第一节 移动通信在铁路中的应用
一、移动通信概述
1.移动通信的基本概念
所谓移动通信，是指通信参与者中至少有一方能够在移动状态下进行信息传递的通信方式。例如，手机与手机之间、手机与固定电话机之间的通话，都属于移动通信。相比固定通信，移动通信更加自由方便，能够帮助人们实现在任何时间、任何地点和任何通信对象之间进行通信；然而，移动通信的实现要比固定通信复杂得多。
2.移动通信的主要特点
移动通信与固定通信相比，其主要特点如下：
（1）移动通信必须采用无线通信方式。要实现人或物体在移动状态中通信，就必须利用无线电波来传递信息，即采用无线通信方式，或无线通信与有线通信相结合的方式。
（2）移动通信信道的电波传播情况复杂。因无线电波在空中扩散传播，会受到地形地物的影响，从而产生反射、折射、绕射、散射等现象，又由于移动体可能在各种环境中运动，继而产生信号的传播损耗、多径衰落、脉冲展宽、阴影衰落、多普勒频移等效应，致使无线电波的接收质量变差。
（3）移动通信容易受到噪声和干扰的影响。在周边环境中产生的各种噪声（是指某些电磁波），系统内多路信号之间产生的相互干扰都会降低移动通信质量。
（4）移动通信的管理和控制复杂。由于移动台在服务区域内随时运动，需要采用位置登记、越区切换及漫游存取等技术；由于无线电波传播方式容易造成信息泄密，需要采用鉴权、加密等安全性技术，这就使得移动通信网络的信令种类比固定网络要复杂得多。此外，在入网和计费方式上，移动通信也有特殊的要求。
（5）移动通信要求频带利用率高。目前移动通信主要采用UHF和VHF频段，其频率资源是极其有限的，但是移动通信网络的用户数量却在不断增长，这使得用户需求和系统资源之间的矛盾越来越突出。为此，一方面要拓展新的频段，一方面要在有限的已有频段中采取有效利用频率的措施，如窄带化、缩小频带间隔、频率复用等技术来解决。
（6）移动通信对移动台要求高。由于移动台经常处于移动状态，所接触的外界环境随机变化，如尘土、振动、碰撞、温湿度变化等，这就要求移动台具有很强的适应能力。此外，还要求移动台性能稳定可靠、携带方便、功耗低等。
3.移动通信的分类
移动通信可按以下方式进行分类。
（1）按设备的使用环境划分
依照设备的使用环境，移动通信主要可分为陆地移动通信、海上移动通信和航空移动通信。在一些特殊使用环境，如地下隧道矿井、水下潜艇和太空航天等，也会用到移动通信方式。
（2）按服务对象划分
根据服务对象的不同，移动通信可分为公用移动通信和专用移动通信。
公用移动通信面向社会公众提供通信服务。公用移动通信网络应能提供较大的系统容量，方便用户接入。目前我国的公用移动通信网络主要由中国移动、中国联通、中国电信等公司经营。
专用移动通信为某些特定行业（部门）提供通信服务。例如：公共安全方面有公安、消防、急救等移动通信；应急救灾方面有地震、防汛等移动通信；交通运输方面有铁路、公路、汽车调度、机场调度、海上及内河航运等移动通信。专用移动通信网络的系统容量要比公用移动通信网络的系统容量小一些，但在可靠性、及时性、安全性等方面会有更高的要求。由于各个行业（部门）的业务需求和通信环境有所不同，因而各种类型的专用移动通信技术之间会存在某些差异。
（3）按信号形式划分
按信号形式的不同，移动通信可分为模拟移动通信和数字移动通信。
以模拟信号形式传输信息的移动通信称为模拟移动通信。模拟移动通信系统包括第一代蜂窝移动通信系统、模拟无绳电话、模拟集群调度系统等。模拟移动通信主要存在频率利用率低、信号质量差、不利于保密、设备体积大等缺点，已经逐步被数字移动通信所替代。
以数字信号形式传输信息的移动通信称为数字移动通信。第二代移动通信系统及其以后的各代移动通信系统均属于数字移动通信系统。数字移动通信的主要优点为频谱利用率高、抗干扰能力强、管理灵活有效、安全性高、可降低设备成本等。
（4）按多址方式划分
按多址方式划分，移动通信可分为频分多址（FDMA）移动通信、时分多址（TDMA）移动通信和码分多址（CDMA）移动通信。
