運(yùn)營(yíng)維護(hù)支撐信息技術(shù)--GSM-R在國(guó)內(nèi)外鐵路通信中的應(yīng)用

1、GSM-R在國(guó)內(nèi)外鐵路通信中的應(yīng)用吳杰13281144摘要: GSM-R是一個(gè)全新的鐵路無線通信系統(tǒng)，在歐洲鐵路得到了較好的應(yīng)用，也將為實(shí)現(xiàn)我國(guó)鐵路跨越式發(fā)展的總體目標(biāo)發(fā)揮重要作用。近10年來，我國(guó)鐵路經(jīng)歷了重載運(yùn)輸、電氣化改造、既有線提速等一系列的技術(shù)進(jìn)步，推動(dòng)了鐵路通信的發(fā)展。隨著通信的發(fā)展，鐵路運(yùn)營(yíng)里程也在不斷擴(kuò)大，預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到10萬千米左右。在這樣龐大的鐵路交通運(yùn)輸網(wǎng)中，要想大幅度提高鐵路復(fù)線率、電氣化率、自動(dòng)閉塞比重，實(shí)現(xiàn)了主要繁忙干線客貨分線運(yùn)輸，必須選擇一種新的鐵路數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)。本文通過對(duì)新型鐵路無線通信系統(tǒng)GSM-R的闡述，旨在分析當(dāng)前GSM-R

2、的狀況，根據(jù)目前國(guó)家批準(zhǔn)的4MHz貸款頻率資源，結(jié)合我國(guó)鐵路運(yùn)輸對(duì)通信的實(shí)際應(yīng)用需求，研究探討GSM-R系統(tǒng)中功能尋址的功能，為我國(guó)鐵路GSM-R系統(tǒng)的合理應(yīng)用提出一些參考意見。abstract :GSM-R technique is based on the mature, general public mobile wireless communication system on GSM platform, specifically to meet the application and development of digital railway mobile wireless comm

3、unication technology. In the railway communication, it can not only provide wireless LieDiao, marshalling shunting communication, emergency communications and maintenance group communication and other voice communication function, also can provide customized additional functions, such as priority an

4、d strong in function, voice group called radio function, position and addressing and function addressing and safety data communication, etc. In addition, GSM-R can also be used as signal and column of the controlled system good transmission platform. GSM-R can satisfy the train running speed of 0-50

5、0 km/hour of wireless communication requirements, good safety. Its an economic and efficient comprehensive digital mobile communication system. GSM-R system consists of six sub-systems: exchange subsystem (SSS), base station subsystem (BSS), operation and maintenance sub-system (OMC), general packet

6、 radio service subsystem (GPRS), terminal subsystem and mobile intelligent network subsystem (IN), and through the exchange subsystem (SSS) the gateway mobile exchange center (GMSC) realization and other communication network of interconnected electrical expressway business, through the general pack

7、et radio service (GPRS) system IN the gateway GPRS business support node (GGSN) realization and other data information network of business group domain interconnected. At present, China's railway GSM-R network in construction stage of development, how in GSM-R network planning construction can r

8、educe the probability of the problems for the future operation and service lay a good foundation, this to increase the investment efficiency is very meaningful. Based on GSM - R system applied in the practical application of shallow opinion functional addressing.框圖（框架）GSM-R的簡(jiǎn)介GSM-R(Global System for

9、 Mobile Communications - Railway或GSM - Railway)系統(tǒng)是專門為鐵路通信設(shè)計(jì)的綜合專用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。它在GSMPhase2+的規(guī)范協(xié)議的高級(jí)語音呼叫功能，如組呼、廣播呼叫、多優(yōu)先級(jí)搶占和強(qiáng)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，適用于鐵路通信特別是鐵路專用調(diào)度通信的需要。主要提供無線列調(diào)、編組調(diào)車通信、區(qū)段養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)通信、應(yīng)急通信、隧道通信等語音通信功能，可為列車自動(dòng)控制與檢測(cè)信息提供數(shù)據(jù)傳輸通道，并可提供列車自動(dòng)尋址和旅客服務(wù)。關(guān)鍵詞：GSM-R與GSM 高速鐵路發(fā)展 GRPS 功能尋址 業(yè)務(wù)模型1 引 言1.1 GSM-R系統(tǒng)的概

