好地助力大准重载铁路信息化建设，需要建设更符合未来发展趋势的无线通信系统。
二、经验
1.400K+400M优势互补，有效解决了山区电气化铁路弱场通信问题，提高了通信的可靠性。
大准铁路具有山区电气化铁路的典型特征，地形、地貌复杂、弯道多、隧道密集。在九十年代初期建线时，选用400K感应式通信方式，利用接触网导线作波导线传输信号，场强分布沿感应线（接触网）作链状分布，几乎不受环境中地形、地貌影响，投资小、性能可靠、场强覆盖率高、维修方便。同时400K感应通信频率较低，抗干扰能力小，感应通信干扰来源多，接触网导线上各种干扰信号，造成通信信噪比下降，通信质量变坏，通信距离降低。而400M电台频率高，不易受到其它用电器、电磁场的干扰，抗干扰能力强。不足之处受地形地貌限制多，山区、隧道内信号衰减大。
选用400K+400M合二为一电台，400KHZ和400MHZ信号双重覆盖，场强覆盖无盲区，有效解决了山区电气化铁路弱场通信问题，提高了通信的可靠性。
2.技术改造取得新成果
2011年3月完成了无线列调车站电台电源改造工作。大准线无线列调车站电台采用220V交流电+蓄电池供电方式，使用该供电方式存在问题：（1）由于交流电电压不稳，经常烧毁车站电台电源模块；（2）由于交流电频繁停电，导致蓄电池充放电频繁，大大缩短了蓄电池的使用寿命。经过多次论证、试验，决定将车站电台供电方式改造为从智能高频开关电源直接供12V直流电，改造后的车站电台不需要另外加装蓄电池，运行稳定。这样不但有效地减少了由于交流电不稳而引起的电台故障，而且还降低了维护成本。
完成20部电力机车无线列调机车电台改造为轨道车电台的改造工作。大准线电力机车使用的无线列调机车电台有部分已到大修期，对这部分电台的电源进行改造，即110V供电改变为24V供电方式，并进行了指标调整与老化试验，各项指标均符合要求，目前改造后的电台已全面投入运用，运行状态良好。
3.改变400K天线耦合方式、加装功分器等技术措施，解决技术难题。
2012年增二线施工，站场扩能改造，供电接触网杆移设，供电方式发生变化。由于大准线无线列调车站电台400K电台天线是架设在供电接触网杆上的，通过接触网线传输400K电信号，增二线施工中，股道的增加引起接触网杆移设，400K天线随之移设；另一方面站场改造过程中，站内上下行接触网线之间利用绝缘瓷瓶隔开了，400K信号被隔断，绝缘瓷瓶的另一边形成了400K弱场区，几乎所有的车站台400K天线都是这样，如何解决400K弱场问题？经过20多次反复试验、测试，最终改变400K天线耦合方式、加装功分器等技术措施，解决了施工改造形成的400K弱场区问题。
三、问题及措施
存在问题：1.无线列调设备还处于起步阶段只能满足车机联控，大三角通信还未得到满足，更谈不上调度命令无线传输、列车无线防护报警通信等。2.未能利用好光纤直放站车站台监控和网管系统。3.大准线目前采用的是450M无线列调A制式，采用共享式通信方式，所有的业务都在一个通信信道中展开，无法满足目前大准线路机车同步操控、车头视频监控等业务应用。为有效解决上述问题，.大准线到目前为止，为满足无线车次号输传的要求，只对以站中心为界上下行3公里范围内进行弱场区补，400M信号传输还存在盲区。
改进措施：1.引进新技术、新设备发挥设备潜能。GSM-R技术、WLAN、LTE技术、McWiLL技术。2.充分利用监控和网管系统迅速准确地判断和排除故障。3.大准线全线400M弱场区补强，解决巴准、大准、准池路网形成后巴准单400M机车电台车机联控问。
四、可比性
目前无线通信技术种类繁多，可应用于铁路行业实现重载信息化的无线通信技术主要包括以下几种：
