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，以及根据我国的铁路的地理位置进行合理的GSM-R系统区间的场强覆盖。
3.7GSM-R主要系统性能评估
网络布局的评估
覆盖评估
语音质量评估：
主观和客观MOS评估
干扰评估
语音业务评估：
接入失败率、掉话率、切换成功率、位置更新成功率、语音断续率、回声及背景噪声率、串话率
铁路通信专用功能实现评估：
如无线列调功能、群呼、组呼、插呼、优先级保证等。
3.8GSM-R网络优化策略
GSM网络优化解决的主要问题有：
信道拥塞率高、呼叫成功率低；越区切换失败率高，掉话严重；通话质量低、有串音；移动台占用话音信道后呼叫释放、出现振铃后无通话、移动台接通后单边通话；设备完好率较低；中继电路的配置与实际话务不相符、电路群的每线话务量差别较大等。
目前，铁路GSM-R网络建设基本还处于方案设计阶段，如何在GSM-R网络规划建设时就能减少这些问题出现的概率，为今后运营和服务打下良好的基础，这对于提高投资效率是很有意义的事情。
在此结合网络优化理论，提出以下GSM-R网络设计和优化策略。
4.GSM-R技术在我国铁路通信中的应用
4.1青藏铁路：
我国在青藏铁路通信中采用了专用的GSM-R系统，解决了冻土地带信号传输问题，减少了维护工作量；创造性的采用双交换机、同站址双基站无线覆盖方式，使GSM-R网络达到了可靠性、有效性、可维护性、安全性等技术指标要求。
4.2大秦重载铁路：
大秦线是重载运输专线，山区多、隧道多、曲线多。
铁道部针对大秦线的技术难点，组织多方力量集中攻关，在GSM-R网络电路交换业务的基础上，自主研发了机车同步操控地面应用节点、车载通信单元和管理维护设备，为实现多种编程方式2万吨重载组合列车同步操控提供了可靠的网络条件；同时采用同站址双基站和基站交织两种无线覆盖方式混合组网，满足了不同地理环境的网络可靠性需求；在机车同步操控系统通信平台的基础上进行系统功能升级，自主研发了可控列尾主机和控制盒，从而节省了机车使用数量，提高了经济效益。
4.3胶济线提速工程：
胶济线地处我国经济发达地区，是客货混运线路，运输非常繁忙，电磁环境复杂。
围绕200KM/H干线铁路建设和发展的需要，铁道部组织多家单位积极开展GSM-R应用创新，协调移动运营商进行GSM电磁环境清理，克服了外界干扰，优化了GSM-R无线基站分布，创造了在繁忙干线运营GSM-R的新经验。
4.4合宁客运专线：
进入2008年，我国铁路GSM-R通信系统进入全面建设和使用阶段，安徽省内合宁高速客运专线铁路建设完工并投入运营，合宁客运专线全长166公里，其中客车运行期间为合肥站至南京站，同时组织部分跨线客车，货车运行期间为合肥东站至南京东站，因此合宁线GSM-R网络覆盖合肥、合肥东至南京、南京东站。
合宁GSM-R系统设置基站子系统的基站控制器、编码器和速率适配单元、PCU设备，根据场强覆盖的需要在铁路沿线设置基站设备和弱区覆盖设备，动车组和机车配备机车综合通信设备，相关移动，工作人员配置手持终端。
5.GSM-R技术的发展方向
我国GSM-R系统发展的现状与欧洲差异：
1）欧洲国家网络规模小，欧洲国家网络规模小，而我国网络规模大，应采取全网统一规划、分布实施建网策略，因此，在建网前期，需要规定框架性的要求，指导全网的建设、发展与规划；
2）欧洲各国GSM-R核心网大多采用一家设备，智能网采用厂家内部私有协议。
而我国GSM-R核心网为多厂家组网环境，对于智能业务，需要统一规范业务的实现流程；
3）欧洲应用范围小，移动通信业务简单，主要承载列车调度通信和列控信息传输业务。
在我国，GSM-R网除了上述两项主要业务外，还需引入GPRS系统，承载调度命令、车次号、调车监控信号等信息传送，此外，由于运输指挥作业方式不同，列车调度通信具体要求也有所不同；
4）欧洲GSM-R系统设备供货厂家有北电、西门子，在我国，除了上述两个厂家外，还有华为公司，需要解决3家设备之间互联互通问题，因此，需要制定接口技术要求和测试规范。
基于此上，对于我国铁路通信GSM-R技术发展有以下几点考虑：
5.1加强GSM-R理论研究
我国对GSM-R技术的研究始于上个世纪末，虽然我国GSM-R发展到今天，突破了很多难关，但仍有不少理论难点还未攻克。
近年来，GSM-R网络中GPRS应用中取得了很多理论和实践突破。
比如根据我国铁路实际情况，运输对通信业务需求量大，但频率资源紧张的实际情况，采用GPRS这种分组数据传输方式作为一些非安全数据信息的传输平台，以更好的利用频率资源，为铁路信息化建设提供传输平台。
我国铁路已先于欧洲发展基于GSM-R的GPRS业务是一项开拓性的工作。
5.2推动互联互通现场测试工作
我们在进行铁路通信GSM网络大规模建设时，为保护工程投资，应考虑解决GSM-R系统的开放性和不同厂家设备之间的互联互通问题。
进行互联互通工作有利于GSM-R更好地服务于中国铁路，有利于设备供货市场形成良好竞争局面，保护工程投资，降低风险;有利于形成全程全网的解决方案，按照目标网进行网络规划和建设，最大限度发挥总体效益；有利于网络长远发展，对GSM-R技术在中国推广起到积极的推动作用。
