第一節(jié)　移動(dòng)通信在鐵路中的應(yīng)用

一、移動(dòng)通信概述

1.移動(dòng)通信的基本概念

所謂移動(dòng)通信，是指通信參與者中至少有一方能夠在移動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行信息傳遞的通信方式。例如，手機(jī)與手機(jī)之間、手機(jī)與固定電話(huà)機(jī)之間的通話(huà)，都屬于移動(dòng)通信。相比固定通信，移動(dòng)通信更加自由方便，能夠幫助人們實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)和任何通信對(duì)象之間進(jìn)行通信；然而，移動(dòng)通信的實(shí)現(xiàn)要比固定通信復(fù)雜得多。

2.移動(dòng)通信的主要特點(diǎn)

移動(dòng)通信與固定通信相比，其主要特點(diǎn)如下：

（1）移動(dòng)通信必須采用無(wú)線(xiàn)通信方式。要實(shí)現(xiàn)人或物體在移動(dòng)狀態(tài)中通信，就必須利用無(wú)線(xiàn)電波來(lái)傳遞信息，即采用無(wú)線(xiàn)通信方式，或無(wú)線(xiàn)通信與有線(xiàn)通信相結(jié)合的方式。

（2）移動(dòng)通信信道的電波傳播情況復(fù)雜。因無(wú)線(xiàn)電波在空中擴(kuò)散傳播，會(huì)受到地形地物的影響，從而產(chǎn)生反射、折射、繞射、散射等現(xiàn)象，又由于移動(dòng)體可能在各種環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，繼而產(chǎn)生信號(hào)的傳播損耗、多徑衰落、脈沖展寬、陰影衰落、多普勒頻移等效應(yīng)，致使無(wú)線(xiàn)電波的接收質(zhì)量變差。

（3）移動(dòng)通信容易受到噪聲和干擾的影響。在周邊環(huán)境中產(chǎn)生的各種噪聲（是指某些電磁波），系統(tǒng)內(nèi)多路信號(hào)之間產(chǎn)生的相互干擾都會(huì)降低移動(dòng)通信質(zhì)量。

（4）移動(dòng)通信的管理和控制復(fù)雜。由于移動(dòng)臺(tái)在服務(wù)區(qū)域內(nèi)隨時(shí)運(yùn)動(dòng)，需要采用位置登記、越區(qū)切換及漫游存取等技術(shù)；由于無(wú)線(xiàn)電波傳播方式容易造成信息泄密，需要采用鑒權(quán)、加密等安全性技術(shù)，這就使得移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的信令種類(lèi)比固定網(wǎng)絡(luò)要復(fù)雜得多。此外，在入網(wǎng)和計(jì)費(fèi)方式上，移動(dòng)通信也有特殊的要求。

（5）移動(dòng)通信要求頻帶利用率高。目前移動(dòng)通信主要采用UHF和VHF頻段，其頻率資源是極其有限的，但是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)數(shù)量卻在不斷增長(zhǎng)，這使得用戶(hù)需求和系統(tǒng)資源之間的矛盾越來(lái)越突出。為此，一方面要拓展新的頻段，一方面要在有限的已有頻段中采取有效利用頻率的措施，如窄帶化、縮小頻帶間隔、頻率復(fù)用等技術(shù)來(lái)解決。

（6）移動(dòng)通信對(duì)移動(dòng)臺(tái)要求高。由于移動(dòng)臺(tái)經(jīng)常處于移動(dòng)狀態(tài)，所接觸的外界環(huán)境隨機(jī)變化，如塵土、振動(dòng)、碰撞、溫濕度變化等，這就要求移動(dòng)臺(tái)具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。此外，還要求移動(dòng)臺(tái)性能穩(wěn)定可靠、攜帶方便、功耗低等。

3.移動(dòng)通信的分類(lèi)

移動(dòng)通信可按以下方式進(jìn)行分類(lèi)。

（1）按設(shè)備的使用環(huán)境劃分

依照設(shè)備的使用環(huán)境，移動(dòng)通信主要可分為陸地移動(dòng)通信、海上移動(dòng)通信和航空移動(dòng)通信。在一些特殊使用環(huán)境，如地下隧道礦井、水下潛艇和太空航天等，也會(huì)用到移動(dòng)通信方式。

