铁路区段光纤通信研究和分析

awnohwegatufi

摘要：针对目前通信已经参与列车调度和列车控制、支持高速列车的特点，以通信技术和计算机技术为主体的现代信息技术已经渗透到铁路各部门，对于推动铁路现代化建设具有关键性作用。今后，在提高整车重量、增加行车密度、提高行车速度和保证行车安全的进程中，铁路通信将进一步做出重要贡献。因此，人们将铁路通信比喻为铁路的中枢神经系统，在铁路运输中居于极为重要的地位。文章分析了铁路区段光纤通信系统的组成、分类以及区段光纤通信网络的特点和运用。
关键词：铁路区段；光纤通信；铁路通信；铁路现代化现设
中图分类号：TN929文献标识码：A  文章编号：1009-2374（2011）31-0086-04
铁路通信是铁路运输的重要组成部分，是铁路信息化的基础，是铁路实现集中统一指挥的重要手段，是保证行车安全、提高运输效率和改进管理水平的重要基础设施。铁路通信通过对信息的采集、处理、传递和控制，与铁路其他部门协同工作，保证列车的正常运行以及各项运输作业和管理工作的顺利进行。一旦通信不通，铁路运输将陷于瘫痪，整个国民经济将遭受严重损失。
一、铁路区段光纤通信系统的基本组成与分类
（一）光纤通信系统的基本组成
所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波，以达到通信的目的。要使光波成为携带信息的载体，必须在发射端对齐进行调制，而在接收端把信息从光波中检测出来（解调）。依目前技术水平，大部分采用强度调制-直接检测方式（IM=DO）。光纤通信的3个传输窗口是：0.85μm（短波长窗口）、1.31μm和1.55μm（长波长窗口）。数字光纤通信系统方框图如图1所示：
从图中可以看出，数字光纤通信系统基本上由光发射机、光纤和光接收机组成。
光发射机的主要作用是将电信号转换成光信号耦合进光纤。光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半导体激光器（LD）或半导体发光二极管（LED）。在发射端，电端机把模拟信息（如语音）进行模/数转换，转换后的数字信号复用后再去调制发射机中的光源器件，一般是半导体激光器，则光源器件就会发出携带信息的光波。如当数字信号为“1”时，光源器件发射一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”是·，光源器件发射一个“空号”（不发光）。光发射机的作用就是进行电/光转换，把数字化的电脉冲信号码流（如PCM语音信号）转换成光脉冲信号码流，并输入到光纤中进行传输。
在光纤通信系统的线路上，目前主要采用由单模光纤制成的不同结构形式的光缆，这是由于它具有较好的传输特性。
为了保证通信质量，在收发端机之间适当距离上必须设有光中继器。光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光—电—光转换形式的中继器，另一种是光信号上直接放大的光放大器。
光接收机的主要作用是将光纤送过来的光信号转换成电信号，然后经过对电信号的处理以后，使其恢复为原来的脉码调制信号送入电接收机。光接收机中的重要部件是能够完成光/电转换任务的光电检测器，目前主要采用光电二极管（PIN）和雪崩光电二级管（APD）。
在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机解复用后再进行数/模转换，恢复成原来的模拟信息。光接收机的作用就是进行光/电转换，把数字电信号（通信信息）经过放大、均衡后再生出波形整齐的电脉冲信号。就这样完成了一次通信的全过程。
（二）铁路区段光纤通信系统的分类
光纤通信系统可以根据系统所使用的传输信号形式、传输光的波长和光纤的类型进行不同的分类。
1．模拟光纤通信系统。在光纤通信系统中，输入电信号不采用脉冲编码信号的通信系统即为模拟光纤通信系统。在长距离传输时，采用中间曾音站将使噪声积累，故只能应用在短距离传输线路上。在公用通信网中的用户部分，可用这种方式传输宽带视频信号。
模拟光纤通信主要的优点是不需要数字通信系统中的模/数转换和数/模转换，故比较经济。而且一个电视信号如采用数字通信方式，可不用频带压缩，140Mbit/s的系统只能通一路电视。在目前的技术情况下，为了在用户网传送多路宽带业务，采用频率调制的频分多路复用的模拟光纤通信方式。
