鐵路無線通信系統(tǒng)安全設(shè)計方法探究

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時代的進步和發(fā)展,在鐵路通信規(guī)劃布局上,無線通信技術(shù)成為當(dāng)前鐵路通信建設(shè)的核心趨勢。本文在觀點分析的過程中,結(jié)合當(dāng)前我國鐵路無線通信技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀,就目前在鐵路無線通信布局過程中采用的450M無線列調(diào)系統(tǒng)、GSM-R鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)等,分析不同系統(tǒng)的內(nèi)涵基本結(jié)構(gòu)布局,在進行鐵路無線通信布局過程中的功能表現(xiàn)以及特點等,指出目前我國在鐵路無線通信布局過程中存在的問題,并結(jié)合問題給出針對性的問題改善對策。結(jié)合論文觀點分析,就我國鐵路無線通信技術(shù)未來的發(fā)展趨勢進行了展望。從20世紀(jì)50年代開始,我國在鐵路規(guī)劃的過程中正式引入了無線通信技術(shù)。最初為無線列車調(diào)度系統(tǒng),其為150M和450M的單、雙工或單雙工兼容的通信系統(tǒng),隨著技術(shù)的升級,而后推出了450M無線列調(diào)系統(tǒng)[1]。2000年,我國在鐵路無線通信方面,開始引入GSM-R系統(tǒng)。經(jīng)過多年的沉淀和發(fā)展,目前我國在GSM-R系統(tǒng)開發(fā)上也實現(xiàn)了技術(shù)的進一步升級發(fā)展,至少完成了幾十個核心網(wǎng)節(jié)點的建設(shè)。而今,我國能夠充分結(jié)合鐵路運營的需求,盡可能實現(xiàn)相應(yīng)資源的優(yōu)化配置,引入更多先進技術(shù),充分推動鐵路無線通信系統(tǒng)(如圖1)的優(yōu)化和完善,促使在布局的過程中更好契合當(dāng)前鐵路無線通信系統(tǒng)建設(shè)的需求。

1當(dāng)前鐵路無線通信的問題

隨著高速鐵路的不斷發(fā)展,其也對鐵路無線通信技術(shù)研發(fā)提出了更高的要求。雖然既有的無線通信技術(shù)在一定程度上能夠基本滿足鐵路無線通信的服務(wù)需求,但是結(jié)合高速鐵路的發(fā)展趨勢,以及立足長遠發(fā)展視角來說,顯然既有的鐵路無線通信技術(shù)在應(yīng)用上依然存在較多的問題。主要體現(xiàn)在:

1.1突發(fā)性干擾問題

由于當(dāng)前鐵路無線通信系統(tǒng)為充分確保高速鐵路運行過程中依然可以實現(xiàn)較為出色的無線通信服務(wù)支持,所以在進行通信技術(shù)表現(xiàn)上,采取的是寬帶通信。這種通信方式有較寬的頻譜,有較為出色的傳輸速率。為此這也導(dǎo)致在鐵路無線通信的實現(xiàn)上,既有的無線通信技術(shù)應(yīng)用可能會有較大的干擾存在。此外從高速鐵路的建設(shè)布局現(xiàn)狀來說,為了充分滿足高速鐵路運行需求,在過程中一般會有較多的電氣設(shè)備搭載,這也很容易有相對復(fù)雜的電磁干擾產(chǎn)生。由于較多的電氣設(shè)備使用,以及在過程中電氣設(shè)備產(chǎn)生的脈沖干擾,均會對無線通信系統(tǒng)性能表現(xiàn)帶來消極影響,產(chǎn)生信號干擾。

1.2頻繁信號切換容易出現(xiàn)掉線

既有的高速鐵路無線通信系統(tǒng)在系統(tǒng)的建設(shè)和規(guī)劃上,為了保證不同區(qū)域始終能夠有較強的無線信號覆蓋,通常在進行無線信號收發(fā)的過程中,由于鄰近區(qū)域之間信號存在重合,這也會導(dǎo)致移動設(shè)備在檢測到無線信號后會自動完成信號的切換。由于高速鐵路一般有較高的運行速度,為此在列車運行的過程中由于有較快運行速度,導(dǎo)致信號切換的間隔更短。在這種情況下,若是信號切換的時延比系統(tǒng)進行傳輸數(shù)據(jù)處理時延更小情況下,就容易導(dǎo)致出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸丟失的問題。

