GSM-R在鐵路通信系統(tǒng)中的應(yīng)用
2012-11-09 來源：作者：潘建軍 來源：中國論文網(wǎng)
1、前言
GSM-R（GSMforRailway）中文全稱為鐵路移動通信系統(tǒng)標準，其最早起源于歐洲，是基于目前世界最成熟、最通用的公共無線通信系統(tǒng)GSM平臺上的、專門為滿足鐵路應(yīng)用而開發(fā)的數(shù)字式的無線通信系統(tǒng)。
GSM-R在GSM標準上加入了適合高速移動環(huán)境使用的技術(shù)要素，GSM-R完全汲取了GSM+多年來的發(fā)展成果，在GSMPhase2+的規(guī)范協(xié)議的高級語音呼叫功能，如組呼、廣播呼叫、多優(yōu)先級搶占和強拆業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，加入了基于位置尋址和功能尋址等功能，針對鐵路通信列車調(diào)度、列車控制、支持高速列車等特點和需求開發(fā)了許多專用功能，能傳輸列車診斷數(shù)據(jù)，提供貨運信息、車載旅客信息服務(wù)和其他增值服務(wù)等，是鐵路運營提供定制的附加功能的一種經(jīng)濟高效的綜合無線通信系統(tǒng)。具有適應(yīng)鐵路運輸特點的功能優(yōu)勢，以及更符合通信信號一體化技術(shù)發(fā)展的需要。
GSM-R除了能提供無線列調(diào)、編組調(diào)車通信、應(yīng)急通信、養(yǎng)護維修通信等語音通信功能外，其無可比擬的優(yōu)勢是能提供時速500km下良好、安全的無線傳輸平臺，為高速行駛列車的信號及列控提供了條件。使中國鐵路在這個層面上的技術(shù)由原來的單信道模擬系統(tǒng)一下子達到了國際行業(yè)先進水準。
在歐洲的德國和法國、荷蘭、瑞士等國家已在鐵路沿線進行了GSM-R的放號。正在試驗中的ETCS歐洲列車控制系統(tǒng)（也稱FZB）和另一種用于160公里以下的低成本的列車控制系統(tǒng)（FFB），都是將GSM-R作為傳輸平臺。
2、我國GSM-R系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用
?。?）標準、規(guī)范的建立
由于歐洲鐵路和我國鐵路運輸指揮作業(yè)方式、移動通信業(yè)務(wù)需求均不同，所以我國在確定建立GSM-R之初就開始著手制定適合我國的GSM-R標準和規(guī)范。經(jīng)過十余年的努力，目前制定的技術(shù)標準、規(guī)范包含綜合類、系統(tǒng)類、工程類、應(yīng)用業(yè)務(wù)類、設(shè)備測試類、接口技術(shù)要求類及測試類共7大類，42項。
這些標準、規(guī)范的制定為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、工程建設(shè)、運維管理、產(chǎn)品研發(fā)、業(yè)務(wù)應(yīng)用等各個環(huán)節(jié)提供了較為全面的技術(shù)依據(jù)，確保網(wǎng)絡(luò)完整、統(tǒng)一和安全可靠，提高服務(wù)質(zhì)量、合理地利用頻譜、碼號等資源；另一方面，也為各設(shè)備生產(chǎn)廠家平等接入提供可循的技術(shù)依據(jù)，為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備質(zhì)量認證和監(jiān)督提供依據(jù)。同時，通過參與標準研究工作，有效提高了相關(guān)人才的業(yè)務(wù)素質(zhì)，為我國GSM-R健康發(fā)展打下堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
當然，隨著網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范尚不能完全滿足我國鐵路發(fā)展的需要，需結(jié)合我國實際應(yīng)用繼續(xù)制定其他新的技術(shù)規(guī)范、標準，并不斷補充和完善既有技術(shù)標準，逐步建立健全適合我國鐵路應(yīng)用的GSM-R技術(shù)標準體系。
?。?）GSM-R在青藏鐵路線上的首次應(yīng)用
2006年7月1日青藏鐵路的全線通車,標志著GSM-R通信系統(tǒng)正式進入我國鐵路運營的歷史舞臺。青藏鐵路全長約1142km，絕大部分線路在高原缺氧的無人區(qū)。GSM-R通信系統(tǒng)為青藏鐵路提供了以下功能：
①調(diào)度通信功能
?、谲嚧翁杺鬏斉c列車停穩(wěn)信息的傳送功能
③調(diào)度命令傳送功能
?、芰熊囄膊垦b置信息傳送功能
⑤調(diào)車機車信號和監(jiān)控信息系統(tǒng)傳輸功能
