闫石，栾德杰，唐汇东，冯军
（中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京100081）
摘要：无线调车机车信号和监控系统（STP）车地通信采用数传电台时，存在传输速率低、半双工通信机制带来的并发访问限制及扩容能力不足等问题，而采用GSM-R时数据传输速率低。分析利用宽带移动通信技术替代STP既有通信方式的可行性，重点研究该技术的组网方案与实施方案，并在实验室进行了接口和功能测试，测试结果满足应用需要。
关键词：无线调车机车信号和监控系统（STP）；宽带移动通信；BBU；RRU；组网方案
中图分类号：U285文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）05-0093-05 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.05.093
0引言
无线调车机车信号和监控系统（STP）主要装备在编组站、区段间、中间站等有调车作业的铁路站场，系统由地面控制设备和车载控制设备2部分构成，是基于无线通信的调车机车控制系统［1］，车地通信 利用数传电台或GSM-R网络传输控制命令和机车状态［2］。随着系统的大量推广运用，既有车地无线数据通信方式在工程实施和设备运用过程中存在以下问题：数传电台可用频率资源有限，相邻车站间存在无线干扰，多数只能通过更换无线频点解决；调车机通过站台雨棚或其他遮挡物时，因数传电台的信号传输距离和建筑物的屏蔽作用，容易造成通信中断，影响调车作业正常进行；采用数传电台、GSM-R时，数据传输率低、带宽窄，随着应用站场的规模增大，如在大型编组站存在多个调车场和多台调车机车时，由于车地传输数据量大，多机车控制信息轮询传输时间长，影响系统控制精度，且在普速车站GSM-R覆盖范围有限，即使有GSM-R覆盖的站场，其网络资源也普遍较为紧张。
宽带移动通信技术具有带宽灵活、频谱利用率高、时延低等优点［3］，并支持高速移动，具有完善的服务保障机制，可作为铁路站场无线通信网络制式［4］。
1STP通信需求
1.1STP工作原理
STP由地面控制设备和车载控制设备组成。调车机
基金项目：中国铁道科学研究院科技研究开发计划项目（2016YJ054）
第一作者：闫石（1980—），男，副研究员。
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无线调车机车信号和监控系统宽带移动通信方案研究闫石等
车进入车站联锁集中区，经过应答定位器后，车载控制设备确认机车所在位置，通过无线通信把机车车号、机车位置等信息发送给系统的地面控制设备，进行入网注册申请，地面控制设备接收到注册申请信息后，在满足入网条件时，向该机车发送确认注册信息，为该机车分配注册号，建立安全控制信息通道，系统进入调车监控工作状态。
地面控制设备获取计算机联锁或TDCS/CTC系统的站场表示信息进行处理后，根据调车机车所在位置及开放的调车信号，通过无线通信向作业的调车机车发送控制命令。为了能最有效地利用无线频率，系统在某个车站采用1个无线频点对多台机车进行控制。系统控制对象的选择、机车位置的确定是通过应答定位器、轨道区段占用状态等多种条件进行确认，进而保证系统工作的安全可靠。
车载控制设备在接收到控制命令后，将其接收的控制命令、机车确切位置、机车速度、车载控制设备工作状态等有关信息回送给地面控制设备，实现系统的闭环控制。同时根据接收的信号开放条件、限制条件、距离前方信号的距离等控制命令，运算出相应的控车指令，通过列车运行监控装置（LKJ）对机车的速度及停车距离进行控制［5］。
1.2通信需求
STP技术标准中提出系统对使用电台和GSM-R的技术要求［6］，结合实际应用，STP对宽带移动通信的主要技术需求见表1。2无线组网方案和实施方案
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2.1BBU与RRU组网
分布式由基带控制单元（BBU）与射频拉远单元（RRU）构成，BBU与RRU之间通过通用无线公共接口（CPRI）光纤进行通信，BBU与最远的RRU之间光缆长度可达20km。BBU与RRU可采用链形、环形、星形组网3种方式［7-8］，不同组网方式比较见表2。
综合分析比较，BBU与RRU之间采用星形组网时，可靠性最高。
2.2实施方案对比
综合考虑网络覆盖范围、网络结构体系安全性和提高核心网应用水平多方面因素，对不同结构的核心网实施方案进行分析比较（见表3）。
综合考虑不同结构核心网实施特点，在此采取分布式冗余方案，实验室部署见图1，主要包含2套EPC，（互为备份，其中1套兼作DSC服务器）、2套BBU和RRU、1套用户终端设备（CPE）、1台路由器及1套机架。
2.3实施方案分析
2.3.1信号干扰分析
对于同频组网的干扰，宽带移动通信的正交频分复用（OFDM）技术，以及各种控制信道和业务信道的设计灵活性，使其可以同频组网；对于小区间同频干扰，设成不同PCI、不同扰码可以解决；另外，根据实际经验，“塔下黑”问题一般出现在塔高为60~ 70m时，并且几率不大，15m塔高不存在这种情况；盲点也可采用一些小直放站来补盲。
2.3.2系统容量分析
STP要求可并发接入16辆车，一体化及BBU/ RRU设备可支持32~400个用户并发接入，满足此需求。
表2BBU与RRU
组网方式比较
表1STP旋转倒立摆
对宽带移动通信的主要技术需求
无线调车机车信号和监控系统宽带移动通信方案研究闫石等
对于连接建立失败率、连接丢失概率，用户设备（UE ）接入成功率≥99%。实际应用中，CPE 具有自动重置UE 拨号的功能，重置时间<3s ，只要信号正常，可达到100%接入成功。
2.3.3传输速率分析
STP 传输字节为300Bytes 左右，速率为19200b/s ，
通过边缘链路预算分析，理论上为自由空间传输，5km 后速率可达理论最大值。
对于实测丢包率、传输干扰时间及恢复时间等小
区边缘速率，单站单向（单流，单天线）覆盖800~900m 的位置，5MHz 带宽，上下行速率≥1Mb/s ，上下行各发送1Mb/s ，丢包率<0.1%。传输干扰恢复时间视干扰源而定，如果是外部干扰源且一直存在，则传输会一直受到影响。如果是之间的同频干扰，一般在切换前对业务有影响，切换完成后，同频干扰对业务的影响可忽略。
