GSM-R技术与我国铁路通信技术的应用发展.docx

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GSM-R技术与我国铁路通信技术的应用发展

【摘要】本文围绕GSM-R技术的具体原理和在目前已经及即将投入运营的高速铁路GSM-R系统的具体应用展开讨论，同时充分说明了我国铁路通信技术未来发展的方向，希望对全面实现铁路通信信息化建设有所帮助。

【关键词】铁路通信GSM-R信息化网络建设业务功能历史意义

1.引言

铁路是我国国民经济的大动脉，铁路的运输能力直接影响着我国国民经济的发展。

进入21世纪，随着铁路跨越式的发展，铁路通信系统也迎来了划时代的转变，近年来随着运输量的日益增长，使得列车重量加大，列车编组加长。

GSM-R技术是基于成熟、通用的公共移动无线通信系统GSM平台之上，专门为满足铁路应用而开发的数字式移动无线通信技术。

在铁路通信中，它能够提供定制的附加功能，如优先级和强插功能、话音组呼及广播功能、位置寻址及功能寻址和安全数据通信等，是一种经济高效的综合数字移动通信系统。

铁路无线全球通信系统GSM-R的建设和使用，表明中国铁路正不断吸取国外铁路的先进经验和成果，努力提升自身的经济技术结构和规模水平，加快发展步伐，争取在较短时间内运输能力满足国民经济和社会发展的需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。

2.铁路通信的发展过程和现状

新中国成立初期，铁路长途通信一直采用的是以架空明线和电缆为传输媒质的载波通信设备，电话交换大量发展步进制自动交换机及人工长途台，在专用通信方面，全路调度、各站、养路等通信系统改造为铁路支流脉冲选叫方式。

进入70年代，随着国外铁路开始应用光纤技术,我国铁路光缆、数字通信也随之进入研究阶段，进入80年代中后期,数字光纤通信已经在多条线上试用成功；90年代数字光纤通信已经在铁路通信中被广泛使用，这一时期除光缆建设迅速发展以外，其他数字通信建设也得到了相应的发展。

在交换方面大量采用程控交换设备，90年代末全路长途交换网基本形成，在数据交换方面根据铁路运输管理信息系统（TMIS）、客票预定和发售信息系统及铁路其他信息业务的需要，建设了铁路第一个分组交换数据网，在专用通信方面由于光数字分插设备的应用，区段通信电缆数大幅度增加，中间站通信条件大为提高。

调度等共线电话也推广采用了程控共线设备。

铁路无线通信系统使用的单信道模拟制式无线通信设备主要是为满足话音通信设计的，主要使用450M频段,共58对频点，固定分配给了无线列调、站调、公安等无线系统使用，各个部门间不能相互共享，造成频率资源的极大浪费，无线通信系统采用频点（信道）固定分配的方式，信道长期指配给某一系统（通常按专业划分）用户使用，当一个信道遇忙时，其它用户只能等待，往往造成该信道上的用户争抢或者出现阻塞，通信质量得不到保证。

而信道空闲时，别的系统用户也并不能利用该信道进行通信。

这无疑是对频率资源的一种浪费，也制约了用户数量的进一步发展。

铁路无线通信系统枢纽地区干扰严重不具备网络能力，移动终端对讲距离受限，邻站交界区易发生业务中断，各个无线通信系统分散，不能联合组网，使得各系统之间用户无法进行联络，无线、有线调度网基本独立，无法形成有机融合的整体。

无线列调系统是开放系统，并未做任何鉴权加密处理，对用户无需进行身份识别，只要无线终端用户频点和调制方式与无线列调相同，便可以加入到无线列调系统内的通信。

因此话音业务可以被接收或窃听，给行车安全带来极大的隐患。

随着我国铁路信息化建设的不断发展，铁路数据信息业务量的多样化和高速率，使得GSM-R系统在国内有着广阔的发展空间，GSM-R技术也正是顺应时代的发展，利用其固有的GSM-R网络特性，为铁路信息化和自动化发展奠定良好的基础，利用通信的手段实现铁路移动设施和固定设施的无缝连接,确保列车平稳高速、安全地运行。

