(已修订)现代铁路信号中的通信技术

现代铁路信号中的通信技术
第一章
1.说明现代铁路信号系统的组成？
（2）车地移动通信技术
●目前车地移动通信技术主要有：
●基于应答器的点式地对车单向传输方式（铁路、城轨）；
●基于轨道电路的连续式地对车单向传输方式（铁路、城轨）；
●基于GSM-R的连续式地-车双向传输方式（高铁）；
●基于Wi-Fi的连续式地-车双向传输方式（城轨CBTC）；
●基于38G毫米波的连续式地-车双向传输方式（高速磁浮）。

（3）车载设备通信技术
●目前车载设备采用的通信技术主要有异步串行通信、现场总线、列车通信网络等三
种。

（4）安全通信技术
●铁路信号系统的主要目标就是是保证列车运行安全，因此铁路信号系统中的所有设
备都属于安全相关设备。

（一）双绞线
●双绞线是由一对相互绝缘的金属导线绞合而成。

双绞线广泛用于市话中继线、局域
网和控制系统通信网中。

（二）光导纤维（光纤）
●光纤在进行通信时，首先在发送端经转换系统，将电信号转换成光信号，然后经光
纤送至接收端，再经转换系统，将光信号转成电信号，完成整个通信过程。

（三）无线信道
● 无线信道通过电磁波在空气中传播，比较常用的有超短波和微波通信、卫星通信等，
超短波信道误码率一般小于10-4，微波信道和卫星通信误码率一般小于10-6。

（必考：填空）2.说明数据通信系统的组成？
● 数据通信系统是通过数据电路将分布在远地的数据终端设备与计算机系统连接起
来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。

每秒比特（位），以bit/s 或bps 表示。

（二）误码率
● 误码率是衡量通信系统线路质量的一个重要参数。

● 其定义为：二进制符号在传输系统中被传错的概率，近似等于被传错的二进制符号
数与所传二进制符号总数的比值，即：
传输的总比特数
接收的错误比特数
误码率 e P
（三）信道容量
● 信道容量指信道能传输信息的最大能力，用单位时间内最大可传送的比特数表示。

● 模拟信道是一种连续信道，其信道容量可以根据香农（Shannon ）公式计算。

● 数字信道是一种离散信道。

（二）星型拓扑
星型网络将所有的工作站节点均连接至中央控制器（一般为服务器加上集线器、交换机、路由器等），各节点呈星型分布，每个节点都通过单独的通信线路与中心节点相连。

)
1(log 2N S B C +=
树型网络可以看成是星型网络的扩充。

树型网络适用于汇集信息的应用场合。

5.数据通信网交换技术有哪些？
●常用的交换技术有三种：电路交换、报文交换和分组交换（包交换）。

（一）电路交换
●在用户双方进行通信之前，需要预先为通信双方分配一条具有固定带宽的实际的通
信电路，通信双方在通信过程中将自始至终占用所分配的资源，直到通信结束后拆除该通信电路。

（二）报文交换
●报文交换不要求在两个通信节点之间建立专用的通信电路，而是采用存储转发方式
进行通信，以报文为传送单元。

（三）分组交换
（1）核心层
●核心层由铁道部TDCS和铁道部至铁路局的广域网构成，是整个TDCS广域网的中枢，
要求其安全、可靠，对其各节点关键部分和功能应做合理的冗余配置。

（2）区域层
●区域层由铁路局TDCS组成的网络构成。

（3）接入层
●接入层由铁路沿线信源点组成的网络构成。

主要负责将采集的信息通过通信通道发
送至路局TDCS，并接受调度指挥中心下达的命令、信息等。

3.客运专线？（挑细节考，通读全文理解！！！）
（2）客运专线基本网络结构
●在客运专线中，信号安全数据网的基本网络如下图所示。

每一独立环网络中用于交
换机串接的光纤和用于迂回通道中继器（交换机）连接的光纤应取自通信专业提供的两条不同路径的干线光缆，干线光缆与交换机连接的尾缆或尾纤应采用不同的引入路径。

