爱华网铁路电话通信系统 铁路上的无线通信系统
2013年 5月《经济学人》的一篇文章指出，由美国政府资助的州际铁路客运专线 Amtrak提供的无线网速度慢、不可靠，而且经常令人发怒。虽然Amtrak宣布它已经升级了列车上的移动无线互联网，使其基于 4G技术上运行，但乘客仍无法观看视频、收听互联网广播、或是一次下载超过10Mb。但无可否认，升级至少让速度加快了一点儿，而且也更可靠了。况且，与同样缓慢、不可靠、和经常激怒人的飞机上的无线网络连接（Wi-Fi）相比，至少 Amtrak的服务是免费的。该文最后甚至建议，要在 Amtrak的列车上使用可靠的无线网络，最好还是使用自己的宽带调制解调器，或者是与自己的手机共享服务。 其实，从铁路历史的早期开始，铁路工业就依赖于通信。除了需要有成本效益的运营，铁路公司也面临着一系列的挑战，比如乘客安全、车站和路口的安全、以及日益增长的乘客需求等。而无线通信在现代铁路的安全、效率和运营中扮演着越来越重要的角色。 铁路中的无线通信包括两部分，一部分是专业通信，另一部分是公众通信。 专用通信主要是针对铁路运营的日常功能。比如铁路信息系统支持铁路信息的收集、传送、处理、和异化等，以确保安全稳定的铁路运输，并且提供高水平的运营服务和乘客信息服务。面对快速增长的“高速度和高密度”的铁路运输需求，同时还要应对来自于其他运输方式的挑战——比如飞机和汽车，铁路运营商必须要升级过时的，以离线和窄带宽为特点的铁路信息系统。 公众通信意味着乘客在列车上可以享受到和他们在地面上时一样的服务，比如上网、收发邮件、观看视频节目等。在列车中，乘客通常是无所事事的，他们在有限的空间中会倍感无聊。而在列车上提供高速稳定的无线连接无疑为乘客带来了便利，并且最终可能会增加乘客人数。 铁路运行环境复杂，比如要经过隧道，也要经过繁忙的城区，而且铁轨也可能会有急弯等，因此列车到地面通信要面对独特的挑战。 从 200年前第一个现代铁路系统建立至今，列车通信系统的基本技术从许多方面来说改进并不大。如今许多铁路网络仍然使用基本的“眼球标记”视觉信号系统，这甚至对于 19世纪的机车操作员来说都不陌生。然而，现在新的无线数据技术使得在未来的列车系统中创建像电力、磁悬浮等这样先进级别的列车通信系统成为可能。需要注意的是，铁路无线环境具有独特的复杂特点，包括持续变化的噪音、多来源的介入、潜在的多用户竞争有限的频谱、以及用户不可预知的使用等。为了满足不断增长的专业通信和公众通信的需求，现代的列车通信系统必须要在列车内部、列车与地面间、已有铁轨旁网络等方面进行全面升级。 表：不同无线通信技术的各项参数比较 未来需求的关键点 无论是专业通信还是公众通信，都需要更多的带宽、更实时的响应时间和更高的可靠性。 带宽：现在的旅客期望有更高水平的便利性、安全性和服务。要满足这些高期望，列车运营商使用电话和数据系统进行实时监控，使用现代客运信息和娱乐系统向乘客提供丰富的娱乐和信息内容，包括新闻、天气、游戏、甚至是上网。而所有这些应用都需要有足够的带宽。此外，足够的带宽才能使语音、视频和其他运行数据合并在一个列车控制网络中成为可能，从而大大简化操作和维护。众所周知，电话服务、数据和客运信息娱乐系统等都是带宽密集型应用，耗尽了现有网络的极限，因此未来的需求中，具有足够的带宽是第一要务。 响应时间：老式的列车控制方法依靠人工操作员，他通过无线电、视觉信号和轨道电路的某种组合来指引方向。该方法的响应时间缓慢，而且出于安全考虑，轨道被划分为长的“段”或“块”，为防止灾难，同一时间在一段铁路上只允许有一列火车通行。基于通信的列车控制（CBTC）技术的推出能让运营商缩短“段”的长度却不会危及安全，从而提高了铁路运营效率。然而，由于基于通信的列车控制系统接管了人工操作员，而该系统的功效高度依赖于通信的响应时间，因此快速的响应时间成为了顺利运作的中心问题。如果系统响应时间很长，那么系统使用起来就会很繁琐，而且改进也不大；相反，实时响应时间能让基于通信的列车控制系统安全而高效地工作，尽可能让更多的列车同时在轨道上运行。 在恶劣环境中的可靠性：随着运营商利用先进的列车通信系统的新功能，越来越多的列车会依赖于可靠的通信。下一代铁路无线通信系统必须足够可靠，以承担起这些新责任。特别是通信必须具有足够的弹性来克服铁路运输中特有的危害，如天气、冲击、振动和电磁干扰等。并且依赖通信系统的铁路运营商越多，对这些系统的可靠性要求就越高。 寻求可能的解决方案 IEEE802.11标准（俗称 Wi-Fi）从 1997年开始为无线局域网（WLAN）所用。采用最新宽带无线技术，比如IEEE802.11x，铁路信息系统的数据通信网络部署方面已经做出了巨大的努力。 无线技术将运营商从通信系统布线的局限和复杂中解放出来，尤其是对如铁路系统这样的很多部件都是移动的应用而言，通信系统布线更是个艰巨的任务。在现有的无线技术解决方案中，无线局域网因其能力和成本的最佳平衡脱颖而出。