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1、新黔桂线GSM-R数字移动通信系统建设应用分析摘 要 黔桂铁路扩能改造工程即将完成，目前黔桂使用的铁路模拟无线通信存在着技术落后、功能单一、频率利用率低、等缺陷，与铁路的发展和现代化需要不相适应，必须采用统一的、系统功能强大的、频率资源利用率高的综合无线通信系统。具有铁路调度功能的数字移动通信系统GSM-R能较满足实际工作需求的新一代数字移动通信方案。关 键 词 GSM-R 铁路通信 移动通信系统 无线通信黔桂线柳州至贵阳段改造即将完成，等级被列为国铁级电气化铁路, 改造后的黔桂铁路全长489公里，比原线路缩短119公里，单线建设,预留复线,保留贵定至都匀既有铁路。 列车时速140公里/小时1
2、60公里/小时。线路走向为龙里昌明都匀独山麻尾金城江柳州,我省境内设置新麻尾等20个中间车站以及25个会让站,近期按单线满足12对客车,货运为1790万吨。远期按双线分布,满足45对客车,货运4500万吨。但目前黔桂使用的铁路模拟无线通信存在着技术落后、功能单一、频率利用率低、干扰严重、数据传输能力差、系统分散、不具备网络能力等缺陷，与铁路的发展和现代化需要不相适应，与发达国家铁路无线通信技术差距很大，不能满足铁路新一代基于无线通信的列车控制系统车-地控制信息传输的需求，也不适应客运专线和高速铁路等现代铁路运输对信息化和提高客运服务质量的需要。从以上问题看，常见同频无线对讲通信设备已无法满足运
3、输生产、管理需要，必须采用统一的、系统功能强大的、频率资源利用率高的综合无线通信系统。新黔桂线综合无线通信系统，需要解决既有常规无线设备存在的问题，应能满足以下基本要求：(1)首先，综合无线通信系统应是一种组网灵活、功能强大的专用调度通信系统。系统可进行全呼、组呼(大组呼、小组呼)、个别呼，优先、限时、强插强拆以及动态重组、加密等。为了能对极为紧急的业务提供迅速的系统接入，综合无线通信系统应能具有高级别优先特性，可事先对通话的优先程度进行分类，供用户选取最适合的系统接通缓急级别。系统总是将第一个可用信道分配给紧急通话，以缩短反应时间；(2)其次，系统应具备集中控制管理所有信道，将原先分配给不同
4、用户的频率进行统一的动态分配，从而提高了信道利用率，使有限的频率得到更充分地使用的功能。这样既共享频率资源，又互相分担费用，有效地降低用户建网的费用，节省投资。为不同用户提供各种通信业务，成功地解决了通信的公共性和独立性之间的供需矛盾；(3)系统还应能按实际的通话小组来组织，可以按用户的工作性质或相互关系将其划分为不同的部门或小组，各部门或小组彼此独立，互不干扰地完成各自通信业务，也可由用户请求对现有编组情况进行动态重组。一、 GSM-R系统的组成GSM-R (GSM for Railway)系统是一种基于目前世界最成熟、最通用的公共无线通信系统GSM平台上的、专门为满足铁路应用而开发的数字式
5、的无线通信系统，针对铁路通信列车调度、列车控制、支持高速列车等特点，为铁路运营提供定制的附加功能的一种经济高效的综合无线通信系统。从集群通信的角度来看，GSM-R是一种数字式的集群系统，能提供无线列调、编组调车通信、应急通信、养护维修组通信等语音通信功能。GSM-R能满足列车运行速度为0-500km/小时的无线通信要求，安全性好。GSM-R是一种专门为铁路设计的专业无线数字通信系统，是中国首次从欧洲引进的移动通信铁路专用系统，它除了能提供无线列调、编组调车通信、应急通信、养护维修通信等语音通信功能外，还能够满足列车运行速度每小时500公里的无线通信要求，与以往中国铁路所采用的单信道模拟系统相比