1.450M无线列调。450M结合400K的通信方式是目前大准线主要的无线通信制式，由于受到通信技术的限制，实际使用中通信干扰非常严重（主要表现在同频干扰、邻线干扰、列尾干扰、信道占用方式不合理等方面），通话效果差、杂音大，数据通信带宽低、能力差，通信可靠性差，严重影响行车安全。主要存在以下几方面问题：（1）450M无线通信建设年代较早，全线盲区很多，严重影响行车。目前大准铁路正在作全线补盲。但是450M无线通信技术远远落后于目前公网通信技术，，其并存在制式全国不统一的问题，不符合现代化铁路信息化发展趋势，将要面临全面淘汰；（2）450M通信能力低，目前只能用作调度通信和列尾通信，实现简单的小三角调度通信业务，少数区段可以用来传送车次号，使用效果很不理想，大三角调度通信业务无法全面开展，更无法满足未来铁路列车信息化的其他无线通信需求；目前大准线正在安装机车驾驶室监控设备，但450M无线列调无法有效的提供宽带高速率的传输能力，将视频实时传到地面；450M无线列调系统近期也提出了模拟数字化的概念，但相关设备及技术解决并未形成成熟产品，因此其成熟解决方案及实际可行实施应用还需要相当长的一段时间；（3）运煤专线隧道内漏缆故障率高，通信效果差，450M盲点非常多，基本都靠400K通信，但是400K通信技术在实际使用中传输距离很短，只能用作450M盲区的辅助通信且400K通信设备的主要厂商大都已经陆续停产，后续服务无法得到保障；（4）频率资源对于无线通信系统至关重要，但工信部正计划收回铁路450M无线列调使用频率，将不利于450M无线列调的使用和发展。
综上所述，450M无线列调已不适用于重载信息化建设。
2.GSM-R。
GSM-R通信技术起源于欧洲，目前在德国、瑞士、荷兰、意大利等国家均已进入商业运用。由于GSM-R具有适应铁路运输特点的功能优势，以及更符合通信信号一体化技术发展的需要，因此铁道部2000年底正式确定将GSM-R作为我国铁路专用通信的发展方向。GSM-R作为成熟的第二代铁路数字移动通信系统，能够满足语音调度通信和承载低速数据业务的需求，但也存在以下问题：
（1）GSM-R总带宽仅为9.6Kbps，不具备视频功能、缺乏无线宽带数据传输的支撑能力，无法满足铁路信息化发展中列车动态监控、运输管理、资源管理和工程管理等信息化平台的要求，业务发展受到限制；（2）GSM-R在铁路行业应用频段为上行：885-889，下行：930-934，共计4M频宽，且不能支持同频组网，频率资源紧张，因此铁道部并不允许地方铁路使用GSM-R应用于重载信息化；（3）GSM-R系统总信道数只有8个，信道资源紧张，不利于实现多业务并发。
总体来说，GSM-R应用于重载信息化有相当的局限性。
3.WLAN。
WLAN技术广泛应用于公众便携宽带接入应用，技术成熟且使用便捷，能够提供较大的带宽实现宽带化的业务应用，但是对于铁路行业应用却存在一系列问题：（1）WLAN因为定位于公众便携宽带接入，其使用的2.4G/5.8GHz ISM频段属于无线局域网、无线接入系统、蓝牙技术设备、点对点或点对多点扩频通信系统等各类无线电台站共用的开放频段，在具体网络应用中一方面会受到较大的频率干扰，另一方面其安全性并不能够得到切实可靠地保障。（2）其传输距离较短，WLAN覆盖范围一般是100-150米，存在大量无线覆盖死角，造成服务的不连续性，用户体验差，面对铁路重载行业正线条件，其需要大量的设备，工程实施困难。（3）WLAN只能应用于数据业务，存在无语音业务的一大缺陷，针对铁路应用只能以WLAN+TETRA相对独立的两张网结合的方式实现，不便于后期维护。（4）WLAN在铁路的应用较少，应用部分也只定位为辅助办公应用系统，对于重载铁路的解决并未有成熟的解决案例。
综上所述，采用WLAN技术并不是解决重载信息化的有效手段。
4.LTE。
LTE应用并不成熟，主要体现在不容忽视的三方面问题：（1）频率的不确定性。我国TD-LTE频谱的规划尚未确定，重载铁路应用中存在频率选择的风险。（2）语音方案尚不成熟。LTE采用了“分组域话音”这一比较超前的设计，注定造成LTE话音（VoLTE）技术的成熟滞后于LTE数据业务。目前虽然多个国际运营商正在积极研发VoLTE和SRVCC技术，但受限于配套的IMS技术的可靠性，此项技术近期还很难成熟。我国尚未选定TD-LTE语音方案，为TD-LTE终端的研发和产业化带来了很大的不确定性。（3）还未形成支撑实际应用的产业链。简而言之，我国TD-LTE目前的发展速度并不乐观。目前采用LTE技术实现重载信息化不确定性较高，不具备成熟稳定的应用保障。