（2）按服務(wù)對(duì)象劃分

根據(jù)服務(wù)對(duì)象的不同，移動(dòng)通信可分為公用移動(dòng)通信和專(zhuān)用移動(dòng)通信。

公用移動(dòng)通信面向社會(huì)公眾提供通信服務(wù)。公用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能提供較大的系統(tǒng)容量，方便用戶(hù)接入。目前我國(guó)的公用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)主要由中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信等公司經(jīng)營(yíng)。

專(zhuān)用移動(dòng)通信為某些特定行業(yè)（部門(mén)）提供通信服務(wù)。例如：公共安全方面有公安、消防、急救等移動(dòng)通信；應(yīng)急救災(zāi)方面有地震、防汛等移動(dòng)通信；交通運(yùn)輸方面有鐵路、公路、汽車(chē)調(diào)度、機(jī)場(chǎng)調(diào)度、海上及內(nèi)河航運(yùn)等移動(dòng)通信。專(zhuān)用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量要比公用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量小一些，但在可靠性、及時(shí)性、安全性等方面會(huì)有更高的要求。由于各個(gè)行業(yè)（部門(mén)）的業(yè)務(wù)需求和通信環(huán)境有所不同，因而各種類(lèi)型的專(zhuān)用移動(dòng)通信技術(shù)之間會(huì)存在某些差異。

（3）按信號(hào)形式劃分

按信號(hào)形式的不同，移動(dòng)通信可分為模擬移動(dòng)通信和數(shù)字移動(dòng)通信。

以模擬信號(hào)形式傳輸信息的移動(dòng)通信稱(chēng)為模擬移動(dòng)通信。模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)包括第一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、模擬無(wú)繩電話(huà)、模擬集群調(diào)度系統(tǒng)等。模擬移動(dòng)通信主要存在頻率利用率低、信號(hào)質(zhì)量差、不利于保密、設(shè)備體積大等缺點(diǎn)，已經(jīng)逐步被數(shù)字移動(dòng)通信所替代。

以數(shù)字信號(hào)形式傳輸信息的移動(dòng)通信稱(chēng)為數(shù)字移動(dòng)通信。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)及其以后的各代移動(dòng)通信系統(tǒng)均屬于數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。數(shù)字移動(dòng)通信的主要優(yōu)點(diǎn)為頻譜利用率高、抗干擾能力強(qiáng)、管理靈活有效、安全性高、可降低設(shè)備成本等。

（4）按多址方式劃分

按多址方式劃分，移動(dòng)通信可分為頻分多址（FDMA）移動(dòng)通信、時(shí)分多址（TDMA）移動(dòng)通信和碼分多址（CDMA）移動(dòng)通信。

第一代模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)（如AMPS、TACS、NMT等）大都采用頻分多址技術(shù)；第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)中，有的系統(tǒng)（如GSM、D-AMPS、PDC等）采用時(shí)分多址技術(shù)，有的系統(tǒng)（如IS-95CDMA）采用碼分多址技術(shù)；第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（如WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等）普遍采用碼分多址技術(shù)。

（5）按工作方式劃分

按照通信方向控制方式的不同，移動(dòng)通信可分為單工、雙工和半雙工三種工作方式。

單工方式是指通信雙方設(shè)備交替地進(jìn)行收信和發(fā)信。這種方式具有設(shè)備簡(jiǎn)單、功耗小等特點(diǎn)，但操作不方便。單工方式一般適用于簡(jiǎn)易、小規(guī)模的通信場(chǎng)合，如對(duì)講機(jī)系統(tǒng)。

雙工方式是指通信雙方收發(fā)信機(jī)均同時(shí)工作，即任何一方發(fā)送信息時(shí)，同時(shí)可以收到對(duì)方的信息。這種工作方式設(shè)備復(fù)雜、耗電量大，但因其使用方便，在移動(dòng)通信中獲得了廣泛應(yīng)用。雙工方式主要用于公用移動(dòng)通信網(wǎng)。