10、述GSM-R（GSM for Railway）是在GSM蜂窩系統(tǒng)上增加了調(diào)度通信功能和適合高速環(huán)境下使用的要素組成，能滿足國(guó)際鐵路聯(lián)盟提出的鐵路專用調(diào)度通信要求的技術(shù)。GSM-R系統(tǒng)很多技術(shù)借鑒了公網(wǎng)的GSM技術(shù)，保留了GSM的大體結(jié)構(gòu)，使得從一開始GSM-R系統(tǒng)就是一個(gè)成熟可靠的系統(tǒng)，它的絕大多數(shù)軟硬件都已在現(xiàn)網(wǎng)中得到檢驗(yàn)。不僅如此，由于二者都可以工作在900M頻段，因此在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方面也是基本相同的。GSM-R系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)也可借助于已成熟的GSM系統(tǒng)工具，可以方便快捷地為用戶提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)安裝。GSM-R的基本特性已在鐵路網(wǎng)的MORANE試驗(yàn)中得到安裝、測(cè)試和驗(yàn)證。出于眾多的需要，GSM

11、新技術(shù)如GPRS已經(jīng)規(guī)范化并將安裝使用。向UMTS的演進(jìn)將提供新的業(yè)務(wù)和更加強(qiáng)大的無線系統(tǒng)。GSM-R據(jù)此可最大限度地引入新的業(yè)務(wù)。1.2 國(guó)外高速鐵路的發(fā)展國(guó)外高速鐵路發(fā)展較早，主要以日本、法國(guó)和德國(guó)為代表，下面分別予以介紹。1964年，世界第一條高速鐵路在日本東京至大販建成通車，全長(zhǎng)515.4公里，投入運(yùn)營(yíng)后，列車運(yùn)行速度達(dá)210km/h。這條專門用于客運(yùn)的電氣化、標(biāo)準(zhǔn)軌距的雙線鐵路，代表了當(dāng)時(shí)世界第一流的鐵路高速技術(shù)水平，并標(biāo)志著世界高速鐵路試驗(yàn)階段跨入了商業(yè)運(yùn)營(yíng)階段。法國(guó)于1981年建成TGV巴黎東南線(巴黎至里昂，全長(zhǎng)417公里)，其列車最高運(yùn)行時(shí)速達(dá)270公里。法國(guó)東南線的成功運(yùn)營(yíng)

12、，證明高速鐵路也完全適合歐洲環(huán)境，高速列車是一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的現(xiàn)代交通工具。在2007年四月，TGV創(chuàng)造了當(dāng)前輪軌列車所能達(dá)到的最高時(shí)速：574.8km/h。目前法國(guó)高速鐵路總里程達(dá)到1700公里。德國(guó)高速鐵路稱為ICE(Inter City Express)，其發(fā)展晚于法國(guó)TGV，起始于80年代，但是發(fā)展很快。1991年6月漢諾威至維爾茨堡線(長(zhǎng)327公里)正式通車，成為德國(guó)第一條正式運(yùn)營(yíng)的高速鐵路。此后于1992年6月建成了曼海姆至斯圖加特線(長(zhǎng)105公里)。1999年，德國(guó)的第三代ICE線路的實(shí)際運(yùn)營(yíng)速度己經(jīng)可以達(dá)到330km/h。目前，法國(guó)已有科隆至法蘭克福，漢諾威至柏林和卡爾斯魯厄至巴

13、塞爾等多條高速線路，總里程達(dá)1290公里。1.3 國(guó)內(nèi)高速鐵路的發(fā)展與國(guó)外相比，我國(guó)高速鐵路起步較晚，但是近年發(fā)展迅速。我國(guó)于2004年三月在上海引進(jìn)了磁懸浮列車，其最高時(shí)速達(dá)430 km/h；2007年四月開始了常規(guī)高速鐵路運(yùn)營(yíng)，2008年正式開通的京津城際時(shí)速可達(dá)350km/h，是目前世界上運(yùn)營(yíng)速度最快的城際高速鐵路。2005年年初國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議討論并原則通過了中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，明確了我國(guó)鐵路網(wǎng)中長(zhǎng)期建設(shè)目標(biāo)和任務(wù)，描繪了鐵路網(wǎng)至2020年的宏偉藍(lán)圖，這標(biāo)志著我國(guó)鐵路新一輪大規(guī)模建設(shè)即將展開。根據(jù)規(guī)劃，我國(guó)將修建全長(zhǎng)達(dá)到12000公里的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)，時(shí)速超過200km/h，成為世界上最大的