6、，GSM-R系统达到了国际行业水平。铁路综合数字移动通信系统GSMR是在GSM蜂窝系统上增加了铁路调度通信功能和适合高速环境下使用要素的系统，能够满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信的要求，可以实现跨越国界的高速列车和一般列车之间的通信。GSM-R采用TDMA结构，信道带宽200kHz，每载波8个时隙，全速率话音编码130kb/s，半速率话音编码6.5kb/s，电路交换情况下每时隙9600b/s的数据率，具有短消息功能(SMS)和蜂房小区广播功能(CBCS)。此外，它还引入了GSM phase 2+阶段的ASIC (高级语音呼叫项目)功能，它包括话音组呼(VGCS)、语音广播呼叫(VBS)、
7、增强多优先级与强拆(EMLPP)。在铁路应用上还包括：功能寻址，通过功能号即可呼叫；基于位置的寻址，根据呼叫发起的位置建立与最近调度中心的呼叫连接；高优先级呼叫确认；调车模式通信；利用多方通话功能提供的多个司机问的通信；直接脱网模式等。GSM-R除了具备这些必不可少的专用调度功能外，还体现在与列车控制系统的完美结合上。GSM-R 系统组成：（1）基站子系统(BSS)，由基站控制器和基站收发信机组成。 （2）网络子系统(NSS)，通过 GSM-RA接口与基站子系统相联。NSS由移动交换中心 (MSC)、拜访位置寄存器(VLR)、组呼寄存器(GCR)和归属位置寄存器(HLR)组成。MSC负责呼叫控
8、制；VLR存储当前MSC区内活动用户的资料；GCR存储用于相关MSC区的语音组呼和语音广播配置属性；HLR存储归属用户永久性资料。 （3）通用分组无线业务(GPRS)子系统，由GPRS网关支持节点(GGSN)和GPRS业务支持节点(SGSN)组成，支持移动分组业务。SGSN和GGSN是分组业务的位置寄存器，其中，SGSN存储已注册用户的签约信息和位置信息；GGSN存储用户签约信息和路由信息，路由信息用于GPRS移动台通过隧道技术，将分组数据包传送到移动台注册的GGSN上。SGSN通过Gb接口与BSS相联，通过Gs接口与MSC/VLR相联，通过 Gr接口与HLR相联。GGSN与SGSN通过Gn接
9、口相联，与HLR通过Gx接口相联，与外部数据网络通过Gi接口相联，与其他 GSM-R/GPRS网络通过Gp接口相联。 （4）移动台(MS)，由移动设备(ME)和用户识别模块(SIM卡)组成。移动设备与BSS通过无线空中接口(Um)互联；SIM卡包含用户特定信息。移动设备与SIM卡采用标准接口互联。 （5）运营和维护中心 (OMC)，用于管理网络，计费中心，确认中心 (AUC)GSM-R可以构成既含有面状覆盖又含有链状覆盖的网络，既可用于地区性的覆盖也可用于全国性的覆盖。例如，沿铁路线采用链状覆盖，车站及枢纽地区采用面状覆盖。为了满足铁路对传输的高可靠性，链状覆盖一般采用双重冗余的重叠小区结构，
10、每2个基站(BTS)重叠覆盖一个小区(cell)；面状覆盖采用多小区(或多扇区)蜂窝结构，每个基站(BTS)覆盖一个小区(cell)，当然也可以采用重叠覆盖小区结构。二、 GSM-R系统的主要特点GSM-R为UIC所属组织EIRENE制定的标准，后提交ETSI认可，因此其主要技术特征包括：具有全部GSM业务和功能；单一平台，能够满足所有语音和数据通信(电路交换/分组交换)的需要；满足铁路员工在车上和沿铁路线语音通信的需要；灵活的数据传输方式(GPRS)，可按需分配带宽f；具有智能网络功能,可提供新的业务和操作员特殊功能；具有列车自动控制,及信号和安全系统；可以向第三代移动通信(3G)平稳过渡；