半雙工方式是指通信雙方中，有一方使用雙工方式，而另一方使用單工方式。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、功耗小，克服了通話(huà)斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)象，但操作仍不太方便。半雙工方式主要用于專(zhuān)用移動(dòng)通信系統(tǒng)中，如汽車(chē)調(diào)度系統(tǒng)、鐵路調(diào)度系統(tǒng)等。

4.主要的移動(dòng)通信系統(tǒng)

隨著移動(dòng)通信應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，移動(dòng)通信系統(tǒng)的類(lèi)型也越來(lái)越多，下面介紹幾種典型的移動(dòng)通信系統(tǒng)。

（1）蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)

蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的一種移動(dòng)通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)把整個(gè)服務(wù)區(qū)域劃分為若干個(gè)較小的區(qū)域（稱(chēng)為小區(qū)），每個(gè)小區(qū)各自使用小功率的發(fā)射機(jī)進(jìn)行覆蓋，許多小區(qū)像蜂窩一樣能布滿(mǎn)任意形狀的服務(wù)地區(qū)。由于在不同的小區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)頻率復(fù)用，可以大大提高系統(tǒng)容量，這是蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信，蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)具有位置登記、越區(qū)切換、漫游等功能。此外，該系統(tǒng)還可以與公用電話(huà)網(wǎng)中的交換中心相連接，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶(hù)與本地電話(huà)網(wǎng)用戶(hù)、長(zhǎng)途電話(huà)網(wǎng)用戶(hù)及國(guó)際電話(huà)網(wǎng)用戶(hù)的通話(huà)接續(xù)；可與公用數(shù)據(jù)網(wǎng)相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳遞。

蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)主要由移動(dòng)臺(tái)（MS）、基站（BS）和移動(dòng)交換中心（MSC）三部分組成，如圖1-1所示。

①移動(dòng)臺(tái)（MS）

MS是整個(gè)系統(tǒng)的終端設(shè)備。MS通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式接入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，為用戶(hù)提供通信功能。MS的類(lèi)型有車(chē)載臺(tái)、便攜臺(tái)和手持臺(tái)等。

②基站（BS）

BS一方面以無(wú)線(xiàn)方式與MS相連，負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)發(fā)送、接收和無(wú)線(xiàn)資源管理；一方面以有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式與MSC相連，完成用戶(hù)之間的通信連接和信息傳遞。

③移動(dòng)交換中心（MSC）

MSC是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)對(duì)本區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)用戶(hù)進(jìn)行通信控制與管理，主要完成呼叫處理、信道管理、越區(qū)切換、位置登記、鑒權(quán)等功能。

（2）集群移動(dòng)通信系統(tǒng)

集群移動(dòng)通信系統(tǒng)是一種專(zhuān)用調(diào)度通信系統(tǒng)。這種系統(tǒng)一般由控制中心、總調(diào)度臺(tái)、分調(diào)度臺(tái)、基站及移動(dòng)臺(tái)組成，如圖1-2所示。

集群移動(dòng)通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)將幾個(gè)部門(mén)所需要的基站和控制中心統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)、集中管理，而每個(gè)部門(mén)只需要建設(shè)自己的調(diào)度指揮臺(tái)（即分調(diào)度臺(tái)）及配置必要的移動(dòng)臺(tái)。集群移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)共用頻率、共用覆蓋區(qū)，即資源共享、費(fèi)用分擔(dān)，使公用性與獨(dú)立性兼顧，從而獲得最大的效益。

集群通信的基本原理是：由中央控制器集中控制和管理系統(tǒng)中的每個(gè)信道，并以動(dòng)態(tài)方式迅速把空閑信道分配給發(fā)起呼叫的用戶(hù)，通話(huà)完成后又將該信道收回給等待的用戶(hù)使用。因此，集群通信方式極大地提高了頻道使用率。

集群通信系統(tǒng)具有單呼、組呼、全呼、緊急告警/呼叫、多級(jí)優(yōu)先等適合調(diào)度業(yè)務(wù)的專(zhuān)用功能。除完成調(diào)度通信外，該系統(tǒng)也可以通過(guò)控制中心的電話(huà)互連終端與本部門(mén)的小交換機(jī)相連接，提供無(wú)線(xiàn)用戶(hù)與有線(xiàn)用戶(hù)之間的電話(huà)接續(xù)。

