GSMR无线通信解析Word文件下载.docx
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采用有绝缘的数字轨道电路传送列控信息；
法国UM2000+TVM430系统：
采用无绝缘数字轨道电路传送列控信息（分级控制）；
但以上三种高速列控系统均采用大量专有技术，相互间不兼容，技术平台不开放。
欧洲ETCS系统：
为实现欧洲铁路互联互通，欧盟组织确定了适用于高速铁路列控的标准体系，技术平台开放；
基于GSM-R无线传输方式的ETCS2系统，技术先进，并已投入商业运营；
欧洲正在建设和规划的高速铁路均采用ETCS列控系统，是未来高速列车控制系统的发展方向。
我国铁路地域广大、列车种类繁多、提速以后线路允许速度不统一，同为绿灯却有多种速度含义。
另外，我国铁路行车主要特点是客货混跑、高低速列车共线运行，这样必然要求客货列车均需装备ATP，从而使得我国发展ATP的难度明显大于国外。
我国铁路实行以地面信号为主、以机车信号为辅的行车方式，对列车运行实行开环控制，依靠司机严守信号保证行车安全。
因此，习惯于现有机车信号＋监控装置的控车模式。
目前，机车普遍安装的通用机车信号未达到主体化的水平。
机车信号基于轨道电路和站内电码化，但轨道电路制式繁多，有的根本不能满足“主体化”的要求，将面临淘汰。
信号基础装备薄弱，影响了是我国ATP的发展。
GSM－R移动通信系统用于铁路信号、用于ATP系统和铁路综合移动信息平台，技术上有明显优势，产品得到多家厂商的支持，这在欧盟已得到证明。
我国GSM-R网络建设还在起步阶段，影响了基于GSM-R的CTCS的实施。
我国铁路第六次大面积提速调图推出了一系列重大技术创新成果，铁道部经过深入研究和科学论证，立足于我国技术和设备，参照国际相关标准和经验，提出了符合我国技术政策和铁路运输需要的中国列车运行控制系统CTCS技术体系和总体规划，在我国大力发展CTCS系统以保证列车安全运行，并以分级形式满足不同线路运输需求的列车运行控制系统。
第六次大提速200km/h区段装备列车运行控制系统，CTCS-2级区段延展里程5500余公里，TVM430区段延展里程760余公里，共计延展里程6260公里，涉及十个铁路局的7条干线，包括16个区段，250余个车站。
2.CTCS系统
2.1.CTCS系统的基本功能
（1）列控系统的车载信号是列车运行的凭证。
（2）按列车运行安全制动距离，自动调整列车运行追踪间隔。
（3）防止列车运行速度超过线路允许速度、道岔侧向规定速度以及列车构造速度，保证列车运行安全；
列车运行超速时，由列控设备自动实行减速或制动停车。
（4）防止列车冒进关闭的禁止信号机（或点）。
（5）监督列车以低于30km／h的速度进行出入库作业。
（6）与机车自身速度控制系统结合，实现对列车减速、缓解、加速的自动控制。
（7）与列车调度系统结合，实现对列车的简单自动驾驶。
（8）由车载测速单元获取列车走行速度和列车的位置。
通过每一个轨道区段分界点或应答器时，列车的测距系统将校正一次，以提高目标距离的精度。
（9）根据接收的地面中心信息，车载设备进行实时处理。
车载设备应连续向司机显示下列行车内容：
目标速度、目标距离、允许速度、实际速度，以及其他辅助报警显示：
超速、制动、缓解和故障。
2.2CTCS基本功能
（1）系统按照故障-安全原则，在任何情况下防止列车无行车许可证运行。
（2）防止列车超速运行，包括列车超过进路允许速度、线路结构规定的速度、机车车辆构造速度、临时限速和紧急限速、铁路有关运行设备的限速；
能够以字符、数字及图形等方式显示列车运行速度、允许速度、目标速度和目标距离；
能够实时给出列车超速、制动、允许缓解等表示以及设备故障状态的报警。
（3）防止列车溜逸。
2.3工作原理
当列车运行在区间时,由ZPW2000轨道电路传输连续信息,包括行车许可、空闲闭塞分区数量和道岔限速、线路长度、线路坡度、线路固定限速和列车定位等。
当列车运行在车站时,由无线机车信号传输连续信息和点式信息,其中连续信息包括进站信号、出站信号等,点式信息包括进路、股道号、股道长度及临时限速的起点里程、长度、速度、车次、起止时间等。
车站列控中心功能由无线机车信号地面设备和CTC或TDCS站机及其车务终端实现。
