GSM-R在铁路通信系统中的应用
2012-11-09 来源：作者：潘建军 来源：中国论文网
1、前言
GSM-R（GSMforRailway）中文全称为铁路移动通信系统标准，其最早起源于欧洲，是基于目前世界最成熟、最通用的公共无线通信系统GSM平台上的、专门为满足铁路应用而开发的数字式的无线通信系统。
GSM-R在GSM标准上加入了适合高速移动环境使用的技术要素，GSM-R完全汲取了GSM+多年来的发展成果，在GSMPhase2+的规范协议的高级语音呼叫功能，如组呼、广播呼叫、多优先级抢占和强拆业务的基础上，加入了基于位置寻址和功能寻址等功能，针对铁路通信列车调度、列车控制、支持高速列车等特点和需求开发了许多专用功能，能传输列车诊断数据，提供货运信息、车载旅客信息服务和其他增值服务等，是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。具有适应铁路运输特点的功能优势，以及更符合通信信号一体化技术发展的需要。
GSM-R除了能提供无线列调、编组调车通信、应急通信、养护维修通信等语音通信功能外，其无可比拟的优势是能提供时速500km下良好、安全的无线传输平台，为高速行驶列车的信号及列控提供了条件。使中国铁路在这个层面上的技术由原来的单信道模拟系统一下子达到了国际行业先进水准。
在欧洲的德国和法国、荷兰、瑞士等国家已在铁路沿线进行了GSM-R的放号。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。
2、我国GSM-R系统的发展和应用
（1）标准、规范的建立
由于欧洲铁路和我国铁路运输指挥作业方式、移动通信业务需求均不同，所以我国在确定建立GSM-R之初就开始着手制定适合我国的GSM-R标准和规范。经过十余年的努力，目前制定的技术标准、规范包含综合类、系统类、工程类、应用业务类、设备测试类、接口技术要求类及测试类共7大类，42项。
这些标准、规范的制定为网络规划、工程建设、运维管理、产品研发、业务应用等各个环节提供了较为全面的技术依据，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，也为各设备生产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提供依据。同时，通过参与标准研究工作，有效提高了相关人才的业务素质，为我国GSM-R健康发展打下坚实的技术基础。
当然，随着网络和业务发展的需求，现有技术规范尚不能完全满足我国铁路发展的需要，需结合我国实际应用继续制定其他新的技术规范、标准，并不断补充和完善既有技术标准，逐步建立健全适合我国铁路应用的GSM-R技术标准体系。
（2）GSM-R在青藏铁路线上的首次应用
2006年7月1日青藏铁路的全线通车,标志着GSM-R通信系统正式进入我国铁路运营的历史舞台。青藏铁路全长约1142km，绝大部分线路在高原缺氧的无人区。GSM-R通信系统为青藏铁路提供了以下功能：
①调度通信功能
②车次号传输与列车停稳信息的传送功能
③调度命令传送功能
④列车尾部装置信息传送功能
⑤调车机车信号和监控信息系统传输功能
⑥列车控制数据传输功能
⑦应急指挥通信话音和数据业务
⑧区间移动公务通信
青藏铁路GSM-R实验段项目的成功实施，为我国铁路跨越式发展战略的实现提供了可供参照和研究GSM-R系统的宝贵技术经验。
（3）我国GSM-R发展和目标
我国铁路GSM-R网络的发展目标是在全路建立一张移动通信网络，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。目前中国已建成覆盖全路青藏线、大秦线、胶济线、武广线、郑西线、新丰镇编组站、石太线、合宁线、合武线、京津城际线,京沪高铁等数十条干线的GSM-R通信网络。
3、GSM-R系统的工程设计
（1）GSM-R的系统结构
GSM-R系统包括网络子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、运行和业务支撑子系统（OSS/BSS）和终端设备等四个部分。其中，网络子系统包括移动交换子系统（SSS）、移动智能网（IN）子系统和通用分组无线业务（GPRS）子系统。