當(dāng)前主要的數(shù)字集群通信系統(tǒng)有歐洲的TETRA和美國(guó)的APCO25兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）無(wú)中心通信系統(tǒng)

無(wú)中心通信系統(tǒng)不設(shè)中心控制設(shè)備，這是其與蜂窩網(wǎng)和集群網(wǎng)的主要區(qū)別，它將中心集中控制轉(zhuǎn)化為電臺(tái)分散控制。由于不設(shè)置中心控制，可以節(jié)約建網(wǎng)投資，并可以提高頻率利用率。該系統(tǒng)采用數(shù)字選呼方式，采用共用信道傳送信令，接續(xù)速度快。

無(wú)中心通信系統(tǒng)的組成如圖1-3所示。

系統(tǒng)中的任何一個(gè)電臺(tái)可在其無(wú)線(xiàn)覆蓋區(qū)內(nèi)任意選擇另外一個(gè)或一組電臺(tái)直接通信，電臺(tái)之間的通信距離可達(dá)3～5km。為了選定呼叫對(duì)象，無(wú)中心通信系統(tǒng)通常采用數(shù)字選呼技術(shù)，即通過(guò)發(fā)送對(duì)方的用戶(hù)識(shí)別碼來(lái)連接被叫用戶(hù)。

無(wú)中心通信系統(tǒng)主要為滿(mǎn)足小規(guī)模、臨時(shí)性的移動(dòng)通信需求而建立，適用于家庭、辦公室、車(chē)站、酒店、企業(yè)、礦井、施工工地等場(chǎng)合。

（4）衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)利用通信衛(wèi)星作為中繼站來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線(xiàn)電波，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶(hù)之間或移動(dòng)用戶(hù)與固定用戶(hù)之間的通信。衛(wèi)星移動(dòng)通信與陸地移動(dòng)通信相比，具有覆蓋面積大、通信傳輸距離遠(yuǎn)、通信頻帶寬、機(jī)動(dòng)靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)。利用衛(wèi)星中繼，在海上、空中和地形復(fù)雜的地區(qū)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其在地震、洪水、海嘯等災(zāi)害發(fā)生時(shí)的應(yīng)急搶險(xiǎn)通信中更是其他通信系統(tǒng)不可替代的。

目前，世界上主要的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)有國(guó)際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)（Inmarsat）、銥（Iridium）系統(tǒng)、全球星（Globalstar）系統(tǒng)、VSAT系統(tǒng)等。其中，應(yīng)用最為廣泛的是國(guó)際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

國(guó)際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由國(guó)際海事衛(wèi)星組織（Inmarsat，后更名為“國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星組織”）管理的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，能為海、陸、空各行業(yè)用戶(hù)提供全球化、全天候、全方位公眾通信和遇險(xiǎn)安全通信。它的業(yè)務(wù)除了電話(huà)、電報(bào)、電傳和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)外，還兼有救援和導(dǎo)航業(yè)務(wù)。

國(guó)際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成如圖1-4所示。

海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)由海事衛(wèi)星、岸站、船站、終端組成。海事衛(wèi)星包括分布在大西洋、印度洋和太平洋上空的3顆衛(wèi)星，負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)電波的轉(zhuǎn)發(fā)，覆蓋范圍幾乎遍及整個(gè)地球。岸站是指設(shè)在海岸附近的地球站，是衛(wèi)星通信的地面中轉(zhuǎn)站。船站就是海上用戶(hù)站，設(shè)置在航行的油船、客輪、商船和海上浮動(dòng)平臺(tái)上。海上船舶可根據(jù)需求由船站將信號(hào)發(fā)射給地球靜止衛(wèi)星軌道上的海事衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給岸站，岸站再通過(guò)與之連接的地面通信網(wǎng)絡(luò)或國(guó)際衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與世界各地陸地上用戶(hù)的相互通信。終端可以是與船站、岸站相連的用戶(hù)設(shè)備，也可以是獨(dú)立的終端設(shè)備，直接與衛(wèi)星進(jìn)行通信。