?、蘖熊嚳刂茢?shù)據(jù)傳輸功能
?、邞?yīng)急指揮通信話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)
?、鄥^(qū)間移動公務(wù)通信
青藏鐵路GSM-R實驗段項目的成功實施，為我國鐵路跨越式發(fā)展戰(zhàn)略的實現(xiàn)提供了可供參照和研究GSM-R系統(tǒng)的寶貴技術(shù)經(jīng)驗。
?。?）我國GSM-R發(fā)展和目標
我國鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展目標是在全路建立一張移動通信網(wǎng)絡(luò)，利用通信的手段實現(xiàn)鐵路移動設(shè)施和固定設(shè)施的無縫連接，確保列車平穩(wěn)、高速、安全地運行。目前中國已建成覆蓋全路青藏線、大秦線、膠濟線、武廣線、鄭西線、新豐鎮(zhèn)編組站、石太線、合寧線、合武線、京津城際線,京滬高鐵等數(shù)十條干線的GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)。
3、GSM-R系統(tǒng)的工程設(shè)計
（1）GSM-R的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
GSM-R系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）、運行和業(yè)務(wù)支撐子系統(tǒng)（OSS/BSS）和終端設(shè)備等四個部分。其中，網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)包括移動交換子系統(tǒng)（SSS）、移動智能網(wǎng)（IN）子系統(tǒng)和通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）子系統(tǒng)。
GSM-R系統(tǒng)通過交換子系統(tǒng)（SSS）中的網(wǎng)關(guān)移動交換中心（GMSC）可實現(xiàn)與其他通信網(wǎng)絡(luò)的電路域業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通，通過通用分組無線業(yè)務(wù)系統(tǒng)（GPRS）中的網(wǎng)關(guān)GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點（GGSN）實現(xiàn)與其他數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)的分組域業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通。
GSM-R系統(tǒng)采用主從同步方式，TMSC、MSC、HLR、SCP等設(shè)備應(yīng)就近從BITS設(shè)備中獲取定時信號，MSC至BSS間的G數(shù)字鏈路應(yīng)兼作同步鏈路使用，BSS從MSC獲取同步時鐘信號，也可從就近的BITS設(shè)備或SDH設(shè)備提取同步時鐘信號。
?。?）GSM-R的網(wǎng)絡(luò)硬件組成和功能
GSM-R通信系統(tǒng)在工程設(shè)計上包括交換機、基站、機車綜合通信設(shè)備、手機等設(shè)備組成。
交換機是GSM-R系統(tǒng)的核心，其主CPU處理器及各個功能模塊的CPU處理器，交換矩陣，內(nèi)部總線等都是雙備份配置。這種雙備份的硬件結(jié)構(gòu)和完備的軟件體系具有極高的可靠性。
為鐵路通信系統(tǒng)專門研制的基站，適應(yīng)了沿鐵路線型覆蓋的要求，特別是適應(yīng)惡劣的自然環(huán)境，和無人值守的環(huán)境要求。
GSM-R機車綜合通信設(shè)備替代鐵路上原有的無線列調(diào)通信系統(tǒng)，為機車和地面之間提供語音和數(shù)據(jù)的傳輸通道。
GSM-R手機其外觀上與普通手機大同小異，這種手機除了能像普通GSM手機那樣進行語音通話外，還增加了鐵路運輸專用的調(diào)度通信功能，甚至能夠無線傳輸圖像和數(shù)據(jù)信息。
GSM-R鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)與GPS衛(wèi)星定位技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了通信和信號技術(shù)的深度融合。利用電子地圖、衛(wèi)星定位等技術(shù)相結(jié)合的方式來實現(xiàn)對列車的控制，使遠在千里之外的工作人員也能夠?qū)α熊嚨倪\行位置和狀態(tài)一目了然。