第一代模拟移动通信系统（如AMPS、TACS、NMT等）大都采用频分多址技术；第二代数字移动通信系统中，有的系统（如GSM、D-AMPS、PDC等）采用时分多址技术，有的系统（如IS-95CDMA）采用码分多址技术；第三代移动通信系统（如WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等）普遍采用码分多址技术。
（5）按工作方式划分
按照通信方向控制方式的不同，移动通信可分为单工、双工和半双工三种工作方式。
单工方式是指通信双方设备交替地进行收信和发信。这种方式具有设备简单、功耗小等特点，但操作不方便。单工方式一般适用于简易、小规模的通信场合，如对讲机系统。
双工方式是指通信双方收发信机均同时工作，即任何一方发送信息时，同时可以收到对方的信息。这种工作方式设备复杂、耗电量大，但因其使用方便，在移动通信中获得了广泛应用。双工方式主要用于公用移动通信网。
半双工方式是指通信双方中，有一方使用双工方式，而另一方使用单工方式。其优点是设备简单、功耗小，克服了通话断断续续的现象，但操作仍不太方便。半双工方式主要用于专用移动通信系统中，如汽车调度系统、铁路调度系统等。
4.主要的移动通信系统
随着移动通信应用范围的不断扩大，移动通信系统的类型也越来越多，下面介绍几种典型的移动通信系统。
（1）蜂窝移动通信系统
蜂窝移动通信系统是当前应用最为广泛的一种移动通信系统。该系统把整个服务区域划分为若干个较小的区域（称为小区），每个小区各自使用小功率的发射机进行覆盖，许多小区像蜂窝一样能布满任意形状的服务地区。由于在不同的小区能够实现频率复用，可以大大提高系统容量，这是蜂窝移动通信系统的主要优点。
为了实现移动通信，蜂窝移动通信系统应具有位置登记、越区切换、漫游等功能。此外，该系统还可以与公用电话网中的交换中心相连接，实现移动用户与本地电话网用户、长途电话网用户及国际电话网用户的通话接续；可与公用数据网相连接，实现数据业务传递。
蜂窝移动通信系统主要由移动台（MS）、基站（BS）和移动交换中心（MSC）三部分组成，如图1-1所示。
图1-1 蜂窝移动通信系统的组成
①移动台（MS）
MS是整个系统的终端设备。MS通过无线方式接入移动通信网络，为用户提供通信功能。MS的类型有车载台、便携台和手持台等。
②基站（BS）
BS一方面以无线方式与MS相连，负责无线发送、接收和无线资源管理；一方面以有线或无线方式与MSC相连，完成用户之间的通信连接和信息传递。
③移动交换中心（MSC）
MSC是整个系统的核心，负责对本区域内的移动用户进行通信控制与管理，主要完成呼叫处理、信道管理、越区切换、位置登记、鉴权等功能。
（2）集群移动通信系统
集群移动通信系统是一种专用调度通信系统。这种系统一般由控制中心、总调度台、分调度台、基站及移动台组成，如图1-2所示。
图1-2 集群移动通信系统的组成
集群移动通信系统可以实现将几个部门所需要的基站和控制中心统一规划建设、集中管理，而每个部门只需要建设自己的调度指挥台（即分调度台）及配置必要的移动台。集群移动通信系统能够实现共用频率、共用覆盖区，即资源共享、费用分担，使公用性与独立性兼顾，从而获得最大的效益。
集群通信的基本原理是：由中央控制器集中控制和管理系统中的每个信道，并以动态方式迅速把空闲信道分配给发起呼叫的用户，通话完成后又将该信道收回给等待的用户使用。因此，集群通信方式极大地提高了频道使用率。
集群通信系统具有单呼、组呼、全呼、紧急告警/呼叫、多级优先等适合调度业务的专用功能。除完成调度通信外，该系统也可以通过控制中心的电话互连终端与本部门的小交换机相连接，提供无线用户与有线用户之间的电话接续。
当前主要的数字集群通信系统有欧洲的TETRA和美国的APCO25两个标准。
（3）无中心通信系统
无中心通信系统不设中心控制设备，这是其与蜂窝网和集群网的主要区别，它将中心集中控制转化为电台分散控制。由于不设置中心控制，可以节约建网投资，并可以提高频率利用率。该系统采用数字选呼方式，采用共用信道传送信令，接续速度快。
无中心通信系统的组成如图1-3所示。
系统中的任何一个电台可在其无线覆盖区内任意选择另外一个或一组电台直接通信，电台之间的通信距离可达3～5km。为了选定呼叫对象，无中心通信系统通常采用数字选呼技术，即通过发送对方的用户识别码来连接被叫用户。