2．数字光纤通信系统。数字光纤通信系统是光纤通信的主要通信方式。数字通信的优点是：抗干扰能力强，使用再生技术时噪声积累少，易于集成以减少设备的体积和功耗，转接交换方便，利于与计算机结合等。数字通信的缺点是：所占的频率宽，而光纤的带宽比金属传输线要宽许多，弥补了数字通信所占频带宽的缺点。光纤通信在接收和发送时，在光电转换过程中所产生的散粒效益噪声和非线性失真较大。但若采用数字通信，中继器采用判决再生技术，噪声积累少。因此，光纤通信采用数字传输成了最有利的技术。目前在人类社会进入信息社会的时代，各国在公用通信网中的长途干线和市内布局间中继线路，均纷纷采用数字光纤通信系统作为主要传输方式，以便实现传输网的数字化。
二、区段调度通信网络
铁路局调度有两种类型：意识以局调度指挥中心对全局相关站段的调度指挥，其通信网络结构，有的用专线组成星型调度通信网络，有的用铁路自动电话拨号呼叫进行联络；二是铁路局调度员仅对铁路上某一区段的各车站（段、所、点）进行调度指挥，按其调度范围我们仍称为区段调度通信。
（一）区段调度通信网络的特点
铁路区段调度通信业务性质、地理位置以及安全可靠性的特殊要求等多方面因素来组建的，概括起来有两大特点：
1．数字共线型的通信网络。区段调度的通信方式：调度所调度员→车站值班员为指令型；车站值班员→调度所调度员为请示汇报型。
根据调度业务性质为一点对多点的调度指挥，地理位置又呈链状结构，为有效利用传输通道，仍沿用模拟通信时的共线方式。
2．以2M自愈环组成区段调度通信网络。区段调度业务包括了列车调度、货运调度、电力调度，每一类调度分别只占用一个时隙，一个2M传输通道的通信容量，完全可以容纳多个区段的各类调度业务。组网时，一个2M数字通道从始端站至末端站按上下行逐站串接，末端站又从另一层传输网中的一个2M返回至主系统，从而构成一个2M数字环。
（二）区段调度通信网络的组成
区段调度通信组网时，必须根据数字传输通道和铁路运输区段的实际情况，综合考虑如何组成2M自愈环。
首先确定一个自愈环内串接多少个分系统（车站）。在保持同步和呼叫响应时间不大于50ms的要求下，根据制造商提供的资料可以稳定串接50～64个分系统。50个车站之间的线路长度不会小于500km，至少有4个行车调度区段，这对安全可靠性来说是不可取的。在实际运用中，运输繁忙的主干线路上以一个行车调度区段为一个2M自愈环，其他线路上以两个行车调度区段合用一个2M自愈环。
（三）时隙分配及网络的综合运用
区段调度通信网络采用PCM30/32传输，TSO为同步时隙，TS16为标志信号时隙，TS1-TS15及TS17-TS31 为30个话路时隙。区段调度通信网络组成采用2M逐站串接方式，其内部信令控制线需占用3～4个时隙，一般安排在TS28-TS31，因此可用时隙还有26个。
区段内调度通信业务包括，列车调度、货运调度、电力调度、无线列车调度，占用4个共线时隙。即使由两个调度区段组成的2M自愈环，也只需6～8个共线时隙。另外站间行车电话需占用2～3个站间时隙（将时隙分段使用）。因此，如果仅开放区段调度电话业务，只需8～11个时隙，还有2/3的通信容量空闲。而铁路数字专用通信系统完全是针对铁路区段通信的特点和需要而开发的产品，接口丰富、使用灵活，可以提供数字共线的通信业务，因此完全可以利用区段调度网络内的空闲时隙开放中间战局调分机、区间应急通信自动电话、区段公务专用电话等区段语音业务，以及红外线轴温检测传输通道、电力远动、信号检测等区段数据通信。这样做不仅可以节省投资、降低运营成本，还可真正实现铁路区段专用通信数字化、综合化。
三、区段光纤调度通信系统的业务和功能
区段调度通信系统可以全面实现铁路各项专用通信业务，包括区段调度通信、站场通信、站间通信、区间通信、专用通信等；同时利用该系统可以实现一系列扩展业务，包括为其他业务提供通道、自动电话放号等。
（一）区段调度通信
区段数字调度通信系统可以实现铁路局所有方向、所有区段的区段调度通信业务，并可以实现与局调、干线调度的多级联网。调度通信方式为以调度员为中心的一点对多点的通信系统。区段调度员可按个别呼叫、组呼或全呼等方式呼叫调度下去范围内相关的所属用户并通话，并接收所属用户的呼叫并通话。通话方式为全双工方式，也可根据需要设置为单工定位受话方式。
