GSM-R在鐵路通信系統(tǒng)中的應(yīng)用
2012-11-09 來(lái)源：作者：潘建軍 來(lái)源：中國(guó)論文網(wǎng)
1、前言
GSM-R（GSMforRailway）中文全稱為鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，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(wú)線通信系統(tǒng)GSM平臺(tái)上的、專門為滿足鐵路應(yīng)用而開發(fā)的數(shù)字式的無(wú)線通信系統(tǒng)。
GSM-R在GSM標(biāo)準(zhǔn)上加入了適合高速移動(dòng)環(huán)境使用的技術(shù)要素，GSM-R完全汲取了GSM+多年來(lái)的發(fā)展成果，在GSMPhase2+的規(guī)范協(xié)議的高級(jí)語(yǔ)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，針對(duì)鐵路通信列車調(diào)度、列車控制、支持高速列車等特點(diǎn)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(yùn)信息、車載旅客信息服務(wù)和其他增值服務(wù)等，是鐵路運(yùn)營(yíng)提供定制的附加功能的一種經(jīng)濟(jì)高效的綜合無(wú)線通信系統(tǒng)。具有適應(yīng)鐵路運(yùn)輸特點(diǎn)的功能優(yōu)勢(shì)，以及更符合通信信號(hào)一體化技術(shù)發(fā)展的需要。
GSM-R除了能提供無(wú)線列調(diào)、編組調(diào)車通信、應(yīng)急通信、養(yǎng)護(hù)維修通信等語(yǔ)音通信功能外，其無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)是能提供時(shí)速500km下良好、安全的無(wú)線傳輸平臺(tái)，為高速行駛列車的信號(hào)及列控提供了條件。使中國(guó)鐵路在這個(gè)層面上的技術(shù)由原來(lái)的單信道模擬系統(tǒng)一下子達(dá)到了國(guó)際行業(yè)先進(jìn)水準(zhǔn)。
在歐洲的德國(guó)和法國(guó)、荷蘭、瑞士等國(guó)家已在鐵路沿線進(jìn)行了GSM-R的放號(hào)。正在試驗(yàn)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(tái)。
2、我國(guó)GSM-R系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用
?。?）標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立
由于歐洲鐵路和我國(guó)鐵路運(yùn)輸指揮作業(yè)方式、移動(dòng)通信業(yè)務(wù)需求均不同，所以我國(guó)在確定建立GSM-R之初就開始著手制定適合我國(guó)的GSM-R標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。經(jīng)過(guò)十余年的努力，目前制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、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(cè)試類、接口技術(shù)要求類及測(cè)試類共7大類，42項(xiàng)。
這些標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的制定為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、工程建設(shè)、運(yùn)維管理、產(chǎn)品研發(fā)、業(yè)務(wù)應(yīng)用等各個(gè)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(hào)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(rèn)證和監(jiān)督提供依據(jù)。同時(shí)，通過(guò)參與標(biāo)準(zhǔn)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(guó)GSM-R健康發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
當(dāng)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(guó)鐵路發(fā)展的需要，需結(jié)合我國(guó)實(shí)際應(yīng)用繼續(xù)制定其他新的技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，并不斷補(bǔ)充和完善既有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，逐步建立健全適合我國(guó)鐵路應(yīng)用的GSM-R技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)志著GSM-R通信系統(tǒng)正式進(jìn)入我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)的歷史舞臺(tái)。青藏鐵路全長(zhǎng)約1142km，絕大部分線路在高原缺氧的無(wú)人區(qū)。GSM-R通信系統(tǒng)為青藏鐵路提供了以下功能：
?、僬{(diào)度通信功能
?、谲嚧翁?hào)傳輸與列車停穩(wěn)信息的傳送功能
?、壅{(diào)度命令傳送功能
?、芰熊囄膊垦b置信息傳送功能
?、菡{(diào)車機(jī)車信號(hào)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(dòng)公務(wù)通信
青藏鐵路GSM-R實(shí)驗(yàn)段項(xiàng)目的成功實(shí)施，為我國(guó)鐵路跨越式發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)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(yàn)。
?。?）我國(guó)GSM-R發(fā)展和目標(biāo)
我國(guó)鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展目標(biāo)是在全路建立一張移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，利用通信的手段實(shí)現(xiàn)鐵路移動(dòng)設(shè)施和固定設(shè)施的無(wú)縫連接，確保列車平穩(wěn)、高速、安全地運(yùn)行。目前中國(guó)已建成覆蓋全路青藏線、大秦線、膠濟(jì)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(jì)
?。?）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(yùn)行和業(yè)務(wù)支撐子系統(tǒng)（OSS/BSS）和終端設(shè)備等四個(gè)部分。其中，網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)包括移動(dòng)交換子系統(tǒng)（SSS）、移動(dòng)智能網(wǎng)（IN）子系統(tǒng)和通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（GPRS）子系統(tǒng)。
