摘要：现如今，我国是科学技术发展的新时期，通信技术得到了快速的发展，与此同时，频谱资源十分紧缺。为满足人们在搭乘列车出行时对移动网络的需求，铁路通信受到越来越广泛的重视。长期以来，铁路通信作为一种专用通信，享有特定频段。但铁路通信频段在大多时间里存在频谱浪费。鉴于此，通过在铁路专网中构建认知无线网络的方法，可以提高铁路专网频谱的利用率。在铁路专网的认知无线网络中，LTE-R基站在不影响列车行驶安全的前提下，将专网频谱共享给车上的人员使用，并尽可能保证人员设备实时业务的低延时。仿真结果表明，在不影响列车与地面控制中心正常通信的前提下，使用认知无线网络提高了铁路通信系统频谱的利用率，且保证了人员低延时业务的通信时效性。
关键词：铁路通信系统；认知无线网络；LTE-R；车载网关
引言
目前铁路的运行需要以高效稳定的通讯作为基础，而其中移动通讯系统起到了重要的作用，并且随着技术的不断提升，铁路的运行速度也有了很大的提高，这就要求运行过程中移动通讯系统的数据传输能够适应这种高速运行的要求。有效的达成调度、通讯功能，避免发生事故，保证铁路系统运行的安全稳定。
1铁路通信工程无线接入技术
无线接入技术就是将无线传输媒体接入到网络中，将固定或移动终端服务向用户进行提供，但是因为铁路的运行速度是非常快的，使得在铁路通信网络中大多数使用的都是无线接入网络。铁路通信的主要作用就是为相关人员提供及时、可靠的通信，比如人员、工作人员、运维人员以及应急救援等等，使铁路运输的效率得以大大提高，使服务水平不断提升，从而使车辆的安全得以有效保证。同时，随着铁路通信式程中无线接入技术的不断发展，想要使铁路通信功能得到保证，其增值服务以及相关业务也要能使铁路的通信需求得以满足。
2基于通信的铁路业务和移动终端业务
2.1铁路通信业务
在GSM-R系统中，铁路通信业务可以总结为以下3种业务类型：（1）安全性通信应用业务（如列车控制信号ETCS消息）；（2）铁路管理运营的相关通信业务（如对讲机通话）；（3）其他通信应用业务，不干扰列车运行（如车载CCTV系统、定时语音报站、车载设备文件更新等）。由于上述3种基于通信的铁路业务数据速率较小，难以对铁路通信网络的容量造成影响。为了更好地观察CPU使用网络对无线电频谱管理的影响，在仿真实验中，文件更新业务使用以下仿真数据，下行数据速率分别是500kbit/s、1Mbit/s、2Mbit/s、3Mbit/s。本文主要从无线电应用和管理的角度研究铁路专网系统中频谱资源的使用问题，且仅研究其下行链路资源的使用，包含以下4种PU的业务：（1）ETCS应用业务，负责包括车载单元和地面控制中心两部分的数据交换，主要实现地面控制中心对列车行驶的控制，如实现对列车的加减速和制动等操作。每条ETCS应用大约为128B。ETCS属于安全性通信应用。（2）语音通话业务，铁路运营管理的基本通信应用业务。在铁路运营管理过程中，对讲机是最常用的通信设备，如铁路维修人员之间的通话。本文的仿真实验中，假设在整个仿真过程中施工人员一直通话，且数据速率是64kbit/s。（3）定时语音报站业务，主要以广播形式定时给列车上的通报当前列车所在位置和当前列车乘载的人员数量。在仿真实验中，假设列车上的车载设备每隔20s就会收到地面控制中心发来的报站信息，且每条信息的平均持续时间是5s，数据速率是64kbit/s。（4）文件更新业务，主要是车载通信设备通过车地无线接口从控制中心下载更新文件，以更新车载设备信息。
2.2在自动报点系统中的应用
自动报点系统是铁路通讯系统的重要组成部分，有利于中心及时了解列车的运行参数，从而做出正确的调整，避免出现安全隐患。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此，在实际运用阶段，需要在列车上安装移动通信终端，其主要组成结构为天线随动系统、编码器、译码器等设备组成，有利于在固定的频段进行通讯，防止出现串频或跑频等问题。同时，还需要在列车内部安装车载控制器，可以起到读写列车运行参数的作用，包括车次、列车速度、到站时间等。当数据提取完毕后，需要进行处理工作，并将数据传输至移动通信终端内，从而向卫星发射信息，再传输至地面，以完成数据的传输工作。