无线机车信号地面控制柜从CTC或TDCS分机获取临时限速值,从联锁获取进路信息,通过无线直接发送到车载ATP设备。
在预告信号机处设置无源应答器（可与区间应答器共用）作为无线机车信号启动和结束标志,无线机车信号地面设备依此实现列车的注册和注销并建立列车与进路的对应关系。
动车组车载ATP设备根据地面提供的列控动态信息、线路静态信息、临时限速信息及有关动车组数据,生成控制速度和目标2距离模式曲线,控制列车运行。
车载ATP设备主要控制模式分为:
完全监控模式、部分监控模式、目视行车模式、调车模式、隔离模式和机车信号模式。
同时,记录单元对列控系统有关数据及操作状态信息实时动态记录。
2.4.CTCS应用等级
中国列车运行控制系统CTCS规范中，根据功能要求和设备配置划分应用等级0～4级。
CTCS应用等级0：
由通用机车信号+列车运行监控装置组成，为既有系统。
CTCS应用等级1：
由主体机车信号+安全型运行监控记录装置组成，点式信息作为连续信息的补充，可实现点连式超速防护功能。
CTCS应用等级2：
是基于轨道传输信息并采用车一地一体化系统设计的列车运行控制系统。
可实现行车指挥联锁列控一体化、区间一车站一体化，通信一信号一体化和机电一体化。
CTCS应用等级3：
是基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统。
其点式设备主要传送定位信息。
CTCS应用等级4：
是完全基于无线传输信息的列车运行控制系统。
地面可取消轨道电路，由无线闭塞中心和车载验证系统共同完成列车定位和完整性检查，实现移动闭塞。
3.CTCS3系统体系结构
CTCS3级列控系统是基于无线传输信息并采用传统方式检查列车占用的列车运行控制系统。
面向提速干线、高速新线或特殊线路，基于无线通信的自动闭塞或虚拟自动闭塞，它可以叠加在既有干线信号系统上。
CTCS3级适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机，司机凭车载信号行车，满足客运专线和高速运输的需求。
CTCS3级列控系统采取目标距离控制模式和准移动闭塞方式。
同时具有CTCS2级功能。
如图3-1所示。
图3-1CTCS3级运行示意图
CTCS-3级列控系统包括地面设备和车载设备。
地面设备由移动闭塞中心（RBC）、列控中心（TCC）、ZPW-2000（UM）系列轨道电路、应答器（含LEU）、GSM-R通信接口设备等组成；
车载设备由车载安全计算机（VC）、GSM-R无线通信单元（RTU）、轨道电路信息接收单元（TCR）、应答器信息接收模块（BTM）、记录单元（JRU/DRU）、人机界面（DMI）、列车接口单元（TIU）等组成。
RBC根据轨道电路、联锁进路等信息生成行车许可，并通过GSM-R无线通信系统将行车许可、线路参数、临时限速传输给CTCS-3级车载设备；
同时通过GSM-R无线通信系统接收车载设备发送的位置和列车数据等信息。
TCC接收轨道电路的信息，并通过联锁系统传送给RBC；
同时，TCC具有轨道电路编码、应答器报文储存和调用、站间安全信息传输、临时限速功能，满足后备系统需要。
应答器向车载设备传输定位和等级转换等信息；
同时，向车载设备传送线路参数和临时限速等信息，满足后备系统需要。
应答器传输的信息与无线传输的信息的相关内容含义保持一致。
车载安全计算机根据地面设备提供的行车许可、线路参数、临时限速等信息和动车组参数，按照目标距离连续速度控制模式生成动态速度曲线，监控列车安全运行。
4.CTCS3系统的关键设备
4.1.地面设备
图4-1CTCS-3级地面设备结构
1）无线闭塞中心（RBC）
CTCS3系统地面设备的主要特点在于采用全线RBC设备集中设置。
CTCS-2级作为CTCS-3级的后备系统。
无线闭塞中心（RBC）或无线通信故障时，CTCS-2级列控系统控制列车运行。
在CTCS-3级列控系统中，RBC的主要功能包括：
通过列车的CTCS识别码获得列车的信息；
通过轨道电路提供的列车占用信息跟踪区域内列车；
根据微机联锁、轨道电路等系统提供的信息，生成管辖内每一列车的运行许可；
接收调度集中系统（CTC）提供的临时限速信息；
向管辖内列车传送列车当前运行许可、临时限速及线路参数。