?。?）GSM-R的無線頻帶選擇
GSM-R在中國鐵路的頻段為上行885-889MHz，下行方向為930-934MHz。采用900MHz附近的頻帶其理由一是適合時速500km高速移動體的通信（最大多普勒頻移為415Hz）；二是抗電氣化鐵道電火花干擾（電火花的頻率多集中在400～800MHz）；三是典型覆蓋距離約為5～10公里，對高速列車來說這是保證系統(tǒng)容量和服務(wù)質(zhì)量的最小范圍；四是更適于隧道內(nèi)通信（相對450MHz和1800MHz頻帶）。
?。?）GSM-R的安全性和可靠性
為了滿足鐵路對傳輸?shù)母呖煽啃裕采w范圍、服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)可用性是鐵路通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。GSM-R系統(tǒng)采用了獨特算法和小區(qū)規(guī)劃，成功地克服由于高速引起的信號失真，減少了信道切換，從而大大提高了通信系統(tǒng)的可靠性。GSM-R系統(tǒng)可以構(gòu)成既含有面狀覆蓋又含有鏈狀覆蓋的網(wǎng)絡(luò)，既可用于地區(qū)性的覆蓋，也可用于全國性的覆蓋。由于GSM-R系統(tǒng)將完成無線列調(diào)功能，更重要的是要承載一些重要的控制列車的數(shù)據(jù)，這就要求鐵路沿線和車站進行雙網(wǎng)重疊覆蓋，保證可靠的數(shù)據(jù)無線傳輸通道。因此，GSM-R系統(tǒng)有一個非常獨特的地方，它的信號采取了雙重覆蓋，即類似于雙備份，兩套信號控制系統(tǒng)交錯、重疊。一旦一套系統(tǒng)出現(xiàn)問題和故障，另一套系統(tǒng)仍然可以保持正常的通信。
?。?）GSM-R的電信功能
GSM-R的電信業(yè)務(wù)是在GSM的電信業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)鐵路通信的特殊需要進行修改和補充后形成的，所以GSM-R不僅可以提供GSM網(wǎng)絡(luò)的話音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，除了GSM所具有的越區(qū)切換、漫游等特性外，而且還具有如下專有的特性：
功能尋址（FA）：固定（移動）用戶撥號呼叫列車上移動用戶。
基于位置的尋址（LDA）：列車上移動用戶（如火車司機）呼叫固定用戶（調(diào)度員）。
語音廣播服務(wù)（VBS）：VBS可用來在指定區(qū)域（可跨多個小區(qū)）內(nèi)廣播消息或發(fā)布緊急呼叫（一點對多點的呼叫，主呼者講話而眾多的被呼方只能收聽）。區(qū)域的定義和選擇可動態(tài)設(shè)定，從而具有極大的靈活性。
語音組呼服務(wù)VGCS）：移動或固定用戶撥打組呼ID號，可與指定區(qū)域內(nèi)的小組成員建立呼叫。該組內(nèi)所有成員均可通過同一業(yè)務(wù)信道進行接聽；該小組的成員也可通過按鍵講話（PTT）方式發(fā)出通話請求，系統(tǒng)依據(jù)“先請求先服務(wù)”的原則建立一個上行鏈路來提供通話服務(wù)。
增強的多級優(yōu)先與強占權(quán)（EMLPP）：鐵路緊急呼叫或列車自動控制等許多通信應(yīng)用，都要求網(wǎng)絡(luò)無論處于何種負載狀況下均能迅速建立呼叫。如果在一個無線電小區(qū)發(fā)生擁塞（所有無線電頻率和業(yè)務(wù)信道均被占用），EMLPP可立即切斷低優(yōu)先權(quán)的呼叫而優(yōu)先建立高優(yōu)先權(quán)的呼叫。
4、結(jié)束語
2000年底鐵道部正式將GSM-R確定為我國鐵路專用通信的發(fā)展方向，是十分及時和正確的。這個系統(tǒng)的開發(fā)建立為中國鐵路十余年來的迅猛發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)，也必將在中國特色社會主義建設(shè)中發(fā)揮重大作用。
我國國土遼闊，鐵路長期以來在交通運輸體系中發(fā)揮著骨干作用。GSM-R在鐵路通信系統(tǒng)的應(yīng)用是我國鐵路高速發(fā)展不可或缺的條件，其良好的品質(zhì)使得其以后的發(fā)展只有升級和完善，被取代的可能性很小。
另外，應(yīng)該發(fā)揮GSM-R的優(yōu)勢，加強其與人防通信部門的業(yè)務(wù)合作，利用電子地圖、衛(wèi)星定位等技術(shù)結(jié)合，在平時和戰(zhàn)時作為人防通信的組成部分，為國家的穩(wěn)定和安全作出貢獻。