GSM-R系统通过交换子系统（SSS）中的网关移动交换中心（GMSC）可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系统采用主从同步方式，TMSC、MSC、HLR、SCP等设备应就近从BITS设备中获取定时信号，MSC至BSS间的G数字链路应兼作同步链路使用，BSS从MSC获取同步时钟信号，也可从就近的BITS设备或SDH设备提取同步时钟信号。
（2）GSM-R的网络硬件组成和功能
GSM-R通信系统在工程设计上包括交换机、基站、机车综合通信设备、手机等设备组成。
交换机是GSM-R系统的核心，其主CPU处理器及各个功能模块的CPU处理器，交换矩阵，内部总线等都是双备份配置。这种双备份的硬件结构和完备的软件体系具有极高的可靠性。
为铁路通信系统专门研制的基站，适应了沿铁路线型覆盖的要求，特别是适应恶劣的自然环境，和无人值守的环境要求。
GSM-R机车综合通信设备替代铁路上原有的无线列调通信系统，为机车和地面之间提供语音和数据的传输通道。
GSM-R手机其外观上与普通手机大同小异，这种手机除了能像普通GSM手机那样进行语音通话外，还增加了铁路运输专用的调度通信功能，甚至能够无线传输图像和数据信息。
GSM-R铁路综合数字移动通信系统与GPS卫星定位技术相结合，实现了通信和信号技术的深度融合。利用电子地图、卫星定位等技术相结合的方式来实现对列车的控制，使远在千里之外的工作人员也能够对列车的运行位置和状态一目了然。
（3）GSM-R的无线频带选择
GSM-R在中国铁路的频段为上行885-889MHz，下行方向为930-934MHz。采用900MHz附近的频带其理由一是适合时速500km高速移动体的通信（最大多普勒频移为415Hz）；二是抗电气化铁道电火花干扰（电火花的频率多集中在400～800MHz）；三是典型覆盖距离约为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；四是更适于隧道内通信（相对450MHz和1800MHz频带）。
（4）GSM-R的安全性和可靠性
为了满足铁路对传输的高可靠性，覆盖范围、服务质量和网络可用性是铁路通信系统的关键。GSM-R系统采用了独特算法和小区规划，成功地克服由于高速引起的信号失真，减少了信道切换，从而大大提高了通信系统的可靠性。GSM-R系统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。由于GSM-R系统将完成无线列调功能，更重要的是要承载一些重要的控制列车的数据，这就要求铁路沿线和车站进行双网重叠覆盖，保证可靠的数据无线传输通道。因此，GSM-R系统有一个非常独特的地方，它的信号采取了双重覆盖，即类似于双备份，两套信号控制系统交错、重叠。一旦一套系统出现问题和故障，另一套系统仍然可以保持正常的通信。
（5）GSM-R的电信功能
GSM-R的电信业务是在GSM的电信业务的基础上，根据铁路通信的特殊需要进行修改和补充后形成的，所以GSM-R不仅可以提供GSM网络的话音、数据业务，除了GSM所具有的越区切换、漫游等特性外，而且还具有如下专有的特性：
功能寻址（FA）：固定（移动）用户拨号呼叫列车上移动用户。
基于位置的寻址（LDA）：列车上移动用户（如火车司机）呼叫固定用户（调度员）。
语音广播服务（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（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。
4、结束语
2000年底铁道部正式将GSM-R确定为我国铁路专用通信的发展方向，是十分及时和正确的。这个系统的开发建立为中国铁路十余年来的迅猛发展奠定了坚实的基础，也必将在中国特色社会主义建设中发挥重大作用。
我国国土辽阔，铁路长期以来在交通运输体系中发挥着骨干作用。GSM-R在铁路通信系统的应用是我国铁路高速发展不可或缺的条件，其良好的品质使得其以后的发展只有升级和完善，被取代的可能性很小。
另外，应该发挥GSM-R的优势，加强其与人防通信部门的业务合作，利用电子地图、卫星定位等技术结合，在平时和战时作为人防通信的组成部分，为国家的稳定和安全作出贡献。