2.3 GSM-R
GSM-R通信技术最早起源于欧洲，是在GSM公众移动通信系统的基础上增加了铁路运输专用调度通信功能，它主要由交换机、基站、机车综合通信设备、手机等组成，目前在德国、意大利、瑞典等大多数国家普遍应用，我国铁路于2000年底正式确定将GSM-R作为我国铁路通信系统的发展方向。它主要提供无线列调、编组调车通信、区段养护维修作业通信、应急通信、隧道通信等语音通信功能，可为列车自动控制与检测信息提供数据传输通道，并可提供列车自动寻址和人员服务。
2.4铁路专网结构及其保证机制
在建设铁路专网时，可以将公网数据和专网业务数据在一起存储，同时分别路由分析两个网络的用户数据，这一过程需要单独设置用户数据、中继群组和路由数据，在设置用户数据时需要正确存储公网和铁路专网的用户号码形式，公网数据只需存储公网区号和号码即可，而使用了NGT一机双网后，还需要将专网用户号码进行存储；此时，需要设置公网和专网不同的号首集，然后根据不同的分析和路由进行不同的指向。当进行中继设置时，考虑到保持网络体系结构不变的同时与PSTT网进行大量互通的需求，可以分别开通NGT媒体网关到铁路专网和公网的直达中继，从而有效区分铁路专网PSTT和公网PSTN；另外，还需要开通NGT媒体网关到铁路话务台的直连中继。目前各种网络一般按照业务区分，比如PSTN网提供的是语音业务，引入NGT的目的是提供综合业务的网络，但在一定时期内还有PSTN和NGT共存的阶段。PSTT向NGT演进的过程中，其互通点可以处于长途交换网或本地交换网，一般而言，当长途网被软交换网代替时存在本地网的互通，当软交换网代替本地网中端局、汇接局时，就存在和长途网的互通。由于铁路专网的复杂性，需要提高网络的服务质量Qos，保证网络单元的业务流和服务达到需要的标准，其性能参数主要包括：传输延迟、吞吐量以及丢包率等。Qos实现上常见的方法是按照服务水平的要求为每个数据流分配资源，但这样可能会耗尽有限的资源；为解决这一问题，可以引入优先级的概念，从而将IPQos分为基于资源预留和基于优先级两种类型，前者按照业务的Qos要求进行资源分配，后者分配资源时对Qos要求高的业务会优先处理，无论是哪种方法，都可以用于单个数据流或聚集的数据流；单个数据流是业务中单向的数据流，聚集数据流由多个单数据流组成。
2.5旅客移动终端SU业务
4G技术的高数据速率使越来越丰富的互联网业务能够在移动终端上实现。对互联网生活和高速网络的习惯性依赖使人们即使是在出行的旅途中也希望能够随时随地获得稳定可靠的互联网服务，如在列车上实现高清语音通话、在线视频观看或发送电子邮件等。本文使用VoIP、Video和Best Effort（BE）这3种常见通信业务代表乘客在旅途中可能出现的通信情况，并且规定VoIP业务的端到端接收时间小于150ms，Video业务的端到端平均延时小于500ms，BE业务的端到端接收延时尽量小。
结语
本文针对铁路专网中存在的频谱浪费问题和人员在选择铁路出行时希望能够享受高速的互联网接入服务现状，提出了铁路专网中构建认知无线网络的方案。通过认知无线网络提高铁路专用频谱利用率和人员的乘车体验，凸显无线电频谱管理的重要性。认知网络在处理不同的人员业务服务时，对不同的业务区别处理，优先保证人员的实时业务。仿真结果显示，在铁路专网中构建认知无线网络，在不影响列车运营安全的前提下，认知无线网络提高了铁路专网的频谱利用率，并且能够保证人员实时业务接收延时较小。
参考文献：
[1]王健，张耀兰.不同类型数据业务对无线资源的需求及影响分析[J].中国新通信，2010（01）.
[2]吴进波.感知无线电系统中能量检测及MAC层调度技术的研究[D].北京邮电大学，2010.
论文作者:周旷晨
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/22
标签：铁路论文; 业务论文; 通信论文; 频谱论文; 专网论文; 公网论文; 列车论文; 《基层建设》2019年第24期论文;