GSM-R系統(tǒng)通過(guò)交換子系統(tǒng)（SSS）中的網(wǎng)關(guān)移動(dòng)交換中心（GMSC）可實(shí)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(guò)通用分組無(wú)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。
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(shí)信號(hào)，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(shí)鐘信號(hào)，也可從就近的BITS設(shè)備或SDH設(shè)備提取同步時(shí)鐘信號(hào)。
（2）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(jì)上包括交換機(jī)、基站、機(jī)車綜合通信設(shè)備、手機(jī)等設(shè)備組成。
交換機(jī)是GSM-R系統(tǒng)的核心，其主CPU處理器及各個(gè)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(wú)人值守的環(huán)境要求。
GSM-R機(jī)車綜合通信設(shè)備替代鐵路上原有的無(wú)線列調(diào)通信系統(tǒng)，為機(jī)車和地面之間提供語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的傳輸通道。
GSM-R手機(jī)其外觀上與普通手機(jī)大同小異，這種手機(jī)除了能像普通GSM手機(jī)那樣進(jìn)行語(yǔ)音通話外，還增加了鐵路運(yùn)輸專用的調(diào)度通信功能，甚至能夠無(wú)線傳輸圖像和數(shù)據(jù)信息。
GSM-R鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)與GPS衛(wèi)星定位技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了通信和信號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的控制，使遠(yuǎn)在千里之外的工作人員也能夠?qū)α熊嚨倪\(yùn)行位置和狀態(tài)一目了然。
（3）GSM-R的無(wú)線頻帶選擇
GSM-R在中國(guó)鐵路的頻段為上行885-889MHz，下行方向?yàn)?30-934MHz。采用900MHz附近的頻帶其理由一是適合時(shí)速500km高速移動(dòng)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(duì)高速列車來(lái)說(shuō)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(duì)450MHz和1800MHz頻帶）。
?。?）GSM-R的安全性和可靠性
為了滿足鐵路對(duì)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(dú)特算法和小區(qū)規(guī)劃，成功地克服由于高速引起的信號(hào)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(guó)性的覆蓋。由于GSM-R系統(tǒng)將完成無(wú)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(jìn)行雙網(wǎng)重疊覆蓋，保證可靠的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸通道。因此，GSM-R系統(tǒng)有一個(gè)非常獨(dú)特的地方，它的信號(hào)采取了雙重覆蓋，即類似于雙備份，兩套信號(hào)控制系統(tǒng)交錯(cuò)、重疊。一旦一套系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)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(jìn)行修改和補(bǔ)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(dòng)）用戶撥號(hào)呼叫列車上移動(dòng)用戶。
基于位置的尋址（LDA）：列車上移動(dòng)用戶（如火車司機(jī)）呼叫固定用戶（調(diào)度員）。
語(yǔ)音廣播服務(wù)（VBS）：VBS可用來(lái)在指定區(qū)域（可跨多個(gè)小區(qū)）內(nèi)廣播消息或發(fā)布緊急呼叫（一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(dòng)態(tài)設(shè)定，從而具有極大的靈活性。
語(yǔ)音組呼服務(wù)VGCS）：移動(dòng)或固定用戶撥打組呼ID號(hào)，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(guò)同一業(yè)務(wù)信道進(jìn)行接聽；該小組的成員也可通過(guò)按鍵講話（PTT）方式發(fā)出通話請(qǐng)求，系統(tǒng)依據(jù)“先請(qǐng)求先服務(wù)”的原則建立一個(gè)上行鏈路來(lái)提供通話服務(wù)。
增強(qiáng)的多級(jí)優(yōu)先與強(qiáng)占權(quán)（EMLPP）：鐵路緊急呼叫或列車自動(dòng)控制等許多通信應(yīng)用，都要求網(wǎng)絡(luò)無(wú)論處于何種負(fù)載狀況下均能迅速建立呼叫。如果在一個(gè)無(wú)線電小區(qū)發(fā)生擁塞（所有無(wú)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(yǔ)
2000年底鐵道部正式將GSM-R確定為我國(guó)鐵路專用通信的發(fā)展方向，是十分及時(shí)和正確的。這個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)建立為中國(guó)鐵路十余年來(lái)的迅猛發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也必將在中國(guó)特色社會(huì)主義建設(shè)中發(fā)揮重大作用。
我國(guó)國(guó)土遼闊，鐵路長(zhǎng)期以來(lái)在交通運(yùn)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(guó)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(jí)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(shì)，加強(qiáng)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(shí)和戰(zhàn)時(shí)作為人防通信的組成部分，為國(guó)家的穩(wěn)定和安全作出貢獻(xiàn)。