11、频率管理与GSM兼容。 在GSM基础上，GSM-R增加了为铁路运营服务的特殊业务，包括：功能寻址，允许在呼Hq终端的功能基础之上建立呼叫；基于位置的寻址，为移动台发起的呼叫提供路由，选择与地理区域有关的基站控制器或无线闭塞中心；高优先级呼叫确认，记录表明为高优先级呼叫的事件；调车模式，为正在进行调车(平面调车)的通信组提供有效通信；多个司机间的通信，利用GSM phase 2+的多方通话业务，可以实现多个司机之间的通信； 直接模式(可选功能)也称为直接脱网模式，在发生事故或特殊情况时，直接模式可以为铁路工作人员提供短距离通信，同时也可以与现有联机移动通信系统兼容确保平滑渡。（一）GSM-R的综
12、合性 GSM-R能将铁路现有的各类通信融合到统一的网络平台上来，并且各类通信系统间 (电务、工务、车务、电力、施工等)可以相互通信，相互协调。GSM-R是无线列调的更新换代产品，能够满足区间公务移动、紧急救援、调车编组作业、站场无线等移动语音通信的需求，满足 DMIS无线车号、列车尾部风压、机车状态信息、红外轴温监测、线路桥隧监护、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求。满足铁路的安全信息发布和预告警系统的需求，确保铁路的畅通、沿线施工养护人员、车辆、机械的安全。 GSM-R将通信和信号有机的融合为一体，提出了移动闭塞信号的理论，大大的提高了线路的利用率。移动闭塞信号机在实际
13、的线路中是看不见的，但它确确实实存在于列控系统中，列控中心根据列车的编组情况、运行速度自动调整移动信号机的虚拟位置到最佳位置，并将信号通过GSMR网络传输到机车上的信号机，为司乘人员操作的提供依据。这样列车的编组短时闭塞区间就短(反之闭塞区间就长)，把线路的利用率提高到了最佳状态，可以大大提高线路的运输能力。对于列控信息都能进行实时的监控，保证了铁路的安全运输 。 铁路综合数字移动通信系统 GSM-R除了满足铁路运输主业和路内各种语音、数据、多媒体图像通信的需求外，同时也可为旅客和铁路职工提供丰富的新业务，如移动办公 、文件传输、收发 Email等。（二）GSM-R的经济性 原有铁路无线通信系
14、统设备多为国外厂家制造供货，以及后续系统升级维护都依赖于他们。铁路大秦线GSM-R系统采用华为公司设备来集成，目前系统工作稳定可靠，证明了我国已具备GSM-R设备生产能力，设备国产化避免了国外厂家的垄断，大大降低了设备采购、建网和维护成本。 原有铁路网络之间不同通信系统的互操作性有限。GSM-R能将现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中，可以减少集成和运行费用，而且由于GSM-R是由已标准化的GSM设备改进而成，GSM平台上已经提供了大量的业务应用，引入铁路专用的功能时只做最低限度地改动，从而保证了技术引入成本低、性能实现易、运行可靠性高。因此它是一种经济高效的综合无线通信系统。 三、 GSM
15、-R系统的应用基于GSM phase2标准的GSM-R，是国际铁路联盟(UIC)和欧洲电信标准协会ETSI为欧洲新一代铁路无线移动通信开发的技术标准。GSM-R系统已经在欧洲铁路广泛应用，有成熟的经验，并且支持ETCS。GSMR系统的主要应用有 ：（一）车地双向信息传输通道 采用GSM-R数字移动通信统实现车地双向无线数据传输，是铁路基于通信技术的列车控制系统的关键技术，是实现列车运行动态跟踪、控制的最佳手段。对于实时性要求非常高的列车控制信息的传输，可以采用电路交换数据传输永久占用信道的方式，对于实时性要求不是很高的信息传输，可以采用 GPRS的分组数据传输、GSM-R短数据消息功能以及临时
