一種LTE-R和400 MHz數(shù)字雙模列尾機車電臺實現(xiàn)方法

丁鳳霞 邊利平 宋宗瑩 羅群

摘要 文章闡述了新一代LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾機車電臺的實現(xiàn)方法?；贚TE機車電臺，利用既有列車調(diào)度通信LTE-R無線信道，增加400 MHz數(shù)字制式列尾機車電臺提供400 MHz數(shù)字制式無線信道，與LTE機車電臺共用操作顯示終端，在充分效利用既有設(shè)備、節(jié)約成本的同時，實現(xiàn)LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾機車電臺功能，雙模通信制式可有效提高列尾通信在山區(qū)和隧道等復(fù)雜地形區(qū)段的可靠性，保障鐵路運輸安全。

關(guān)鍵詞 LTE-R;數(shù)字對講;列尾通信;CSBK;LTE機車電臺

中圖分類號 TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0005-03

0 引言

鐵路貨運以其受氣候等自然環(huán)境條件影響小、單車裝載貨物量大、運輸能力強，尤其是在大宗貨運和長距離貨運方面的絕對優(yōu)勢，成為現(xiàn)代貨運的最主要運輸方式之一，也是與我國的經(jīng)濟和地理特征最為適合的主要運輸方式，承擔(dān)了我國絕大部分木材、煤炭、鋼鐵和原油及各種大運量冶煉物資的運輸任務(wù)，對我國社會經(jīng)濟的平穩(wěn)發(fā)展具有無法替代的作用。貨列尾安全防護(hù)系統(tǒng)已在我國鐵路運輸中長期成熟運用，主要實現(xiàn)對列車尾部風(fēng)壓的監(jiān)測和操控列尾主機進(jìn)行輔助排風(fēng)制動功能，對提高運輸效率、保障行車安全具有重要作用。目前，國家能源投資集團（神華股份有限公司）下屬各鐵路公司的列尾安全防護(hù)系統(tǒng)及設(shè)備以模擬無線通信為主、多種無線通信制式并存運行，對于列車開通長交路套跑十分不便，列尾裝置的維護(hù)復(fù)雜程度和維護(hù)成本較高，在車站、樞紐等設(shè)備密集區(qū)域同頻及鄰頻干擾現(xiàn)象較為明顯，在山區(qū)和隧道等復(fù)雜地形區(qū)段列尾通信的有效距離受遮擋影響較為嚴(yán)重[1]。

中國神華能源股份有限公司新一代鐵路貨列尾安全防護(hù)系統(tǒng)及設(shè)備采用LTE-R制式和400 MHz數(shù)字通信制式，兩種制式同時工作，能夠有效降低模擬制式貨列尾通信中存在的同頻及鄰頻干擾現(xiàn)象，解決山區(qū)和隧道等復(fù)雜地形環(huán)境區(qū)段貨列尾通信受遮擋影響嚴(yán)重問題。同時，統(tǒng)一列尾無線通信制式有效降低了列尾裝置的維護(hù)復(fù)雜程度及維護(hù)成本，為重載機車緊密運行及開通列車長交路運行套跑提供了設(shè)備保障。

1 雙模列尾通信

1.1 LTE-R制式列尾通信

LTE-R制式無線列尾通信業(yè)務(wù)由LTE-R網(wǎng)絡(luò)承載，與LTE-R列調(diào)業(yè)務(wù)共用相同頻段，采用IP/UDP協(xié)議進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信。列尾機車電臺登錄用戶名為“機車號+端號”，列尾主機登錄用戶名為“列尾ID+LTE-R通信模塊端號”，LTE-R通信模塊登錄并注冊到LTE-R網(wǎng)絡(luò)后自動獲取靜態(tài)IP地址。 LTE-R網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到全線路信號覆蓋，能夠避免列尾無線通信在山區(qū)和隧道等復(fù)雜地形區(qū)段受環(huán)境遮擋影響。