对铁路运营商来说，无线局域网提供了带宽和成本效益的最优组合。 从表 1比较可见，无线局域网是个较好的选择，它能提供最大的带宽和最低的总成本，意味着可以有能吃并吃得起的蛋糕。月服务费是卫星和蜂窝通信的一项主要的长期持续开销。如果采用无线局域网，不仅安装成本低，而且不需要向卫星或蜂窝提供商支付数据服务费。作为最后一片拼图，优化的漫游技术的发展使得无线局域网具有足够的移动性水平，即使是在相对高的巡航速度下也能支持列车到地面的通信。 无线局域网的优点 无线局域网在铁轨旁通信、列车内通信和列车到地面的通信方面都具有其独特的优点，为它们带来诸多益处。 无线局域网对铁轨旁通信的益处：无线局域网消除了铁轨旁网络布线的难题，比如被盗、维护和破损等。 铁轨旁网络由许多机柜组成，用以共享一定长度轨道上的数据上传和下载。这些网络对一些轨道要素的运行起作用，比如轮轴计数、轨道转换、照相、铁路交叉等。另外，铁轨旁网络为列车到地面的通信网络提供接入点。 现有的铁轨旁网络通常是依靠路边机柜间的线缆来完成通信。这一脆弱的线缆可能会成为路旁基础设施中薄弱的连接，因为它可能会成为破坏公物的目标，或者是被天气所损坏。况且线缆中的贵金属常被小偷作为目标，因此要支撑一个真正的铁轨旁网络所需的很多米长的线缆意味着巨大的不间断的更换和维护成本。如果用无线局域网单元代替每个路旁机柜的线缆则会消除这些弱点。 无线局域网对列车内通信的益处：相对于联结器，无线局域网有更高的流量和更低的维护成本。 铁路运营商号召列车内网络来支持更多的应用，包括乘客信息、公众公告、视频监督、内部通话系统、和数据驱动的列车控制系统等。 传统的有线列车内通信是靠车厢间的联结器传送数据。由于车厢不停运动造成的磨损，这些联结器需要经常更换。更糟糕的是，联结器带宽固定、数据速率有限，这给列车内网络的升级造成了严重的障碍。无线局域网对列车内网络来说简直是绝配，不仅能降低维护成本，而且能提高流量，足以支持列车内今天甚至是未来的更多应用。 无线局域网对列车到地面通信的益处：无线局域网可以轻松地支持高级基于通信的列车控制和乘客娱乐信息系统。 做为铁轨旁网络基础设施和列车内网络间的关键连接，列车到地面通信是实现重大变革的下一代铁路应用的关键，比如丰富的乘客娱乐信息系统、通过基于通信的列车控制达成的自动列车运行等。 很显然，使用现有的列车到地面通信系统这些下一代的铁路应用都是不可能实现的。自动列车运行不依靠中心控制就可以实现列车调试配合，从而达到轨道的最大使用率，提高服务效率和频率。为能安全地做到这一点，控制中心必须接收和发送大量数据，包括列车状态、乘客状态、摄像头传来的视频数据、和紧急控制等。此外，乘客娱乐信息系统必须要传输实时的视频、广告、新内容或更多。要支持这些下一代的应用，10Mbps（或更高）是对流量的一个合理的估计。 显而易见，这个级别的流量需求远超过无线电通信的能力，这一从20世纪 50年代开始的技术只能传输小流量数据。这一级别的流量需求甚至对现代的卫星和蜂窝技术— — 比如高速下行分组接入（ HSDPA）和全球移动通信系统（ GSM）— —来说都是一种负担。IEEE802.11无线局域网标准最大可以传输 300Mb的数据，它可以轻松实现今天可见的所有应用，并且有足够的多余流量应对未来的可能应用。 迎接铁路通信的未来 铁路运行环境复杂，比如要经过隧道，也要经过繁忙的城区，而且铁轨也可能会有急弯等，因此列车到地面通信要面对独特的挑战。 一个可靠且有能力的列车到地面通信联结是许多有价值的下一代列车 系统的基础，但要建立这个联结却 是个令人怯步的任务。怎么才能在固定铁轨旁的接入点和快速运行、通过许多不同运行环境的列车间建立保持一致的、不被打断的联结？无线局域网很可能是最优解决方案，因为它可以从不同的天线战略中进 行选择，以适应不同的环境挑战。 比如在铁路隧道内，这是个介入有限的环境，对这种环境而言，天线是一个具有成本效益的覆盖解决方案。当铁轨通过急弯时可能会更复杂，但只需要简单地增加接入点的密度就可以确保连续的无线覆盖。 地面上的接入需求可能很高，尤其是在繁忙的城区。无线局域网依旧可以使用多种策略创建网络，以确保在这种情况下的稳定可靠。比如具有快速漫游和双重射频冗余的室外无线接入点就非常适合这类情况，尤其是高接入密度部署时。 铁路通信的未来已经到来，为了更好地发展，列车通信系统必须要做得更多。不断变化的市场预期和技术进步推动了列车通信技术的发展，使其正在经历过渡期。业内专业人士必须做好准备，以应对新挑战或新风险。传统的无线局域网技术在列车上实现无线连接存在挑战，尤其是需要覆盖成百上千公里长的长途列车时挑战更为巨大，但这都可以通过各种方式得以解决。未来铁路上的无线通信终将会让乘客享受到同在地面上一样的高质量服务。
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