●用于两个独立环网迂回通道中继器（交换机）串接的光纤应取自通信提供的两条不
同路径的干线光缆，干线光缆与交换机连接的尾缆或尾纤应采用不同的引入路径。

两个独立环网迂回通道使用的中继器（交换机）不应在业务站点处同时设置。

（3）客运专线划分子网的网络结构
●同一线路划分子网的数据组网结构如下图所示。

子环网划分应在网络分界
点处设置三层交换机实现，三层交换机间采用双冗余光缆进行连接，双通道冗余光缆应采用不同路径铺设。

●两个独立子环网的分界点不应设在同一车站或中继站。

●设置三层交换机的站点不应作为迂回中继的站点。

（4）不同线路客运专线网络连接
●连接相邻网络的设备应采用三层交换机，如下图所示。

三层交换机间采用
冗余光缆进行连接，冗余光缆应采用不同路径铺设。

●一侧为客运专线信号安全数据网，另一侧为独立的信号设备，采用下图所
示方式连接。

网络连接应在独立信号设备处设置交换机，再通过交换机与相邻信号安全通信网连接。

●应采用物理位置不同的双通道冗余光缆连接线路1和线路2的设备。

（5）信号安全网网管与监测
●独立网管系统和操作维护终端的功能：
①自动识别网络上所有支持ICMP、SNMP网络管理功能的产品及重要的IP参
数、系统参数(如MAC地址、是否冗余管理器)和配置情况。

②构造并管理网络的拓扑结构，可通过浏览网络拓扑视图来实时了解整个网络
的运行情况。

③支持网络流量采集和分析，提供网络流量、流向，提供丰富的统计方式及报
表输出，并具有故障定位和报警。

④范围控制级别的权限控制。

⑤网管服务器配置以太网接口，在安全数据网侧分别接入到左右网络的交换机
网络管理口，同时通过硬件防火墙接入到集中监测网络中。

●网络管理服务器通过车站集中监测的协议转换器接入集中监测网。

●采取有效措施防止非授权用户通过网络、WEB、串口等各种方式对设备进行配置修
改、安全设定修改。

（四）信号监测网？
铁路信号集中监测系统为“三级四层”结构。

三级为：铁道部、铁路局、电务段。

四层为：铁道部电务监测子系统、铁路局电务监测子系统、电务段监测子系统、车站监测网。

第四章
1.什么是GMS-R网络？
●GSM-R：欧洲铁路综合调度移动通信系统，GSM for Railway。

●GSM-R是在GSM蜂窝系统的基础上增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的要
素，能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信的要求。

●GSM-R主要解决在列车高速运行时语音数据的可靠传输以及跨国运行时列车自动防
护（ATP，Automatic Train Protection）的互操作性问题。

●GSM-R系统由基站（BSS）、移动交换中心（MSC）和移动台（MS）组成。

（必考）2.基于GSM-R的列控系统结构有何特点？
●基于GSM-R的列控系统包括地面设备和车载设备。

GSM-R网络是列车控制系统安全
数据的透明承载平台，提供车－地双向高可靠性的数据传输通道。

列控系统与GSM-R
网络间的接口为I GSM-R接口、I FIX接口，如下图所示。

●（Note：图要求会画。

）
3.GSM-R组网共有几种方案？各有何特点？
4.CTCS-3级中的GSM-R网络结构有何特点？
●核心网冗余主要包括HLR/AuC、MSC的冗余配置。

⏹按照全国GSM-R网络规划，HLR和AuC在北京和武汉各配置一套，互为地
理容灾备份，任何一套故障，另一套都可以承担全部的工作。

●无线网络的冗余即双层覆盖，可以极大地提高列控数据传输的可靠性，保证了任何
一个基站故障都不会影响列控数据传输。

●目前双层覆盖方式主要有两种：同站址覆盖和交织站址覆盖。

●接口冗余配置的主要内容：
⏹移动交换机MSC与列控无线闭塞中心之间的PRI接口的数量除考虑话务量的
要求，还必须考虑冗余，且MSC要能将PRI接口分配至不同的外围接口单元；（必考）5.磁浮38G车地通信有何特点？
●毫米波属于高频段微波，波长范围1mm～10mm，频率覆盖30G～300GHz。