1.2 400 MHz數(shù)字制式列尾通信

根據(jù)我國無線頻率資源規(guī)劃的相關(guān)規(guī)定和數(shù)字無線對講技術(shù)的發(fā)展水平，400 MHz數(shù)字制式列尾無線通信選用TDMA調(diào)制方式，采用基于DMR數(shù)字移動無線電標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議下的點到點異頻直通方式。在400 MHz低端頻率中選用fa作為列尾機車電臺向列尾主機發(fā)送數(shù)據(jù)的工作頻率，fb作為列尾主機向列尾機車電臺發(fā)送數(shù)據(jù)的工作頻率。為降低同頻干擾現(xiàn)象，應(yīng)適當(dāng)拉大fa和fb的間隔，根據(jù)鐵路總公司的相關(guān)頻率規(guī)劃，fa可采用414.025 MHz，fb可采用10 MHz頻率間隔的404.025 MHz。

400 MHz數(shù)字制式列尾無線通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量較少，適宜采用DMR中數(shù)據(jù)傳輸方式控制信令消息結(jié)構(gòu)即CSBK傳輸列尾無線通信數(shù)據(jù)。CSBK數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：數(shù)據(jù)頭（2字節(jié)）+數(shù)據(jù)（8字節(jié)）+CRC（2字節(jié)）。其中8字節(jié)長度的數(shù)據(jù)部分可承載列尾無線通信數(shù)據(jù)，由2個連續(xù)的CSBK承載1幀完整的列尾通信數(shù)據(jù)。連續(xù)兩個CSBK傳輸時間僅需120 ms，有效提高了列尾數(shù)據(jù)傳輸效率，縮短了列尾數(shù)據(jù)傳輸所占用無線頻率資源的時間，可大幅降低車站等列尾設(shè)備使用密集區(qū)域無線通信的同頻干擾現(xiàn)象。CSBK數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 雙模列尾通信

列尾機車電臺和列尾主機LTE-R通信模塊成功獲取LTE-R網(wǎng)絡(luò)IP地址后，設(shè)備自動進(jìn)入LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模模式，同時以兩種通信制式傳輸列尾無線通信數(shù)據(jù)，當(dāng)其中一種制式通信失效時，另一種通信制式仍然能夠保證列尾無線通信數(shù)據(jù)成功傳輸;若列尾機車電臺和列尾主機未能獲取LTE-R網(wǎng)絡(luò)IP地址，設(shè)備僅工作在400 MHz數(shù)字單模模式，只通過400 MHz數(shù)字制式進(jìn)行列尾無線通信[2]。

2 雙模列尾機車電臺

列尾機車電臺需具備LTE-R通信模塊和400 MHz數(shù)字通信模塊分別提供兩種制式的無線信道，實現(xiàn)LTE-R+400 MHz數(shù)字兩種制式的雙模列尾無線通信。目前朔黃鐵路在用的LTE機車電臺配備有LTE-R通信模塊用于無線列調(diào)通信，為有效利用既有設(shè)備，降低LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾機車電臺設(shè)備成本，同時盡量不新增操作顯示終端設(shè)備，可利用既有LTE機車電臺的LTE-R通信模塊提供LTE-R無線信道同時傳輸列尾通信數(shù)據(jù);再增加400 M數(shù)字制式列尾機車電臺提供400 MHz數(shù)字制式無線信道;并與LTE機車電臺共用操作顯示終端;形成LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾機車電臺，在實現(xiàn)無線列調(diào)通信功能的同時實現(xiàn)列尾通信功能。機車電臺構(gòu)成如圖2所示。

LTE機車電臺配備有主備雙LTE-R通信模塊，主用LTE-R通信模塊故障時可自動切換為備用LTE-R通信模塊工作，實現(xiàn)LTE-R通信模塊的熱備份功能。LTE-R模式列尾通信數(shù)據(jù)量較少，可與LTE機車電臺共用LTE-R通信模塊，不會對LTE機車電臺原無線列調(diào)業(yè)務(wù)功能產(chǎn)生影響。列尾通信所用LTE-R模塊與LTE機車電臺原LTE-R無線列調(diào)業(yè)務(wù)功能保持一致，遵循原LTE機車電臺LTE-R通信模塊主備切換的工作機制，即LTE-R模式列尾通信具備LTE-R通信模塊熱備份功能，使列尾通信更加穩(wěn)定可靠[3-4]。

新增400 M數(shù)字制式列尾機車電臺為列尾通信提供400 MHz數(shù)字制式無線信道，實現(xiàn)400 MHz數(shù)字模式列尾通信功能。400 M數(shù)字制式列尾機車電臺主要由供電單元、控制單元、記錄單元、400 M信道機及天饋系統(tǒng)等組成，通過通信電纜連接至LTE機車電臺數(shù)據(jù)接口。400 MHz數(shù)字制式列尾通信為異頻單工通信方式，400 M數(shù)字制式列尾機車電臺內(nèi)部只需配備1臺400 MHz數(shù)字收發(fā)信機即可滿足功能需求。