16、拨号连接等方式，可以有效的利用系统资源 。（二）GSM-R调度通信 GSM-R具有很强的调度功能，它提供选呼、组呼和广播呼叫，并具有多优先级强插强拆功能。智能网络业务确保采用车次号、机车号呼叫以及功能寻址和基于位置寻址的业务，可以很方便地实施调度员与司机之间的双向双工通信，实现调度通信功能。并且可以将传统的数字调度通信和无线列调通信“两网合一”。 （三）基于GSM-R的专用移动调度网络 GSM-R数字移动通信网络在铁路上成功应用的重要方面之一是解决铁路调度应用问题。铁路调度是一个反映运输生产作业、 指挥、安全非常复杂的庞大系统，具有其规律性和特殊性。调度人员主要包括行车、机务、电务、工务、电力
17、、公安、维修维护、救援等，这些人员反映了铁路业务之间的独立性和相互关系。GSM-R系统提供的广播话音呼叫、组话音呼叫、多方话音呼叫等功能可以满足铁路各种调度通信的需求，它们之间既相互独立又相互关联。此外，采用GSM-R数字移动通信系统还能够实现基于GPRS的尾部风压和完整性检查、基于GSM-R的非安全数据传输、基于GSM-R的区间移动接入。GSM-R旅客电话和应急通信等功能。 四、GSM-R对高速铁路的适应性 由于高速铁路列车具有较高的移动速度，移动通信网络必须能够适应高速移动环境。根据EIRENE的规定，GSM-R必须能够支持最高速度为500km/h和最高平均速度为350km/h的情况。较高
18、的移动速度会增加无线传输的误码率；并且典型的高速铁路一般都会经过较长的隧道和桥梁，会对无线传播信号的强度造成影响。 针对高速铁路这种特殊的通信环境，GSM-R系统从网络规划到无线信号的传输都进行了改进，以适应高速铁路的特性。 首先从网络规划方面考虑。由于列车的高速移动，频繁跨越小区，因此越区切换的时间比较短，一般不超过350ms。为此，GSM-R使用了改进的越区切换技术，例如：快速场强衰落切换、同步/预同步切换、与速度有关的切换通过以上对越区切换算法的改进，可以提高切换的成功率，同时提供对车站和调度区间更好的覆盖。 其次，从无线信号的传输方面考虑。对于无线传播中的大尺度衰落和阴影衰落，可在RF
19、放大器中通过功率控制进行补偿，对于多径效应和多普勒频移造成的小尺度衰落，则必须采用信号处理技术进行补偿，例如均衡技术。GSM中使用的均衡技术可以补偿郊区(最高时速为250km/h)、市区和山区的衰落情况。但是，由于铁路环境中列车的高速运动，造成信号的衰落率较高，即信号的变化较快，因此GSM中的均衡技术不能适用于GSM-R。必须对均衡算法进行改进，从而在数据突发中能够快速跟踪信道参数的变化，以降低无线传输的误码率。 五、结论综上所述，GSM-R标准专为铁路产业的需求而设计，更加适合新黔桂线铁路通信系统现代的发展需要，技术更加先进成熟，因此具有很好的发展前景，黔桂线路通信系统采用GSM-R发展综合数字移动通信，能够实现黔桂铁路网络的互联互通、提高高速铁路的安全性、降低铁路信息建设成本，进而奠定铁路现代的移动基础设施是完全可行的。参 考 文 献1 钟章队,李旭,蒋文怡.铁路综合数字移动通信系统M，北京：中国铁道出版社，20032 廖敏，钟章队.高速铁路无线传输系统有效性分析J,中国铁路，20003 张宇威.TETRA与GSM-R技术应用分析J,移动通信，2002（4）4 蒋文怡，王虹英，钟章队.GSM短消息传输时延及其对GPS定位数据传输影响J,移动通信，2001（1）5 钟章队.21世纪通信新技术M，北京：中国铁道出版社，1999