与光波
在频谱表上相距甚近，因而具有类似于光波的特性。

●毫米波非常有利于射频设备的小(微)型化和获得强的方向性，抗干扰、抗截获能力很
强。

同时可获取较高可用带宽。

●38GHz频段错开WLAN(无线局域网)频段及毫米波频段中的ISM(工业、科学、医用频
断)区域，可保障频段使用的可用性和安全性。

●38GHz频段避开了毫米波段上受大气衰减较严重频段(如60GHz)，且处于毫米波较低
频段系统，实现比较容易。

●在理想情形下，毫米波传播为视距传播方式，基本不存在反射与折射现象。

（必考：填空）6.城轨CBTC系统WLAN使用哪些通信介质？其工作频段使用上有何特点？
自由波天线:AP覆盖约300-35米特点:技术成熟造价低应用：北京亦庄线，昌平线
漏泄波导管: AP覆盖最大1600米特点：抗干扰能力强安装工作量大应用北京亦庄线，昌平线
漏泄电缆: AP覆盖最大800米特点：抗干扰能力强安装较为简便应用：北京一号线52号站试验
7.WLAN使用的CSMA/CA原理?
●在802.11无线局域网协议中，冲突检测（CD）的使用存在一定的问题。

这是因为：
要检测冲突，设备必须能够一边接受数据信号一边传送数据信号，而在无线系统中是无法办到的。

●鉴于这个差异，在802.11中对CSMA/CD进行了一些调整，采用了新的协议CSMA/CA，
并在此基础上实现DCF。

●CSMA/CA利用ACK信号来避免冲突的发生，只有当客户端收到网络上返回的ACK信
号后才确认送出的数据已经正确到达目的地址。

●进一步改进:
●CSMA/CA: 信道预约
●发送站: 发出短的RTS幀(request to send)预约信道
●接收站: 应答短的CTS幀(clear to send)同意预约
●CTS 为发送站保留信道, 起了通知其它(可能隐蔽的)站点的效果
●避免了隐蔽站点造成的冲突
8.CBTC系统使用WLAN主要考虑哪些因素？
●传播环境
●发射功率
●发射天线增益●信噪比
●列车速度●AP重叠覆盖区域●切换中断时间
●接收天线增益
●接收机灵敏度
●信号传播特性
（青藏线必考）9.ITCS系统GSM-R应用举例？
●基于GSM-R的ITCS（增强型列车控制系统）已经成功地运用到我国的青藏铁路。

●其采用GSM-R传输用于列车控制的安全数据，区间不装设自动闭塞设备（如轨道电
路和计轴设备）而是采用虚拟自动闭塞。

●该系统将与GPS差分定位系统相结合实现列车的精确定位。

列车装设ATP车载设备
保证行车安全车地间的信息传输和公务通信。

●在ITCS系统中，GSM-R网络采用双重覆盖的解决方案增强了系统的可靠性，主要设
备包括MSC、BSC、BTS等。

10.磁浮车地通信的特点？
●首先采用了具有恒包络特性、相位连续以及对多普勒频移和频率容差不敏感的相位
连续FSK（CPFSK）调制。

●其次，采用分集技术对抗多径衰落的影响。

⏹分集技术是利用多条具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性的
信号路径传输相同信息，并在接收端对这些信号进行适当的合并，以便大大
降低多径衰落的影响，从而改善传输的可靠性。

（必考：填空）11. 2.4G工频段使用有什么特点？
●ISM频段即工业，科学和医用频段。

一般来说世界各国均保留了一些无线频段，以
用于工业、科研、医疗方面的应用。

应用这些频段无需许可证，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），并且不要对其它频段造成干扰即可。

●ISM频段在各国的规定并不统一，例如，在美国有三个频段902-928 MHz、2400-2484.5
MHz及5725-5850 MHz，而在欧洲900MHz的频段则有部份用于GSM通信。