1.3多普勒擴展問題

若是在無線通信系統(tǒng)運行的過程中有較大的多普勒頻率,這也就會致使在信號傳輸?shù)倪^程中,信號接收端下已經(jīng)完成變頻的基帶信號有頻偏的額情況發(fā)生。在這種情況下,導(dǎo)致信號是真情況發(fā)生。由于信號失真,不僅不利于信道的均衡布局,同時也可以對相應(yīng)解調(diào)性能產(chǎn)生消極影響,不利于通信品質(zhì)保障。為此對于鐵路無線通信技術(shù)的應(yīng)用而言,在進行無線通信系統(tǒng)布設(shè)過程中,不同徑對應(yīng)的多普勒頻移有所差異,所以這也導(dǎo)致移動終端設(shè)備在進行相應(yīng)無線信號檢測上會有較大的實現(xiàn)度,不利于無線通信服務(wù)品質(zhì)的保障。

1.4無線信道加劇

高速鐵路運營過程中,其會有較快的信道移動情況。在這種背景下,對于無線通信技術(shù)也提出了更高的要求。若是在無線信道移動的過程中,移動臺周邊反射體以及散射體存在相對運動,那么此時就會加劇無線信道。這不利于無線通信品質(zhì)的保障。

2鐵路無線通信的核心技術(shù)分析

在高速鐵路飛速發(fā)展背景下,對鐵路無線通信技術(shù)研發(fā)也提出了更高的要求。目前來說,結(jié)合高速鐵路無線通信服務(wù)需求,當(dāng)前在無線通信系統(tǒng)建設(shè)上常用的技術(shù)主要是無線寬帶信道建模技術(shù)、多天線技術(shù)以及無線資源管理優(yōu)化技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)等。結(jié)合不同技術(shù)的整合應(yīng)用,為改善高速鐵路無線通信品質(zhì)起到了一定的推動作用。

2.1無線寬帶信道建模技術(shù)

為了改善高速鐵路無線通信服務(wù)品質(zhì),可以通過模擬高速鐵路無線通信環(huán)境,今習(xí)慣寬帶信道模型的建立。綜合運用理論以及實踐數(shù)據(jù)分析,利用模型就高速鐵路無線信道性能表現(xiàn)展開分析。諸如在過程中是否存在信號衰落或是信號路徑損耗等情況,以及是否存在多普勒擴展、多徑效應(yīng)沖擊響應(yīng)等。借助模型分析,找尋高速鐵路環(huán)境下無線信道寬帶通信性能的核心影響要素,基于此合理進行相應(yīng)無線通信技術(shù)的篩選,確保所使用的無線通信技術(shù)能夠充分契合高速鐵路無線通信服務(wù)需求[2]。實際上在進行高速鐵路無線通信系統(tǒng)(如圖2)建設(shè)上,借助信道建模技術(shù)的引入,能夠確保在獲取到鐵路無線通信的相關(guān)數(shù)據(jù)信息后,直接將數(shù)據(jù)輸入到模型中。借助模型完成數(shù)據(jù)的分析,總結(jié)現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)設(shè)計存在的問題。并結(jié)合問題進行相應(yīng)的設(shè)計調(diào)整,將完成調(diào)整后計算獲取數(shù)據(jù)輸入模型,進行改進方案的驗證。通過這種方式進行無線信道建設(shè)分析,不僅可以確保所規(guī)劃的無線信道能夠充分契合鐵路無線通信服務(wù)需求,還可以有效節(jié)省成本,降低由于前期規(guī)劃失誤導(dǎo)致無線信道規(guī)劃和鐵路無線通信服務(wù)需求不一致情況發(fā)生的概率。

2.2多天線技術(shù)

即我們所說的MIMO、智能天線等技術(shù)應(yīng)用。其中就MIMO技術(shù)在鐵路無線通信方面的應(yīng)用而言,其可以基于線性或是非線性預(yù)先編碼方式有效進行不同區(qū)域空間的分集,或是達成空分復(fù)用,通過這種方式確保在進行無線信道的建設(shè)上能夠有更為可靠的應(yīng)用保障,進一步改善信道的容量。而智能天線技術(shù)指的是在進行技術(shù)應(yīng)用上,借助智能天線實現(xiàn)對指定用戶的精準(zhǔn)跟蹤,這有助于保證在無線信道規(guī)劃上合理減少干擾情況的發(fā)生概率,從而保證所規(guī)劃的無線信道有更大的系統(tǒng)容量。結(jié)合高速鐵路目前無線通信技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀,既有的技術(shù)已經(jīng)難以滿足高速鐵路發(fā)展需求。所以要立足既有技術(shù)基礎(chǔ)實現(xiàn)技術(shù)的升級,并引入更多先進技術(shù)。通過這種方式,促使既有的無線通信技術(shù)能夠通過改進充分契合高速鐵路對無線通信服務(wù)的需求,更好的確保在進行高速鐵路無線通信信號覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)規(guī)劃,合理利用空間,以有效提升無線通信的可靠性和安全性。