3.GSM-R系统的介绍

GSM-R（GSMforRailway）中文全称为铁路移动通信系统标准，和我国现在覆盖最大的GSM网络标准相仿，是中国首次从欧洲引进的移动通信铁路专用系统。

随着GSM的技术日趋成熟，使用范围迅速扩大，造价逐渐下降，并且又由于在用户迅速扩展的情况下，集群移动通信解决方案所存在的问题日趋突出，欧洲的铁路移动通信系统最后定位于GSM的方式，也就是在GSM标准上加入了一些适合高速移动环境使用的要素，该项技术在GSM的发起地区欧洲得到了推崇，德国和法国、荷兰、瑞士等国家已在铁路沿线进行了GSM-R的放号。

GSM-R是一种专门为铁路设计的专业无线数字通信系统，基于GSM系统技术平台，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，并将铁路移动通信所具有的特色（群呼、组呼、优先级别、强插、强拆等功能）加进去，构成GSMR用于铁路的全球移动通信系统的解决方案。

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可作为信号及列控系统的良好传输平台，正在试验中的ETCS欧洲列车控制系统（也称FZB）和另一种用于160公里以下的低成本的列车控制系统（FFB），都是将GSM-R作为传输平台。

2002年以来铁道部经过几年的论证、研究，决定借鉴欧洲先进国家铁路通信在GSM-R系统上成功经验，决定在国内选择GSM-R作为铁路专用移动通信系统，替代原有的模拟通信系统，支持铁路跨越式发展，首批试点线路为青藏线、大秦线和胶济线，并在实验成功的基础上逐步在全国各条铁路干线和新建城际客运专线上推广使用。

既有的GSM-R通信系统主要由BSS（基站子系统）、NSS（交换子系统）、OSS（管理子系统）三大部分组成，根据业务的需要，增加了智能业务和GPRS分组数据业务功能单元，我国目前在青藏、大秦、胶济线试用的GSM-R系统基本上可以满足铁路运输信息业务十大功能：

机车同步操作控制系统的信息传输、列车控制系统的信息传输、调度通信、无线车次号信息、CTC调度命令的传送、列车尾部风压信息传送、机车综合监测信息传送（弓况、工况、轴温等）、客车运行安全监测系统（TCDS）信息传送、旅客移动信息服务系统的信息传送、大型编组场/车站综合移动信息服务系统的信息传送、区间移动通信与公务移动通信。

3.1GSM－R系统组成

GSM-R系统由六个子系统组成：

交换子系统（SSS）、基站子系统（BSS）、运行与维护子系统（OMC）、通用分组无线业务子系统（GPRS）、终端子系统及移动智能网子系统（IN），并通过交换子系统（SSS）中的网关移动交换中心（GMSC）实现与其他通信网络的电路域业务的互联互通，通过通用分组无线业务系统（GPRS）中的网关GPRS业务支持节点（GGSN）实现与其他数据信息网络的分组域业务的互联互通。

GSM－R系统框图如下图，A接口往右是NSS系统，它包括有移动业务交换中心（MSC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）和移动设备识别寄存器（EIR），组呼寄存器（GCR）,操作维护中心（OMC）,A接口往左Um接口是BSS系统，它包括有基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。

Um接口往左是移动台部分（MS），其中包括移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）。

3.2GSM-R工作频率   

GSM-R系统可以在876～960MHz整个频率范围内工作，但CEPT（欧洲邮政与电信会议）为欧洲国家的铁路通信系统指定了一个专用频带，也即UIC（国际铁路联盟）的GSM-R频带：