14、高速鐵路網(wǎng)絡(luò)。1.4 GSM-R在高速鐵路中的應(yīng)用GSM-R是鐵路行業(yè)的國(guó)際無線通信標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也是ERTMS(歐洲鐵路運(yùn)輸管理系統(tǒng))的一部分，主要用于列車與地面控制中心的通信。根據(jù)EIRENE- MORANE規(guī)范，GSM-R可滿足列車在最高500km/h時(shí)速下的列控?zé)o線通信需求。GSM-R基于GSM，充分利用GSM技術(shù)的規(guī)模效應(yīng)和成熟性，來實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效且具有高度互操作性的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，從而取代現(xiàn)有的各種互不兼容的軌道電纜和模擬通信系統(tǒng)。作為一個(gè)具有高度獨(dú)立性和互操作性的通信平臺(tái)，GSM-R可將控制命令直接傳輸給列車駕駛員，從而允許列車以更高的速度行駛并具有更高的安全性。GSM-R是一個(gè)可靠

15、的語音和數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，可以為鐵路運(yùn)營(yíng)工作人員，司機(jī)，調(diào)度員和維護(hù)人員等提供通信服務(wù)。此外，它還可以提供像VGCS，VBS，基于位置尋址的呼叫以及增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)強(qiáng)拆等業(yè)務(wù)，可以充分滿足鐵路環(huán)境復(fù)雜多樣的通信需求。由于GSM-R可實(shí)現(xiàn)跨國(guó)界的高速和一般列車之間的通信，能將現(xiàn)有的鐵路通信應(yīng)用融合到單一網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中，以減少集成和運(yùn)行費(fèi)用，而且GSM-R是由已標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備改進(jìn)而成，GSM平臺(tái)上已經(jīng)提供了大量的業(yè)務(wù)，因而引入鐵路專用的功能時(shí)，只需最低限度地改動(dòng)，就能保證價(jià)格低廉、性能可靠地實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行?，F(xiàn)在已經(jīng)有38個(gè)國(guó)家和地區(qū)選擇采用GSM-R標(biāo)準(zhǔn)。2 GSM-R與GSM的區(qū)別及功能簡(jiǎn)介2.1 GSM-R系統(tǒng)

16、與GSM系統(tǒng)的區(qū)別GSM-R和GSM在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃上的比較：頻率規(guī)劃是在建網(wǎng)過程中，根據(jù)某地區(qū)的話務(wù)量分布分配相應(yīng)的頻率資源實(shí)現(xiàn)有效覆蓋。GSM-R采用900MHz工作頻段，885MHz889MHz（移動(dòng)臺(tái)發(fā)，基站收）、930MHz934MHz（基站發(fā)，移動(dòng)臺(tái)收）；共4MHz頻率帶寬；雙工收發(fā)頻率間隔45MHz，相鄰頻道間隔為200kHz。按等間隔頻道配置的方法，共有21個(gè)載頻。頻道序號(hào)從9991019，扣除低端999和高端1019做為隔離保護(hù)，實(shí)際可用頻道19個(gè)，頻道序號(hào)為10001018。而我國(guó)陸地公用蜂窩數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)GSM通信系統(tǒng)采用900MHz頻段：905915（移動(dòng)臺(tái)發(fā)、基站收），95

17、0960（基站發(fā)、移動(dòng)臺(tái)收）；因業(yè)務(wù)的需要，GSM也可以向1.8GHz頻段的DCSI800過渡，即1800MHz頻段；相鄰兩頻道間隔為200kHz，每個(gè)頻道采用時(shí)分多址接入（TDMA）方式，分為8個(gè)時(shí)隙，即8個(gè)信道（全速率）。每信道占用帶寬200kHz8=25kHz，GSM雙工收發(fā)頻率間隔也是45MHz，采用等間隔頻道配置方法，頻道序號(hào)為76124，共49個(gè)頻點(diǎn)。 GSM-R與GSM在干擾保護(hù)比上的比較：載波干擾保護(hù)比（CI）就是指接收到的希望信號(hào)電平與非希望信號(hào)電平的比值，此值與MS的瞬時(shí)位置有關(guān)。這是由于地形不規(guī)則性及本地散射體的形狀、類型及數(shù)量不同，以及其它一些因素如天線類型、方向性及高

