GSM-R系统的组成及业务功能

第三章GSM-R系统的组成及业务功能第一节GSM-R系统概述一、名词解释GSM:全球移动通信系统GSM-R:全球铁路移动通信系统。GSM-R是铁路综合数字无线通信系统，通过无线通信方式实现移动话音和数据传输,是基于GSM（公网）而发展起来的一种数字传输技术体制GPS：全球定位系统，铁路上用于实现列车追踪控制GPRS：通用分组无线业务IN：智能网二、GSM与GSM-R的关系—六大关系GSM-R理论建立在GSM理论基础之上；GSM-R技术建立在GSM技术基础之上；GSM-R工业以GSM工业为基础；GSM-R工程建设以GSM工程经验为基础；GSM-R应用开发吸收GSM成功经验；GSM-R的市场铁路专用，GSM公众商用。GSM-R是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统，属于第二代铁路数字移动通信系统。三、GSM与GSM-R的关系--业务模型图3-1GSM与GSM-R业务模型图四、铁路通信为什么要建设GSM-R系统1、既有铁路无线通信系统存在许多问题：（1）功能单一、系统分散、相互间无法互通、维护成本高。各分散系统主要有：无线列调、站场调车、客运、货运、列检、商检、车号、公务维修、公安等。功能：主要为语音业务，少量数据业务。这些系统均为自行投资建设、独立使用、分散维护，造成设备型号各异，种类繁多，相互间无法互通，维护运营成本较高。（2）频点固定分配、信道固定使用，频率利用率低，容量有限。铁路无线通信系统主要使用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。如北京、徐州、郑州枢纽等地已无频点可供申请使用。既有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。（3）话音、数据业务争抢信道，传输可靠性低，数据传输能力差。经测算，在TDCS和CTC区段，当列车运行时速超过250公里时，综合考虑调度命令、行车凭证、车次号、进路预告等数据信息传送和车机联控话音通信需求时，业务密度加大，碰撞概率很大。基于无线列调系统的数据传输速率仅达到1.2Kb/s。（4）枢纽地区干扰严重。枢纽站往往是多条线路的交汇处，通话的无序性，使各个机车台终端会对无线列调信道进行争抢，造成“大信号抑制小信号”的后果。目前，在枢纽车站设置多套车站电台（每条线1套），其中部分车站台使用同频工作，这些电台在车站附近形成一个大范围内的同频干扰，降低了车站值班员的行车指挥效率。（5）既有铁路无线通信不具备网络能力。既有铁路移动终端对讲距离受限。铁路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。铁路无线、有线调度网基本独立，无法形成有机融合的整体。（6）开放系统，不具保密性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。此外，公安系统对保密性的要求也很高，现有系统无法达到。2、铁路新业务对铁路通信新的业务需求。（1）客运专线的业务需求（对通信系统在高速情况下的安全性、可靠性、实时性、便捷程度提出了更高的要求）。话音类：调度通信、区间通信。数据类：列控信息传送、调度指挥信息传送、行车安全监控信息的传送、旅客综合服务信息的传送等（2）机车同步控制传输（重载货运专线）的需求。重载运输中为了实现牵引过程中多个机车头的同时加速、减速、制动，主控机车和从控机车之间需要通过GSM-R无线信道实时传递控制命令，这就是机车同步操控信息传送业务。通过采用多机车牵引模式，实现机车间的同步操控，达到单列运量2万吨，使用3-4个机车头进行牵引。如果牵引机车操作不同步，就会造成车箱间的挤压或者拉钩现象，影响运输安全，降低运输效率。为了保证操作的可靠性，利用GSM-R网络提供可靠的数据传输通道，采用无线通信的方式来实现机车间的同步操控。图3-2机车同步控制传输示意图（3）车地信息化数据传输的需求。列车与地面之间的无线通信一直是信息化发展中的最薄弱环节。随着铁路的发展，铁路信息化要求的无线数据传输内容越来越多，一方面，列车运行控制、列车安全监控、诊断以及承载货物等实时信息需要传送到地面上来，为实现列车信息实时追踪、客票发售、货运计划、货车追踪、集装箱追踪等提供基础信息，满足铁路路网移动体（机车、车辆等）实时动态跟踪信息传输的需要；另一方面，以旅客为主体的移动信息，需要在车地之间实时进行传送，为旅客提供多方位的综合信息服务。（4）有线、无线调度业务融合的需求。通信子系统应用子系统30B+DGSM-R网络机车1机车2机车3机车4Locotrol控制单元Locotrol控制单元Locotrol控制单元Locotrol控制单元GSM-R车载通信单元GSM-R车载通信单元GSM-R车载通信单元GSM-R车载通信单元RS-232应用数据端口RS-232控制数据端口RS-232应用数据端口RS-232应用数据端口RS-232应用数据端口RS-232控制数据端口RS-232控制数据端口RS-232控制数据端口BTSBSCMSC通信接入单元编组控制单元Locotrol地面应用节点3、铁路通信采用GSM-R系统的优势。GSM-R是通过无线通信方式实现移动话音和数据传输的一种技术体制。它是基于GSM，并在功能上有所超越的成熟技术，是专门针对铁路对移动通信的需求而推出的专用系统。它可以满足铁路的特殊需求：（1）高级语音呼叫，包括：组呼、群呼、增强多优先级与强拆（2）功能寻址、基于位置的寻址（3）高速情况下的数据、语音业务的准确传输（4）数据业务需求。