移动站到基站（上行链路）为876～880MHz，基站到移动站（下行链路）为921～925MHz。

GSM-R选择工作在900MHz频带有如下的理由：

适合500km/h高速移动体的通信（最大多普勒频移为415Hz）；抗电气化铁道电火花干扰（电火花的频率多集中在400～800MHz）；典型覆盖距离约为5～10公里，对高速列车来说这是保证系统容量和服务质量的最小范围；更适于隧道内通信（相对450MHz和1800MHz频带）。

3.3GSM-R系统结构与覆盖

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，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。

3.4GSM-R功能特点   

GSM-R以GSM平台为基础，因此除了GSM所具有的越区切换、漫游等特性外，GSM-R还具有如下专有的特性：

功能寻址（FunctionalAddressing，FA）：

便于固定（移动）用户拨号呼叫列车上移动用户的一种方式。

   基于位置的寻址（LocationDependentAddressing，LDA）：

便于列车上移动用户（如火车司机）呼叫固定用户（调度员）的一种方式。

例如当火车司机呼叫固定用户（调度员）时，系统依据移动用户（火车司机）的当前位置（所在控制区/小区）对固定用户（调度员）进行寻址，自动地将呼叫转接到列车当前所在控制区的调度员。

   语音广播服务（VoiceBroadcastService，VBS）：

VBS可用来在指定区域（可跨多个小区）内广播消息或发布紧急呼叫（一点对多点的呼叫，主呼者讲话而众多的被呼方只能收听）。

区域的定义和选择可动态设定，从而具有极大的灵活性。

   语音组呼服务（VoiceGroupCallService，VGCS）：

移动或固定用户拨打组呼ID号，可与指定区域内的小组成员建立呼叫。

该组内所有成员均可通过同一业务信道进行接听；该小组的成员也可通过按键讲话（PTT）方式发出通话请求，系统依据“先请求先服务”的原则建立一个上行链路来提供通话服务。

   增强的多级优先与强占权（EnhancedMulti-LevelPrecedenceandPre-emption，eMLPP）：

铁路紧急呼叫或列车自动控制等许多通信应用，都要求网络无论处于何种负载状况下均能迅速建立呼叫。

如果在一个无线电小区发生拥塞（所有无线电频率和业务信道均被占用），eMLPP可立即切断低优先权的呼叫而优先建立高优先权的呼叫。

3.5GSM-R更适合铁路通信

GSM-R除上述的功能特点外，还表现在如下的铁路业务应用之中。

列车控制系统（TrainControlSystem，TCS）：

是以GSM-R作为传输手段的列车自动防护/列车自动控制系统，甚至可以实现列车自动操作（驾驶）。

铁路维护通信：

利用GSM-R建立铁路沿线维护人员的业务联络通信（新的路边电话和隧道电话）并能够根据维护人员的职能和所在的场所很快地确定他们的位置。

   列车诊断：

如果列车发生故障，诊断数据将通过GSM-R传输到下一个维修中心。

使维修站能够及时为维修做好相关准备，因而大大缩短维修时间。

   旅客服务：

包括列车时刻信息、在线售票（订座）服务。

基于列车自动控制和GSM-R的列车时刻信息服务，能够随时为旅客和乘客提供列车的动态位置和时刻信息；基于GSM-R连接的售票机可提供在线售票（订座）服务。

货运跟踪服务：

利用一个带有GPS接收器的简单GSM模块，可指示该货车（集装箱）的精确位置，可实时掌握所运货物的确切位置，并可将这一数据发送给其客户。

3.6GSM-R关键技术

工作频段的分配、时分多址（TDMA）技术、时分多址帧结构、空间分集、时间色散和均衡、基站与移动台间的时间调整、话音编码、信道编码、交织技术、跳频技术、保密措施等。

我国GSM-R除了具备GSM-R现有的功能特性，还应有无线列调功能、按近连续式机车信号传输、区间移动人员通信，以及根据我国的铁