综合考虑各种限制条件、运行调试和维修维护的便利性，RBC主机一般集中设置。
RBC设备采用硬件安全比较冗余结构，其设备配置如图8-41所示，设备配置包括：
无线闭塞单元（RBU）、协议适配器（VIA）、RBC维护终端、司法记录器（JRU）、ISDN服务器、操作控制终端和交换机等设备组成。
操作控制终端：
RBC操作控制终端由服务器和工作站组成，主要可完成站场图形显示、进路及列车运行情况显示、列车的登记与注销、紧急操作以及RBC系统的维护与诊断等功能。
本地维护终端：
每台RBC设有一个维护终端，为维护工程师及其他技术人员提供与RBU接口。
主要功能包括：
监视RBU处于工作状态，还可以通过它切换RBU工作状态；
告警提示；
读取由RBU存储的诊断数据（包括来自安全传输单元的数据）；
下载系统日志；
设定时间和日期。
司法记录器：
司法记录器将RBC所有状态以及列车报告的数据和状态均记录下来，以备分析检查。
ISDN服务器：
通过ISDN服务器为RBC提供通话路由。
2）应答器
应答器用于向CTCS-3级列控系统车载设备提供位置、等级转换、建立无线通信等信息，同时对CTCS-2级列控系统车载设备提供线路速度、线路坡度、轨道电路、临时限速等线路参数信息。
应答器报文信息格式采用铁道部统一的技术标准，应答器设置满足CTCS-3系统、兼容CTCS-2系统的要求。
3）LEU
LEU通过串行通信接口与TCC设备连接，将来自TCC的报文连续向有源应答器发送，从而实现向车载设备发送可变信息。
当LEU与TCC通信故障或接收的数据无效时，LEU向有源应答器发送默认报文。
4）轨道电路
●区间轨道电路
区间采用计算机编码控制的ZPW-2000（UM）系列无绝缘轨道电路，轨道电路的传输长度满足相关技术条件的要求。
轨道电路的正常码序为：
L5-L4-L3-L2-L-LU-U-HU，满足CTCS-2级300km/h速度列车安全运行的要求。
●站内轨道电路
复杂大站：
正线及股道区段采用计算机编码控制的ZPW-2000（UM）系列有绝缘轨道电路，其它区段采用25Hz轨道电路。
一般车站：
全站采用与区间同制式的、由计算机编码控制的ZPW-2000（UM）系列有绝缘轨道电路。
为避免邻线轨道电路的干扰，当站内横向相邻同方向载频的轨道电路长度超过650m（线间距不小于5m）时，应对轨道电路进行分割。
5）列控中心（TCC）
TCC是CTCS-2级列控系统地面子系统的核心部分。
根据轨道区段占用信息、联锁进路信息、线路限速信息等，产生列车行车许可命令，并通过轨道电路和有源应答器，传输给车载子系统，保证其管辖内的所有列车的运行安全。
TCC采用2×
2取2安全计算机平台，具有技术成熟、可靠等特点。
TCC之间通过安全局域网进行连接，实现TCC之间、与车站联锁之间安全信息传输。
CTCS-3级列控系统各车站、线路所及中继站均设置一套TCC，中继站距离一般不超过15公里，特殊困难地段不能超过20公里。
4.2．CTCS3车载设备
车载设备采用分布式机构。
设备包括车载安全计算机（VC）、GSM-R无线通信模块（RTM）、轨道电路信息接收单元（TCR）、应答器信息接收模块（BTM）、记录器（JRU）、人机界面（DMI）、列车接口单元（TIU）等。
车载设备总体结构如图4-3所示。
车载设备采用分布式结构。
设备包括车载安全计算机（VC）、应答器信息接收模块（BTM）、轨道电路信息接收单元（TCR）、测速测距单元（SDU）、人机界面（DMI）、列车接口（TIU）、司法记录单元（JRU）、GSM-R无线通信单元（RTU）、动态监测接口等。
车载设备与动车组的接口采用继电器或MVB总线方式。
车载设备中的车载安全计算机（VC）、应答器信息接收模块（BTM）、安全输入输出接口（VDX）、轨道电路信息接收单元（TCR）、测速测距单元（SDU）、人机界面（DMI）等关键设备均采用冗余配置。
车载安全计算机中的CTCS-3控制单元和CTCS-2控制单元独立设置，CTCS-3控制单元负责在CTCS-3线路正常运行时的核心控制功能，CTCS-2控制单元负责后备系统的核心控制功能。
300km/h动车组不装设列车运行监控装置（LKJ）。
图4-3车载设备总体结构
5．GSM-R系统