而2.4G 频段为各国共同的ISM频段。

●在中国，只能使用5.725－5.850GHz频段，20M信道带宽下，149、153、157、161、
165这5个信道在任意相邻区域使用无频率交叉。

●（Note：需要记住哪些国家对应的工作频段。

）
（隐终端和暴露终端二者选其一必考）12.什么是隐终端问题，如何解决？
●隐终端是指在接收者的通信范围内而在发送者通信范围外的终端。

隐终端问题---- 在发送方侦听不到: A, C 不能互相听到，中间有障碍物、信号衰减，
A、C 于是都发给B，B 处此时会产生冲突。

(b) 信号强度衰减问题---- C 在发送，
由于信号传输衰减，传到A 处时，A 听不到，A 以为听到信道闲，也发，接收站
B 处此时产生冲突。

隐终端问题的解决
✓节点A欲发送一数据包给节点B, 首先A发送一RTS给B;
✓B发送CTS;
✓A收到CTS后发送数据;
✓C监听到CTS，知道有节点在发送数据，A和B数据传输时间C不会发数据包。

13.什么是暴露终端的问题，如何解决？
●暴露终端是指在发送者的通信范围之内而在接收者通信范围之外的终端。

暴露终端效应: 当节点B向节点A发送数据时，节点C也希望向节点D发送数据。

根据CSMA协议，节点C侦听信道，它将听到节点B正在发送数据，于是错误地认为它此时不能向节点D发送数据，但实际上它的发送不会影响节点A的数据接收，这就导致节点C所谓暴露终端问题的出现。

暴露终端问题的解决
✓发送者发送RTS。

✓接收者返回CTS。

✓邻居节点：
如果收到CTS则保持安静，不能传输数据。

如果只收到RTS 而没收到CTS,可以传输数据。

第五章
（必考）1.RS-232、RS-422和RS-485接口各有何特点？
●RS-232的通信距离短、速度低等缺点。

RS-232接口使用非平衡（即单端）方式传送
和接收数据及控制信号，所以其数据和控制信号需要一根信号地（Signal Ground）线以构成回路。

其优势在于节约线缆，但存在抗电磁干扰能力差的问题。

●RS-422定义了一种平衡通信接口，即数据信号使用一对双绞线采用差分传输方式，
其中一线定义为A，另一线定义为B。

●一对多RS-422多点双向通信
●由于RS-422接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，因此理
论上允许RS-422在相同传输线上连接多个接收节点。

●RS-422一般最多可接10个节点。

即一个主设备（Master），其余为从设备（Salve），
从设备之间不能通信。

●在RS-422的基础上制定的RS-485标准，增加了多点、双向通信能力。

RS-485的许
多电气规定与RS-422相仿，如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终端电阻RS-485可以采用二线与四线连接方式。

●典型二线连接RS-485多点通信系统
●采用二线连接时可实现真正的多点双向通信。

●数据回路里的线路驱动器在不发送数据时需要切换到高阻抗状态（自身的“三
态”）。

●这样就有效地实现了多点到多点的通信（即总线上所接的所有设备中任意两个之间
均能通信）。

2.TCN的体系结构有何特点？
●列车通信网采用分层结构，根据列车控制的特点，分为上、下两级层次：车厢局域
网连接一个车厢或固定车组内部各种可编程终端装置；较高一级的列车主干网连接各个车厢的网络节点。

●列车主干网称为列车总线（Train Bus），车厢局域网称为车厢总线（Vehicle Bus）。

●列车总线和车厢总线是两个独立的通信子网，可采用不同的网络和协议，这是因为：
列车总线能对列车总线节点命名和确定方位，这需要相当复杂的硬件和初始化过程，而对于设备固定的车厢总线来说是多余的。

补充：
（必考）MVB物理层：
●MVB可以提供三种不同的物理介质，它们的工作速度为1.5Mbit/s：
●① 电气短距离介质ESD
●② 电气中距离介质EMD
●③ 光介质OGF
（必考）网络连接器在OSI参考模型中的位置？。