二、移動(dòng)通信在鐵路中的作用

鐵路部門(mén)專(zhuān)用的移動(dòng)通信系統(tǒng)就稱(chēng)為鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)鐵路工作人員之間或鐵路專(zhuān)用設(shè)備之間的移動(dòng)通信。鐵路移動(dòng)通信是保證行車(chē)安全、防止作業(yè)事故、提高運(yùn)輸效率以及改善服務(wù)質(zhì)量等不可缺少的通信手段，是鐵路通信的重要組成部分。

通信網(wǎng)絡(luò)在鐵路信息化體系中的地位如圖1-5所示。

作為鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，移動(dòng)通信網(wǎng)必須滿(mǎn)足鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中各種信息通信的要求，同時(shí)也要能夠?yàn)閺V大旅客和社會(huì)公眾提供服務(wù)。鐵路借助于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)鐵路各種移動(dòng)信息資源的采集和傳輸，為現(xiàn)代化調(diào)度、指揮、控制提供通信平臺(tái)。鐵路各級(jí)生產(chǎn)和管理人員能夠通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)共享全路范圍內(nèi)生產(chǎn)和管理領(lǐng)域的信息，并可向社會(huì)實(shí)時(shí)提供鐵路客貨運(yùn)及其他服務(wù)信息。

鐵路移動(dòng)通信網(wǎng)在鐵路中的主要作用有：

（1）是控制列車(chē)安全、高效運(yùn)行的重要保障

列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)可以使用鐵路移動(dòng)通信網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)信道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在列車(chē)與地面控制中心之間的雙向傳輸。列車(chē)可以將列車(chē)類(lèi)型、列車(chē)標(biāo)識(shí)、運(yùn)行速度、列車(chē)長(zhǎng)度等信息傳至地面設(shè)備；地面設(shè)備會(huì)將列車(chē)運(yùn)行方向、列車(chē)限制速度、前方列車(chē)位置和速度、列車(chē)進(jìn)路股道號(hào)等信息傳送至列車(chē)上。借助于高可靠性、高實(shí)時(shí)性的無(wú)線(xiàn)信道，可大大提高列車(chē)運(yùn)行的安全性，也可大大提高鐵路運(yùn)輸效率。

（2）是實(shí)現(xiàn)鐵路調(diào)度指揮和安全生產(chǎn)的重要手段

鐵路移動(dòng)通信網(wǎng)能夠滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)調(diào)度通信、區(qū)間/公務(wù)移動(dòng)通信、緊急救援、調(diào)車(chē)編組作業(yè)、站場(chǎng)無(wú)線(xiàn)等移動(dòng)話(huà)音通信的需要；滿(mǎn)足分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰粷M(mǎn)足無(wú)線(xiàn)車(chē)次號(hào)校核、列車(chē)尾部風(fēng)壓、機(jī)車(chē)狀態(tài)信息、車(chē)輛軸溫監(jiān)測(cè)、線(xiàn)橋隧道監(jiān)護(hù)、鐵路供電狀態(tài)監(jiān)視、道口防護(hù)等移動(dòng)和固定無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰粷M(mǎn)足以移動(dòng)列車(chē)為主體的安全信息分發(fā)與預(yù)告警系統(tǒng)的需要，確保在鐵路線(xiàn)路的施工、軌道養(yǎng)護(hù)、平交道口與車(chē)輛、車(chē)站等人員和設(shè)備的安全，減少事故發(fā)生。

（3）是為旅客、貨主等社會(huì)公眾提供信息服務(wù)的重要平臺(tái)

鐵路移動(dòng)通信網(wǎng)可以滿(mǎn)足以旅客為主體的移動(dòng)信息服務(wù)系統(tǒng)的需要，包括車(chē)上訂票服務(wù)、電子移動(dòng)商務(wù)、旅客移動(dòng)增值服務(wù)等；滿(mǎn)足鐵路路網(wǎng)移動(dòng)體（機(jī)車(chē)、車(chē)輛、集裝箱等）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤信息傳輸?shù)男枰瑸殚_(kāi)展實(shí)時(shí)網(wǎng)上信息查詢(xún)和各種管理信息系統(tǒng)提供移動(dòng)傳輸通道。