GSM-R（GSMforRailway）是在GSM蜂窝系统上增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的要素组成，能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信的要求。
由于GSM-R可实现跨越国界的高速和一般列车之间的通信；
能将现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中，以减少集成和运行费用；
而且由于GSM-R是由已标准化的设备改进而成，GSM平台上已经提供了大量的业务，因而引入铁路专用的功能时只需最低限度地改动，故能保证价格低廉、性能可靠地实现和运行；
在GSMPhase2＋中添加了ASCI（增强的语音呼叫业务）特性，能灵活地提供专网中所需的语音调度服务如VBS、VGCS和eMLPP，因此GSM-R是面向未来的技术，它将从广阔的GSM公网市场和GSM技术的不断演进中获益，具有巨大的发展空间，GSM-R在欧洲取得巨大的成功，目前超过30个铁路公司已承诺在其国际路网中使用该技术。
GSM-R系统很多技术借鉴了公网的GSM技术，保留了GSM的大体结构，使得从一开始GSM-R系统就是一个成熟可靠的系统，它的绝大多数软硬件都已在现网中得到检验。
不仅如此，由于二者都可以工作在900M频段，因此在无线网络规划方面也是基本相同的，GSM-R系统的规划设计也可借助于已成熟的GSM系统工具，可以方便快捷地为用户提供网络设计安装。
GSM-R的基本特性已在铁路网的MORANE试验中得到安装、测试和验证。
出于众多的需要，GSM新技术如GPRS已经规范化并将安装使用。
向UMTS的演进将提供新的业务和更加强大的无线系统。
GSM-R据此可最大限度地引入新的业务。
业务模型如图5-1所示。
图5-1GSM与GSM-R的关系——业务模型
5.1GSM/GSM-R工作原理
蜂窝移动通信系统诞生于20世纪80年代，第一代的模拟蜂窝系统解决了移动电话业务中长期存在的阻塞和服务质量差的问题。
随着数字通信技术的发展，模拟蜂窝系统在用了十年左右的时间就被淘汰了，新的数字移动通信系统称为移动通信的主流。
本文将从面状覆盖和线状覆盖两种覆盖方式的角度来介绍数字蜂窝网络。
5.1.1面状覆盖
5.1.1.1小区形状
在面状覆盖的服务区中，通常采用正六边形的小区形状。
六边形比正方形和正三角形在半径相同的情况下，覆盖面积要多30%~100%。
因此采用六边形的设计需要较少的小区，较少的发射基站。
5.1.1.2频率复用
在蜂窝系统中，系统会给每一个小区的基站分配一组信道，只要相隔距离足够远，相同的信道可以在另一个小区重复使用，这就是频率复用的思想。
我们把由若干个使用全部频率的小区组成的集合称为一个簇，把不同簇中使用相同频率的小区称为同频小区，任意两个同频小区之间的距离称为同频复用距离。
为了避免同频小区之间的干扰，必须选定一个合适的同频复用距离。
图5-2寻找同频小区的方法
构成一个簇必须满足：
簇的区域能彼此邻接且无空隙地覆盖整个面积；
相邻簇间同频小区的距离相等且为最大。
设一个簇中的小区数为N，满足以上条件的N的取值是有限的，可以通过式2-1确定N的值。
（式5-1）
其中，i，j为非零正整数。
这一公式提供了寻找最近的同频小区的方法：
沿某一小区的任意一条六边形链移动I个小区后，逆时针旋转60度后再移动j个小区，此时到达的小区即为同频小区。
图5-2为i=3，j=2，N=19的情况。
设两个同频小区之间的同频复用距离为D，小区的半径为R，可用下式计算
（式5-2）
由5-2式可见，小区的半径越小，同频复用距离就越小，频率利用率就越高。
但是如果同频复用距离D越小，同频小区之间的干扰就会越大。
为了更好的表达频率复用率与系统容量之间的关系，我们引用D与R的比值来作为衡量系统容量的一个重要参数，这一比值称为同频复用比，用Q来表示：
（式5-3）
可见，Q的值只与簇的大小有关，Q的值越小，系统容量越大；
但是Q值大可以提高传播质量，因为同频干扰小。
在实际的蜂窝系统设计中，要恰当的选择Q值，在容量和干扰之间进行折衷。
目前常用的蜂窝网簇的结构有N=12、9、7、4和3。
5.1.1.3提高系统容量的方法