调度业务的通道组网方式有以下几种：星型、共线型、综合性、混合型，组网方式的选择主要视区段数字调度通信系统的2M通道组网方式和是否存在模拟分机而定。如在最常用的2M环型组网方式下，可以用数字共线的方式；如果该调度区段的某些分机仍为模拟分机，则需要混合型组网方式。
调度员一般使用键控式操作台，通过2B+D接口接入主系统；调度分机一般采用键控式操作台或共电话机，通过2B+D接口或共电接口就进接入相应的分系统。调度通信的实现需要区段数字调度通信系统的主系统和相关分系统协作完成。以2M环型组网为例，调度员和调度分机的语音通道为数字共线通道，呼叫信令则在专用通信时隙内传送。专用通信时隙为典型的总线型结构，以主系统为主导，其他分系统处于从属地位，主系统对各分系统采用分时轮询的访问方式。
（二）站场通信
站场通信包括车站集中电话、驼峰调车电话、平面调车电话、货运电话、列检电话、车号电话和商检电话等。站场通信时铁路专用通信的重要组成部分，它上与调度电话、专用电话联系，下与铁路车站站场内不同用户保持联系。
每个车站分系统都是一个独立的调度交换机，车站分系统可实现以一个或多个车站操作台为中心，接入各种站场电话，并保留原有通信方式的站场通信系统，以取代原有集中机等既有站场通信设备。
值班员使用键控式操作台，通过2B+D接口接到车站分系统；站场内的用户可以通过共电接口、共分接口、磁石接口等接入到车站分系统；站场广播系统通过共分接口接入到车站分系统；调度电话、专用电话除了可以从车站分系统的数字接口接入，还可以再没有数字通道时从选号接口、共分接口接入，通过车站分系统内部的数字无阻塞时隙交换网络、多方会议电路方便灵活地组成了站场通信，值班员可以通过操作台上的按键任务实现单呼、组呼、会议呼。
（三）站间通信
车站值班员一般使用键控式操作台作为值班台，站间呼叫一般为单键操作，即一键直通。如果不考虑跨站站间通信业务，站间通信一般占用2M环中两个64kbit/s。通道时隙，其中一个时隙为主用站间时隙，另一个作为备用站间时隙。主用时隙处于分段复用状态，即任一车站与其上、下行车站的站间通话均使用该时隙，也就是说通过车站分系统的交叉连接功能实现了时隙的分段复用。当2M环的通道出现一处断点时，该断点两侧两个车站将无法利用主用站间时隙进行站间通话，这时系统将自动启用备用站间时隙作为这两个站的站间通话通道。
站间通信的呼叫信令一般有两种处理方式，其一是两个分系统通过主系统转发呼叫信息；其二是两分系统间建立直达信令通道，直接处理站间呼叫信令。两种处理方式中，前者站间呼叫依赖主系统，而后者站间呼叫与主系统无关。
区段数字调度通信系统可利用既有的站间模拟通道作为站间数字通道的备份，当某分系统无法通过数字通道与邻站通信时，系统会自动将站间通信切换到模拟备用通道上进行。车站分系统一般采用磁石接口接入站间模拟通道。
在实际应用中，站间通信在某些情况下被允许跨站使用，此时，只需再给一个时隙做这种站间通信用，同样这个时隙也可以被分段使用。
（四）系统功能
1．DXC功能。区段数字调度通信系统的主系统和分系统均具有全时隙交叉功能，故单个系统和整个系统均具有完备的DXC功能。利用这一功能可以很方便地为其他业务或应用提供点对点的通道，如站内、邻站间或任意两个站间的通道。同时，由于区段数字调度系统的主系统和分系统有丰富的会议资源，还可以为其他业务提供数字共线通道。系统支持各种复杂连接的调度业务、专用业务、各种复杂的数字共线业务以及点对点、点对多点、广播型的半固定接续等。
2．集中维护管理功能。区段光纤调度通信系统的集中维护管理系统参照电信管理网（TMN）标准，涵盖了配置管理、性能管理、故障管理、安全管理四大功能。
参考文献
[1]  黄俊武．现代铁路通信的作用、发展水平及我国的差距[J].哈铁科技通讯，1996，（12）．
[2]  马强，韩加祥，成明．光纤通信技术的发展与展望[J]．科学咨询（决策管理），2010，（1）．
[3]  王邠．铁路通信技术[M]．北京：中国铁道出版社，2010．
[4]  陈非．FH98数调系统在铁路公安调度通信中的应用[J]．郑铁科技通讯，2008，（12）．
[5]  楼向东．自营铁路数字调度通信系统的改造[J]．铁道通信信号，2007，（4）．
[6]  郭庆元．发信台通信技术的发展展望[J]．天津航海，2011，（6）．
（责任编辑：陈 倩）