18、度，站址的標(biāo)高及位置，當(dāng)?shù)氐母蓴_源數(shù)目等所造成的。GSM-R同頻道干擾保護(hù)比CI12 dB，鄰頻道干擾保護(hù)比CI一6 dB，偏離載波400 kHz時(shí)的干擾保護(hù)比CI一41 dB。GSM同頻道干擾保護(hù)比CI9 dB，鄰頻道干擾保護(hù)比CI一9dB，偏離載波400 kHz時(shí)的干擾保護(hù)比CI一41 dB。GSM-R與GSM在系統(tǒng)組成和接口上的比較：GSM-R 系統(tǒng)由六個(gè)子系統(tǒng)組成：交換子系統(tǒng)（NSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）、運(yùn)行與維護(hù)子系統(tǒng)（OMC）、通用分組無線業(yè)務(wù)子系統(tǒng)（GPRS）、終端子系統(tǒng)及移動(dòng)智能網(wǎng)子系統(tǒng)（IN組成，并通過交換子系統(tǒng)（NSS）中的網(wǎng)關(guān)移動(dòng)交換中心（GMSC）實(shí)現(xiàn)與其他通信網(wǎng)絡(luò)

19、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(diǎn)（GGSN）實(shí)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，GSMR系統(tǒng)的接口有人機(jī)接口Sm、移動(dòng)臺(tái)與基站間接口Um、基站與移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心間的接口A、MSC/VLR與HLR/AUC間的接口D、C、MSC/VLR與其他MSC/VLR間的接口E.G、GCR與MSC間的接口I。而GSM系統(tǒng)由移動(dòng)臺(tái)（MS），無線基站子系統(tǒng)（BSS），交換網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）和操作支持子系統(tǒng)（OSS）組成。而GSM有BSC與MSC之間的A接口，BSC與BTS之間的Abis接口，BTS與MS之間的空中接口Um。2.2 GSM-R系統(tǒng)的

20、特殊功能語音組呼業(yè)務(wù)（Voice Group Call Service，VGCS）：高級(jí)語音呼叫業(yè)務(wù)的內(nèi)容之一。語音組呼業(yè)務(wù)定義了一種在一定區(qū)域內(nèi)由多方參加（移動(dòng)用戶和固定用戶），其中一部分人可以講話，多方聆聽的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)語音通信方式。語音廣播業(yè)務(wù)（Voice Broadcast Service，VBS）：高級(jí)語音呼叫業(yè)務(wù)的內(nèi)容之一。語音廣播業(yè)務(wù)定義了一種在一定區(qū)域內(nèi)由多方參加（移動(dòng)用戶和固定用戶），一個(gè)用戶講話，其他用戶聆聽的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)單向語音通信方式。GSM-R網(wǎng)絡(luò)通過會(huì)議橋?qū)崿F(xiàn)VBS。VBS采用組呼區(qū)域和組ID來標(biāo)識(shí)。組呼區(qū)或由一個(gè)或多個(gè)小區(qū)組成，規(guī)定了一個(gè)組呼作用的地理范圍，用組呼區(qū)域ID

21、來標(biāo)識(shí)。一個(gè)組呼區(qū)域可以在一個(gè)MSC區(qū)域下，也可以跨多個(gè)MSC區(qū)域。一個(gè)組呼區(qū)域可以包含多個(gè)組。組ID是用來標(biāo)識(shí)一個(gè)組的號(hào)碼。組呼區(qū)域ID和組ID共同組成的號(hào)碼稱為組呼參考，可以惟一標(biāo)識(shí)一個(gè)VBS。增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)與強(qiáng)拆（enhanced Multi-Level Precedence and Preemption service，eMLPP）eMLPP：是GSM-R高級(jí)語音呼叫（Advanced Speech Call Item，ASCI）業(yè)務(wù)的內(nèi)容之一。eMLPP業(yè)務(wù)包括2部分：優(yōu)先級(jí)與強(qiáng)拆。所謂優(yōu)先級(jí)是指結(jié)合快速呼叫建立為一個(gè)呼叫分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)別。強(qiáng)拆一方面是指對(duì)資源的搶占，主要存在于呼叫建立

22、時(shí)對(duì)無線接口資源的搶占和越區(qū)切換時(shí)對(duì)小區(qū)的搶占；另一方面還包括具有高優(yōu)先級(jí)的呼叫可以打斷正在進(jìn)行的低優(yōu)先級(jí)呼叫，用戶能夠通過移動(dòng)臺(tái)的自動(dòng)應(yīng)答功能自動(dòng)接受高優(yōu)先級(jí)呼叫。功能尋址（Functional Addressing）：功能尋址是GSM-R網(wǎng)絡(luò)的特性，它允許主叫方通過被叫方的功能號(hào)，而不是移動(dòng)用戶ISDN號(hào)碼（MSISDN）來呼叫被叫方。功能尋址確保了對(duì)GSM-R應(yīng)用子系統(tǒng)或功能的尋址，與這些應(yīng)用或功能所使用的物理終端的MSISDN號(hào)碼之間的相對(duì)獨(dú)立性?；谖恢脤ぶ罚↙ocation Dependent Addressing）：它是GSM-R網(wǎng)絡(luò)的特性，將由移動(dòng)用戶發(fā)起的用于特定功能的呼叫，