图1-3 无中心通信系统的组成
无中心通信系统主要为满足小规模、临时性的移动通信需求而建立，适用于家庭、办公室、车站、酒店、企业、矿井、施工工地等场合。
（4）卫星移动通信系统
卫星移动通信系统利用通信卫星作为中继站来转发无线电波，以实现移动用户之间或移动用户与固定用户之间的通信。卫星移动通信与陆地移动通信相比，具有覆盖面积大、通信传输距离远、通信频带宽、机动灵活等诸多优点。利用卫星中继，在海上、空中和地形复杂的地区实现移动通信具有独特的优势，尤其在地震、洪水、海啸等灾害发生时的应急抢险通信中更是其他通信系统不可替代的。
目前，世界上主要的卫星移动通信系统有国际海事卫星通信系统（Inmarsat）、铱（Iridium）系统、全球星（Globalstar）系统、VSAT系统等。其中，应用最为广泛的是国际海事卫星通信系统。
国际海事卫星通信系统是由国际海事卫星组织（Inmarsat，后更名为“国际移动卫星组织”）管理的卫星通信系统，能为海、陆、空各行业用户提供全球化、全天候、全方位公众通信和遇险安全通信。它的业务除了电话、电报、电传和数据传输业务外，还兼有救援和导航业务。
国际海事卫星通信系统的组成如图1-4所示。
图1-4 国际海事卫星通信系统的组成
海事卫星通信系统由海事卫星、岸站、船站、终端组成。海事卫星包括分布在大西洋、印度洋和太平洋上空的3颗卫星，负责无线电波的转发，覆盖范围几乎遍及整个地球。岸站是指设在海岸附近的地球站，是卫星通信的地面中转站。船站就是海上用户站，设置在航行的油船、客轮、商船和海上浮动平台上。海上船舶可根据需求由船站将信号发射给地球静止卫星轨道上的海事卫星，经卫星转发给岸站，岸站再通过与之连接的地面通信网络或国际卫星通信网络，实现与世界各地陆地上用户的相互通信。终端可以是与船站、岸站相连的用户设备，也可以是独立的终端设备，直接与卫星进行通信。
二、移动通信在铁路中的作用
铁路部门专用的移动通信系统就称为铁路移动通信系统，它负责实现铁路工作人员之间或铁路专用设备之间的移动通信。铁路移动通信是保证行车安全、防止作业事故、提高运输效率以及改善服务质量等不可缺少的通信手段，是铁路通信的重要组成部分。
通信网络在铁路信息化体系中的地位如图1-5所示。
作为铁路通信网络的重要组成部分，移动通信网必须满足铁路运输生产中各种信息通信的要求，同时也要能够为广大旅客和社会公众提供服务。铁路借助于移动通信网络，实现铁路各种移动信息资源的采集和传输，为现代化调度、指挥、控制提供通信平台。铁路各级生产和管理人员能够通过移动通信网络共享全路范围内生产和管理领域的信息，并可向社会实时提供铁路客货运及其他服务信息。
图1-5 通信网络在铁路信息化体系中的地位
铁路移动通信网在铁路中的主要作用有：
（1）是控制列车安全、高效运行的重要保障
列车运行控制系统可以使用铁路移动通信网的无线信道，实现数据在列车与地面控制中心之间的双向传输。列车可以将列车类型、列车标识、运行速度、列车长度等信息传至地面设备；地面设备会将列车运行方向、列车限制速度、前方列车位置和速度、列车进路股道号等信息传送至列车上。借助于高可靠性、高实时性的无线信道，可大大提高列车运行的安全性，也可大大提高铁路运输效率。
（2）是实现铁路调度指挥和安全生产的重要手段
铁路移动通信网能够满足无线调度通信、区间/公务移动通信、紧急救援、调车编组作业、站场无线等移动话音通信的需要；满足分散自律调度集中系统（CTC）数据传输的需要；满足无线车次号校核、列车尾部风压、机车状态信息、车辆轴温监测、线桥隧道监护、铁路供电状态监视、道口防护等移动和固定无线数据传输的需要；满足以移动列车为主体的安全信息分发与预告警系统的需要，确保在铁路线路的施工、轨道养护、平交道口与车辆、车站等人员和设备的安全，减少事故发生。
（3）是为旅客、货主等社会公众提供信息服务的重要平台
铁路移动通信网可以满足以旅客为主体的移动信息服务系统的需要，包括车上订票服务、电子移动商务、旅客移动增值服务等；满足铁路路网移动体（机车、车辆、集装箱等）实时动态跟踪信息传输的需要，为开展实时网上信息查询和各种管理信息系统提供移动传输通道。