2.3無線資源管理優(yōu)化技術(shù)

考慮到高速鐵路的環(huán)境特點,在進行無線通信資源的管理方面,要重視信號切換、資源調(diào)度以及干擾協(xié)調(diào)等相應(yīng)技術(shù)的進一步優(yōu)化。唯有不斷的進行資源管理的優(yōu)化,為鐵路無線通信服務(wù)踐行提供更高效和更合理的資源配置,這也是改善鐵路無線通信服務(wù)品質(zhì)的基礎(chǔ)。隨著我國鐵路運行速度的不斷提升,要求在鐵路無線通信技術(shù)的應(yīng)用上,要充分確保不同區(qū)域間信號切換有較高的成功率,降低由于信號切換失敗導(dǎo)致的數(shù)據(jù)信息傳輸受阻,甚至是所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)資源丟失的情況發(fā)生。

2.4組網(wǎng)技術(shù)

不管是鐵路,亦或是其他場景,要想實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋,就必然要涉及到組網(wǎng)技術(shù)。當(dāng)前我國在無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方面已經(jīng)有相對成熟的技術(shù)支撐。但是對于鐵路無線通信組網(wǎng)實現(xiàn)來說,考慮到鐵路無線信號所覆蓋環(huán)境的復(fù)雜性,要求我們必須結(jié)合既有的組網(wǎng)技術(shù),融入鐵路無線通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)要求,實現(xiàn)既有組網(wǎng)技術(shù)的升級發(fā)展,使其更契合鐵路無線通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的要求。需要結(jié)合高速鐵路運行情況合理進行既有無線寬帶組網(wǎng)技術(shù)的升級和創(chuàng)新,結(jié)合鐵路無線網(wǎng)絡(luò)使用需求,針對鐵路車站地面骨干、蜂窩望樓哦和列車車廂內(nèi)部局域網(wǎng)進行聯(lián)合組網(wǎng),確保組網(wǎng)的高效、可靠,充分保障無線通信過程中有更低傳輸時延,通過既有資源整合利用,達成最優(yōu)組網(wǎng)效果。

3未來鐵路無線通信的發(fā)展展望

通過對當(dāng)前我國鐵路通信技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀分析和解讀,在鐵路運營的過程中,要求所使用的通信技術(shù)能充分確保在列車高速運行狀態(tài)下,借助通信技術(shù)應(yīng)用依然可以實現(xiàn)高速運行列車相應(yīng)數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)獲取,并能夠滿足列車視頻監(jiān)控需求,合理進行列車運營組織,并能夠通過通信技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)鐵路在運行過程中存在的故障信息,快速完成故障的診斷和排除。此外從鐵路乘客需求角度來說,要求在通信系統(tǒng)布局上,通過搭載先進通信技術(shù),能夠充分滿足乘客使用移動互聯(lián)網(wǎng)的需求。雖然當(dāng)前我國在鐵路無線通信技術(shù)的研發(fā)方面已經(jīng)取得了一些成績,但是既有成績的取得相較于飛速增長的鐵路無線通信服務(wù)需求來說,依然有較大的改善空間。隨著鐵路運行速度的不斷提升,未來要求在鐵路無線通信技術(shù)研發(fā)上,要充分滿足更快運行速度下依然能夠?qū)崿F(xiàn)安全可靠的無線通信服務(wù),保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝Ш蜏?zhǔn)確。所以立足技術(shù)研發(fā)視角,未來相應(yīng)的研發(fā)人員在鐵路無線通信技術(shù)的研發(fā)上,其不僅要有較高的運行速率、較低的時延以及較為出色的使用安全性和可靠性[3]。這也是鐵路無線通信未來發(fā)展的必然趨勢(如圖3)。

引用

[1]鐵道部運輸局.450MHz調(diào)度命令無線傳送系統(tǒng)主要條件(V.4)[S].2005:4.

[2]鐘章隊,黃吉瑩.我國鐵路GSM-R的發(fā)展研究[J].中國鐵路,2006(11):12-14.

[3]沈嘉.LTE-Advanced關(guān)鍵技術(shù)演進趨勢[J].移動通信,2008(16):20-25.

作者:莊艷霞 單位:中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司烏魯木齊通信段