我国互联互通工作于2006年3月开始提上议事日程，测试工作分两个阶段，第一个阶段是在实验室环境下的测试，第二个阶段是现场测试。
第一阶段的主要任务是进行电信业务的互联互通测试以及接口的一致性测试，保证各个厂家的主要网元之间能够实现互换。
5.3改进信息传输安全平台的设计
GSM-R在铁路通信的应用中，从实用、安全、可靠的角度出发，今后需要不断改进铁路移动信息传输安全平台的设计方案，设计公用网与铁路专用网安全互联、移动设备与地面网络可靠互通的铁路移动信息传输安全平台。
铁路移动信息传输安全平台应有完善的硬件系统和软件系统组成。
平台硬件系统应该由内外网通信服务器、行车监控及业务系统设备为主的时实监控和传输设施组成，平台软件系统主要由外网传输处理子系统、内网传输处理子系统、管理监视子系统构成。
将GPRS数据接人点部署在铁路局，每个铁路局设立统一的外网通信服务器，作为各个业务系统地面数据处理中心，承担所有应用系统车、地间和内、外网间的数据交换任务，使各应用系统中所有从GPRS下载的实时信息统一由铁路局外网通信服务器接收，再经网络安全传输平台进人铁路运输生产系统。
5.4处理好GSM-R与3G的关系
GSM-R的基础GSM系统已经在全世界130多个国家和地区得到部署和应用，无论是网络设备、终端还是业务应用等等都已经非常成熟。
GSM-R能够满足铁路应用对可靠性、可用性、可维护性和安全性的苛刻要求。
目前3G规范中还未考虑铁路特色业务，其应用在我国也尚未开展。
但是，GSM-R与固定通信网的发展是紧密关联的，与先进的网络技术是同步发展的，与3G移动通信有着良好的后向兼容性。
因此，如同GSM可以向WCDMA平滑演进一样，GSM-R也可以向WCDMA-R平滑演进。
因此，我们在大力建设我国GSM-R网络的同时，应该积极探讨GSM-R网络向3G的演进方案，包括网络自身的演进、应用业务的演进以及各个应用接口的演进等等。
5.5注意GSM-R的电磁环境
GSM-R干扰源主要分为系统内部干扰和系统外部干扰。
系统内部干扰主要是由频率规划和小区规划不当等自身原因造成的同频、邻频干扰等。
外部干扰又分为来自中国移动GSM网的干扰，CDMA基站下行链路对GSM-R上行链路的干扰，全频段或部分频段人为故意大信号堵塞干扰等。
排除自身因素和人为因素，GSM-R的干扰主要来源于与其共享频率资源的中国移动GSM-R网络。
在如此复杂的电磁环境中，应对GSM-R网络进行“无线空中管制”，为列车控制系统创造无“污染”的通信天空。
采用何种方案来与中国移动等单位进行协调，从而保证GSM-R正常的无线通信环境，将是铁路面临的一个紧迫而重要的问题。
5.6尽快完善适合我国铁路应用的GSM-R技术规范体系
通过制定标准与规范，一方面为网络规划、建设和运维管理提供技术依据，确保网络完整、统一和安全可靠，提高服务质量、合理地利用频谱、码号等资源；另一方面，也为各厂家平等接入提供可循的技术依据，为网络设备质量认证和监督的提供依据。
此外，通过参与标准研究工作，还可以有效地提高人才的业务素质，为我国GSM-R健康发展打下坚实的技术基础。
铁道部从2003年开始组织路内外科研院校及相关单位组织制定了一系列技术规范，对于大秦、青藏、胶济3条线GSM-R系统工程建设起到了很好的指导作用。
但既有规范尚需进一步完善。
此外，还需组织制定其他相关技术规范，建立健全适合我国铁路应用的GSM-R技术规范体系，满足我国铁路发展的需要。
6.结束语
铁路通信网是保证行车安全、提高运输效率的有力工具。
介于GSM-R技术在铁路通信网中的应用现状及其未来的发展趋势，铁路通信网应该抓住当今通信技术的发展潮流和市场的需要，在保证铁路通信要求的前提下，既要符合中国铁路技术政策和有关行业的技术政策要求，也要密切结合我国实际需求，合理利用资源，做到技术先进、经济合理、安全适用、现实可行，从而参与同其他电信部门的竞争，为出行的旅客以及网络覆盖区域的用户提供高质量、方便、快捷、多元化的电信服务，进一步推动全国既有铁路通信系统的改造,全面加快铁路跨越式发展,实现运输生产力的大幅度提升，到2020年基本实现中国铁路现代化，为国民经济的稳步增长打下坚实的基础。
参考文献：
[1]单纯刚,王娅妮.[N].经济参考报,2006.1.
[2]北京展翅鸟科技有限公司.展翅鸟家长控制软件功能总览[EB/OL].:
81/baba/summary/.
[3]钟章队,李旭,蒋文怡1铁路综合数字通信系统（GSM2R）〔M〕1北京:
中国铁道出版社,2003.
[4]MILSTD1629AProceduresforPerformingaFailureMode,Effec2tsan2dCriticalAnalysis,Nov.1980.
[5]SNCFInternational,FinalReportofConsultingServicefortheEngineeringDesignofCHIHigh2SpeedRailway,Ch3.2Telecomm.Feb.2005.
[6]天空软件站.软件介绍[EB/OL].
[7]硅谷动力.CareBaby介绍[EB/OL].
[8]张友生.远程控制编程技术[M].北京:
电子工业出版社,2002.1.
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