5.McWiLL。
McWiLL（Multi-carrier Wireless Information Local Loop，多载波无线信息本地环路）宽带无线接入系统，采用国际最先进的码扩正交频分多址（CS-OFDMA）、智能天线、空间零陷、联合检测等无线通信技术，使其无线性能远远高出现有的宽带无线通信（BWA）技术；McWiLL基于IP分组交换网络以及软交换核心网络架构，可以与既有的系统进行互联互通。McWiLL宽带无线接入系统是工信部“宽带无线移动通信技术专家组”和科技部“宽带无线战略研究组”重要技术战略研究对象，是《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中确定新一代宽带无线移动通信网、水体污染控制与治理和重大新药创制三个重大专项之一。国家发展与改革委员会2008年新一代宽带及网络应用产业化专项批复的46项目中，特别针对McWiLL技术与应用的达三项之多，仅次于面向公共无线电话网的TD-SCDMA。目前McWiLL？已成为国际电信联盟（ITU）宽带无线接入国际标准。我公司铁路专用宽带无线多媒体集群系统采用McWiLL产品（技术），该产品（技术）应用于铁路具备以下优势：（1）McWiLL产品（技术）具有覆盖范围广、高带宽、高保密性、非视距传输、支持高速移动、支持终端漫游切换等先进优势，可实现重载信息化中列控数据传输、语音集群调度、可视化调度、无线视频监控、机车同步、终端卫星定位等业务应用；具备最大300业务信道的并发量，能够提供120路终端并发处理能力，有利于实现大量的业务并发。（2）频率方面，McWiLL产品（技术）分别于2008年，2012年得到工信部无线电管理局的相关批文，获得1800MHz、400MHz和340MHz的授权频率。（3）McWiLL产品（技术）是支持同频组网的无线通信系统。针对铁路具体应用，就技术方面配合铁道部运输局和科技司、铁路各设计院研发高铁信息化、重载信息化解决方案；就产品方面积极联合多方合作伙伴丰富了系统的产业链。（4）McWiLL产品（技术）应用成熟度高，已获得大规模商用，国内外McWiLL网络用户已达数百万人，商用基站数超过1万台。McWiLL产品是基于成熟的McWiLL技术平台开发的，智能天线、软件无线电等核心技术均已经过了商用考验。
五、趋势
大准重载铁路是经由大同到准格尔的铁路线路，东起山西省大同市，西至内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗薛家湾。正线全长264公里，途径两省六旗县（市），是已形成的“西煤东运”大通道。大准铁路正在规划将运输能力从目前的1万吨增至2万吨，为缓解蒙西地区的煤炭外运紧张问题做出更大贡献。这对大准铁路信息化建设，特别是对机车同步操控应用提出了更高的需求。针对大准铁路通信网络现状及业务规划需求，为了更好的保障现有业务的有效开展并且能够满足未来业务应用扩展的需求，大准铁路需要一套高宽带、高速率、广覆盖、支持全业务应用开展的无线通信系。神华集团已通过1800MHz频段在神华集团的使用审批，同时，工信部在1800MHz频段方面给予了铁路专用宽带无线多媒体集群系统正式使用授权，所以采用铁路专用宽带无线多媒体集群系统建设大准铁路无线通信系统在频率上最具备合法性。铁路专用宽带无线多媒体集群系统已在朔黄铁路就列控数据、列尾数据传输业务做过系统规模测试，测试内容包括端到端传输时延、数据传输成功率等指标。根据测试数据统计分析，各类测试指标性能良好，符合重载铁路应用要求。
综上，McWiLL铁路专用宽带无线多媒体集群系统对比450M无线列调、GSM-R、WLAN、TD-LTE等系统（技术）来说，在行业用户信息化建设、应急指挥通信等方面有着明显的技术和功能优势，是重载信息化的最佳实现方案。