設(shè)備具有標(biāo)準(zhǔn)型和小型化兩種結(jié)構(gòu)形式，標(biāo)準(zhǔn)型設(shè)備為基于標(biāo)準(zhǔn)型LTE機車電臺，新增的400 MHz數(shù)字列尾機車電臺為內(nèi)嵌式安裝在標(biāo)準(zhǔn)型LTE機車電臺的B子架內(nèi)，節(jié)省機車設(shè)備安裝空間，外部無須新增供電電纜，標(biāo)準(zhǔn)型外形結(jié)構(gòu)如圖3所示;小型化設(shè)備為基于小型化LTE機車電臺，小型化外形結(jié)構(gòu)如圖4所示，新增的400 MHz數(shù)字列尾機車電臺為獨立設(shè)備，通過通信電纜連接LTE機車電臺。兩種結(jié)構(gòu)形式適應(yīng)不同型號機車的設(shè)備安裝要求。

列尾機車電臺示意圖

3 市場前景

LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾通信大幅降低了列尾設(shè)備密集區(qū)域無線通信同頻和鄰頻干擾現(xiàn)象，同時避免了列尾無線通信在山區(qū)和隧道等復(fù)雜地形區(qū)段受環(huán)境遮擋影響，有效保障了列尾通信的穩(wěn)定性和可靠性;統(tǒng)一列尾無線通信制式在降低列尾裝置維護(hù)復(fù)雜程度和維護(hù)成本的同時，為重載線路列車的緊密運行及開通長交路運行套跑提供了便利條件和設(shè)備及技術(shù)保障，對提高運輸作業(yè)效率、保障行車安全具有重要作用。

目前神華集團朔黃鐵路公司已建成LTE-R通信網(wǎng)絡(luò)，并應(yīng)用于無線列調(diào)通信系統(tǒng)，神華集團下屬其他各鐵路公司也在積極地規(guī)劃、建設(shè)LTE-R網(wǎng)絡(luò)。LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模貨列尾安全防護(hù)系統(tǒng)及設(shè)備非常適用于神華集團下屬各鐵路公司和我國各地方鐵路貨列尾通信。同時，LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾系統(tǒng)也符合我國國鐵貨列尾通信系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，符合全球鐵路行業(yè)專用移動通信技術(shù)向LTE-R發(fā)展的方向，符合模擬無線講技術(shù)向數(shù)字無線對講技術(shù)發(fā)展和過渡的趨勢。

4 結(jié)論

該文立足于充分有效利用既有設(shè)備，研究并提出了雙模列尾機車電臺的技術(shù)方案，實現(xiàn)了LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾機車電臺功能。LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾機車電臺是以朔黃鐵路在用的LTE機車電臺為基礎(chǔ)，增加400 MHz數(shù)字制式列尾機車電臺，在實現(xiàn)無線列調(diào)通信功能的同時實現(xiàn)LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾通信功能。設(shè)備具備標(biāo)準(zhǔn)型和小型化兩種結(jié)構(gòu)形式，適應(yīng)不同型號機車的設(shè)備安裝要求，LTE-R+400 MHz數(shù)字雙模列尾機車電臺具有廣泛、良好的市場前景。

參考文獻(xiàn)

[1]雙模貨物列車尾部安全防護(hù)系統(tǒng)暫行技術(shù)規(guī)范： TJ/DW179—2015[S]. 北京：中國鐵路總公司， 2015.

[2]雙模貨物列車尾部安全防護(hù)設(shè)備暫行技術(shù)條件—列尾機車臺： TJ/DW180—2015[S]. 北京：中國鐵路總公司， 2015.

[3]王芳， 邸士萍. LTE-R系統(tǒng)架構(gòu)研究[J]. 鐵路通信信號工程技術(shù)， 2016（6）： 23-26.

[4]李春鐸， 郭強亮， 藺偉. LTE-R寬帶移動通信系統(tǒng)調(diào)度通信技術(shù)方案研究[J]. 鐵道通信信號， 2019（S1）： 16-20.