23、路由到一個(gè)與該用戶當(dāng)前所處位置相關(guān)的目的地址。3 GSM-R業(yè)務(wù)模式及功能實(shí)現(xiàn)3.1 GSM-R業(yè)務(wù)模型鐵路應(yīng)用區(qū)間移動(dòng)通信尾部風(fēng)壓檢測(cè)高速數(shù)字通信平面調(diào)車自動(dòng)列車控制（CTCS）調(diào)度通信軌道維護(hù)移動(dòng)服務(wù)遠(yuǎn)程控制旅客列車綜合移動(dòng)信息服務(wù)鐵路緊急救援移動(dòng)服務(wù) 接入矩陣功能的號(hào)表示與位置有關(guān)的尋址功能尋址鐵路運(yùn)營(yíng)特色：VGCSVBSeMLPP電信業(yè)務(wù)：GSM基礎(chǔ)設(shè)施GSM電信業(yè)務(wù)：3.2 GSM-R功能尋址的實(shí)現(xiàn)功能尋址：指用戶可以由它們當(dāng)時(shí)所擔(dān)當(dāng)?shù)墓δ芙巧?，而不是它們所使用的終端設(shè)備號(hào)碼來尋址。在同一時(shí)刻，至少可以為一個(gè)用戶分配若干功能地址，而只能將一個(gè)功能地址分配給一個(gè)用戶。在鐵路上，功能尋址

24、主要用于解決固定用戶到移動(dòng)用戶的呼叫 功能尋址的過程： 1，在邏輯上可以將功能尋址分成兩個(gè)階段： 初始化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以允許進(jìn)行功能尋址的過程（Follow Me過程） 呼叫過程使用這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)功能尋址進(jìn)行處理（無條件呼叫前轉(zhuǎn)過程）；2， FM是一個(gè)補(bǔ)充業(yè)務(wù)，它允許把用戶的功能同激活該功能的移動(dòng)臺(tái)的MSISDN號(hào)碼關(guān)聯(lián)起來。 Follow Me注冊(cè)在功能號(hào)和MSISDN號(hào)間建立關(guān)聯(lián) Follow Me注銷刪除先前建立的關(guān)聯(lián) Follow Me查詢查詢用戶簽約文檔3， USSD（Unstructured Supplementary Service Data，無結(jié)構(gòu)補(bǔ)充業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)）補(bǔ)充業(yè)務(wù)4， Foll

25、ow Me注冊(cè)過程：在功能號(hào)和MSISDN號(hào)之間建立了臨時(shí)的關(guān)聯(lián)。5， Follow Me注銷：解除功能號(hào)和MSISDN號(hào)之間的關(guān)聯(lián)，即解除對(duì)該功能號(hào)的呼叫前轉(zhuǎn)激活。6， Follow Me查詢：使得移動(dòng)用戶可以獲得有關(guān)GSM-R中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息。HLR處理FM查詢，并向移動(dòng)臺(tái)返回請(qǐng)求的信息或錯(cuò)誤。7， Follow Me終端通知：確保在網(wǎng)絡(luò)和終端之間的Follow Me數(shù)據(jù)能夠正確地保持同步 。3.3 GSM-R在我國(guó)的應(yīng)用實(shí)例2002年以來鐵道部經(jīng)過幾年的論證、研究，決定借鑒歐洲先進(jìn)國(guó)家鐵路通信在GSM-R系統(tǒng)上成功經(jīng)驗(yàn)，決定在國(guó)內(nèi)選擇GSM-R作為鐵路專用移動(dòng)通信系統(tǒng)，替代原有的模擬通信系統(tǒng)，支持鐵路跨越式發(fā)展，首批試點(diǎn)線路為青藏線、大秦線和膠濟(jì)線，并在實(shí)驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上逐步在全國(guó)各條鐵路干線和新建城際客運(yùn)專線上推廣使用?？偨Y(jié)這次我們組通過對(duì)GSM-R系統(tǒng)的研究學(xué)習(xí)，一共從GSM-R的發(fā)