2.3.4传输时延分析
（1）STP 对时延的要求为<250ms ，目前宽带移动通信网络UE 与eNodeB 之间的单向时延<5ms ，具体根
据实际网络情况有所不同。
（2）呼叫连接时延：CPE 正常拨号过程大约3s ，最差情况CPE 初次接入不成功，重置后重新拨号，搜网拨号过程<10s 。
（3）端到端最大时延：在无切换状态下一般小于50ms ，最大不超过100ms ；切换状态下，如果无乒乓切换，端到端最大时延<150ms ；最差情况，如果发生多次乒乓切换，端到端最大时延可达200~300ms ，甚
至有400ms 左右的情况偶然出现。但站场场景基本不出现乒乓切换现象。
3网络结构
STP 基于宽带移动通信系统示意见图2。数据交换
自动干手器中心（DSC ）安装在地面控制中心，与地面控制设备通
信，负责与地面控制设备的握手消息交互、与车载传输模块（RTM ）安全链路的保持维护。RTM 安装在机车上，与车载控制设备通信，将车载控制设备信号转成无线信号，负责与车载控制设备建立握手关系、与DSC 安全链路的保持维护、将车载控制设备422链路信号转换成无线信号。车地无线通信系统采用宽带移动通信无线网络系统，包括CPE 终端、BBU/RRU 、
核心网EPC
。
车地通信流程见图3，基本流程为：
图1
实验室部署方案
图2
STP 基于宽带移动通信系统示意图
表3
不同结构的核心网实施方案比较
无线调车机车信号和监控系统宽带移动通信方案研究闫石等
（1）车载控制设备向RTM 发送“握手请求”，建立安全连接。
（2）地面控制设备往DSC 发送“握手请求”，将自己的16位地址告知DSC 。
电子离合器（3）安全连接建立成功，车载控制设备往地面控制设备发送数据。
（4）当车载控制设备往地面控制设备发送数据后，DSC 建立车载控制设备与地面控制设备的关系，地面控制设备可以往车载控制设备发送广播数据。
4实验室测试
仿真模拟测试平台见图4，包含1套地面控制设备
（地面控制主机、电务终端、车务终端）、1套车载控制设备（车载控制主机、LKJ2000监控装置、作业单打印机）、1套宽带移动通信网络设备（地面通信设备、车载通信设备）、1套模拟测试设备（地面模拟系统、作业单模拟系
统、应答定位器模拟单元、LKJ2000模拟系统）［9］。
在实验室对基于宽带移动通信的车地通信系统进行STP 全场景、全功能测试，进一步验证了基于宽带移动通信的车地通信系统完全满足相关技术标准要求。该方案性能参数设定合理，系统可用性和稳定性符合实际需求。
5结束语
设计一种基于宽带移动通信技术的STP 数据传输完
整方案，通过对比分析BBU 与RRU 的组网方案，提出接口方案并规定通信流程；搭建实验室模拟环境，对接口和系统功能进行测试，测试结果满足相关标准要求。下一步将研究基于宽带移动通信的调车机车控制技术扩展应用［10］，在现有通信系统基础上适当扩展，综合考虑车站区域的统一覆盖，
在一张网络内提供集调度、视频调度、数据传输、无线视频监控业务的统一部署，满足铁路站场日常调度指挥、货检、列检、调车各工作场景的无线通信需要。
参考文献
mrp游戏
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责任编辑卢敏
收稿日期2021-01-19
图3
车地通信流程
图4实验室测试平台示意图
无线调车机车信号和监控系统宽带移动通信方案研究闫石等
YAN Shi,LUAN Dejie,TANG Huidong,FENG Jun
(Signal &Communication Research Institute,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,
Beijing 100081,China)
光纤电话机Abstract:When a data transfer radio is adopted for the train-ground communication of the shunting train
protecting (STP),there are such problems as low transmission rate,limited concurrent access caused
by half-duplex communication mechanism and insufficient capacity expansion,while the data transmission rate is low when GSM-R is used.The feasibility of replacing the existing STP communication mode with the broadband mobile communication technology is analysed,the networking scheme and implementation plan of this technology are emphatically studied,and the interface and functions are proved to meet the application requirements based on the lab tests.
Keywords:Shunting Train Protecting (STP);broadband mobile communication;BBU;RRU;networking scheme
“中国画火车第一人”王忠良老师火车钢笔画系列作品
——《天路》青藏铁路
青藏高原NJ 2型内燃机车
主要参数：轴式：C 0-C 0；牵引功率：3240kW （平原），2333kW(海拔5072m)；最高运行速度：120km/h。机车采用3机重联牵引，当其中1台机车发生故障时，仍能满足牵引3000t 货物列车或16辆编组（960t ）旅客列车全线运行的要求；司机室内设有供氧装置。
牵引旅客列车最高运行速度：非冻土区段120km/h，冻土区段100km/h。
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