随着用户数量的增长，需要不断地提高蜂窝系统的容量。
实际中常使用的提高蜂窝系统容量的方法有小区分裂和划分扇区。
小区分裂根据用户密度的变化，在现有小区的基础上划分更小的小区来提高频率复用率。
划分扇区利用天线的方向性来控制干扰，从而提高系统容量。
5.1.1.4位置理论
在蜂窝网络中有以下几类与区域有关的概念：
小区：
一个BTS所覆盖的全部或部分区域（扇区），是最小的可寻址无线区域。
位置区：
移动台可以任意移动但不需要进行位置更新的区域，一个位置区可由一个或多个小区组成。
当MSC寻找移动台时，只需要在移动台所属的位置区进行呼叫，而不需要在整个MSC区内呼叫移动台，如图5-4。
MSC区：
一个MSC管辖下的所有覆盖区域，一个MSC区可有一个或若干个位置区组成。
服务区：
移动用户可以获得服务的所有区域。
MSC可以通过位置区识别码（LAI）和全球小区识别码（GCI）来识别位置区和小区。
位置区识别码由三部分组成：
LAI=MCC+MNC+LAC，全球小区识别码是在LAI的基础上再加上小区识别码（CI）构成的，其结构为GCI=MCC+MNC+LAC，GCI可以全球范围内唯一地标识一个小区。
MSC可以通过BSC的信令点代码（CCS7地址）寻址一个小区，虽然在呼叫建立的过程中MSC不需要知道用户所在小区的位置，但是为了测量话务量MSC仍需要知道用户所在的小区。
用户在MSC的VLR中的位置不是建立在小区的基础上的。
在VLR中存储的是用户的位置区，即利用位置区来寻找用户。
可以将一个或多个位置区为一地分配给一个BSC，通过BSC的信令点代码在所在的MSC中实现位置区和所有小区的地址逻辑。
还可以给小区分配一个位置标志码，它是一个与小区相关的完整的电话号码，可以用作GSM紧急呼叫的拨号信息，或者用来替代该信息，用作紧急呼叫的拨号短代码。
图5-4小区和位置区
越区切换时移动用户从一个MSC/VLR切换到另一个MSC/VLR区域中，因此前一个MSC必须知道后一个MSC的位置区。
对于一个MSC，它不仅应该知道与它相邻的、可能发生越区切换的MSC的位置区，还应该知道其他的一些外部位置区。
移动用户在位置区中必须进行位置登记，移动台的位置信息储存在位置寄存器功能单元（HLR和VLR）中。
移动台要不断地向MSC的VLR提供自己的位置信息，这一过程叫做位置更新。
位置区的划分要考虑两方面的原因：
登记和寻呼。
如果一个位置区包括了整个MSC的业务域，那么它的登记的代价是最小的，即位置更新的次数最小，但是寻呼的代价是最大的，即MSC需要向所属的所有移动台发出寻呼信息。
反之，如果一个位置区就是一个小区，那么寻呼的代价最小，登记的代价最大。
5.1.2线状覆盖
通常面状覆盖用于城市、乡村等地域宽阔的地带，而在铁路、公路、狭长的水面上这样的呈带带状的地区，往往采用线状覆盖的方式，如图2-8所示。
本书讲述的GSM-R系统应用于铁路，应当采用线状覆盖的方式。
线状覆盖使用的蜂窝基本原理与面状覆盖类似，只是在小区频率组的分配和重叠区的问题上要单独考虑。
铁路沿线的覆盖示意如图5-5。
图5-5铁路沿线的覆盖示意
5.1.2.1频率的分配
在线状覆盖中，一般以圆形小区为模型来进行分析和设计，如图5-6所示。
沿着覆盖区域
的分布按照n个小区为一组的间隔可以进行频率复用，n的取值要考虑到频率利用率、同频干
扰和建网成本，一般可以取2、3、4。
图5-6线状覆盖的频率复用
5.1.2.2重叠区的确定
在铁路或公路的覆盖中，移动台往往处于高速移动状态，信号的场强变化复杂，很难确定相邻小区的覆盖边界，通常从场强的平均变化这一意义上来理解覆盖区域。
为了保证在覆盖区域尽可能不出现弱场区，要保证相邻小区间有一定的重叠范围。
确定重叠区的大小是一个很复杂的问题，如果重叠区太小，可能会出现弱场区；
重叠区太大同频干扰增大，越区切换时间太长，不易控制，因此要恰当设计重叠区域的大小。
图5-7线状覆盖的同频干扰
在图5-7中，假设移动台位于小区A的边界P点，小区半径为R，路径损耗指数为4。
那么利用式2-6，采用两小区、三小区、n小区的频率复用方案得到的移动台接收C/I值分别
为
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