（5）其系统标准公开，可互联互通；欧洲有成功的标准、工程、试验经验可借鉴。无需从头研发，节约了时间，且支持的厂家为多家，有利于形成良好的竞争局面。第二节GSM-R系统业务网络构成一、GSM-R的频率资源1、采用无线资源中GSM900MHZ工作频段，上行885-889MHZ（移动台发，基站收），下行930-934MHZ（基站发，移动台收），共4MH频率带宽。双工收发频率间隔45MHZ，相邻频道间隔为200KHZ。共有21个载频。频道序号从999-1019，扣除低端999和高端1019作为隔离保护，实际可用频道19个。图3-3无线资源频谱图图3-4GSM-R频道号对应频率表2、小区频率配置的基本原则：同一个基站的载频间隔不小于400KHz，相邻基站载频间隔不小于400KHz。3、GSM-R系统的频率资源很紧张，既然这一段频段资源少，为什么不考虑使用更高的频段，比如1800M左右的频率（3G所使用的频率）?无线电波频率越高，在传播过程中造成的衰落就约快，这样一个基站的覆盖范围就越小，则小区半径越小，所以频率是和小区的半径成反比的，频率高，半径小，那么一定的范围内，沿线所建基站就多，这样干扰就大。此外，高速列车要频繁的进行越区切换，其对铁路业务的影响是极大的，容易能造成通信延时以及掉话。4、GSM-R系统使用对称无线信道，采用频分多址（FDMA）+时分多址（TDMA）的多址方式。先将4M频谱划分为21个载频，每一个载频分成8个时隙，8个时隙组成一个TDMA帧，即1个载频可以提供8个物理信道（时隙），提供给8个用户同时使用，用来传输语音或数据业务。也就是说一个频点可以同时8个用户进行语音或数据的通信。图3-5时分多址常规的多址方式有三种：频分多址（FDMA），时分多址（TDMA），码分多址（CDMA）。FDMA是将规定的频谱划分为若干个规定带宽的信道，每个用户在通信的时候占用一个信道。其是最早广泛应用也最成熟的多址技术，主要用于第一代模拟移动通信系统中。TDMA是将规定的带宽的信道在时间轴上分成一个个时隙，若干个时隙组成一帧。每一帧中的若干时隙构成一个物理信道。其在第二代蜂窝移动通信系统中使用。铁路GSM-R系统也是采用这种多址方式。CDMA的物理信道在时间和频谱上是重叠的，利用码字的正交性来区分不同的物理信道。即在TDMA基础上，在每个时隙上承载多个正交码型，属于第三代移动通信技术（3G）。二、GSM-R承载的铁路业务。1、电路域业务：目前，高铁GSM-R系统所承载的电路域数据业务主要有C3列控及调度语音业务。电路域业务又分为电路域数据业务和电路域话音业务。电路域数据业务:列车控制信息（C3列控业务）。电路域话音业务：调度移动通信语音（基础语音）业务、高级语音业务。GSM-R除了提供基础语音通话功能外，还具备较高级的语音功能，如：优先级与强拆(eMLPP)、语音组呼(VGCS)、语音广播(VBS)。优先级与强拆:包括两个方面：优先级和资源抢占。优先级是指在呼叫建立时给该呼叫指配一个优先级，该呼叫可以此级参与网络资源的竞争和调配。资源抢占是指当网络中没有空闲资源可用时，具有较高优先级的用户可以抢占强拆低优先级的用户的信道资源进行通信。语音组呼：一个讲话（呼叫的发起人），多人聆听。当发起人停止讲话，某个人需要讲时，需要先进行申请，同意后也可以讲话。语音广播：只能由发起人讲话，其他人听没有讲话的权力。语音组呼和语音广播可以用于实现调度的指挥、紧急通知等，尤其适用于铁路的行车指挥调度部门。电路域业务主要针对于那些对实时性要求较高，又要十分准确的传递信息，具有最高或者较高的优先级的业务。一般用于列车控制，调度语音指挥行车，铁路应急指挥通信等重要的业务。采用电路交换数据传输方式，配置固定信道，无法和其他信道共享，以此来保证传输的实时性和准确性。电路交换数据传输通过占用一条话音信道提供端到端的数据传输。建立完成后，每条链路数据独占一个时隙（即一个信道），数据传输速率最高为9.6kbps。2、分组域业务。目前，一般高铁线路GSM-R系统所承载的分组域数据业务主要有无线车次号信息、调度命令、近路预告信息。分组域数据业务主要针对于那些对实时性要求较低（与电路域业务相比），突发性强，有一定的数据量的业务。采用分组交换技术，可以高效传输数据和信令，只有当传输数据时才占用网络资源。优化了对网络资源和无线资源的利用，同时提高了传输的速率。无线资源中的一个频点即一个TDMA帧可分配1到8个无线接口时隙。这些时隙能为用户所共享，且上行链路和下行链路的分配是独立的。可以同时使用8个时隙进行数据传输，最高速率可达171.2kbps（理论值）。我国铁路发展基于GSM-R的GPRS业务，是根据我国铁路运输对通信业务需求量大、但频率资源紧张的实际情况而进行的技术决策。为提高有限的频率资源利用率而引入的(在我国铁路GSM-R系统可以使用的频率只有4M)。GSM-R系统内加入GPRS，把一些特定的铁路业务来通过GPRS进行分组传输，以提高频率的利用率。3、智能业务（1）功能号注册、注销与管理业务利用智能网数据库管理功能实现机车功能号注册、注销以及管理。（2）增强型接入矩阵业务根据主、被叫的身份进行呼叫裁决，判断是否允许呼叫继续。（3）功能寻址业务根据被叫用户所承担的功能来发起呼叫，而不是根据被叫用户的号码来寻址。主要用于解决固定用户呼叫移动用户，即调度员和车站值班员呼叫机车司机或手持台用户。（4）位置寻址业务将移动用户发起的呼叫，路由到一个与该用户当前所处位置相关的目的地址。这个功能主要用于解决移动用户呼叫固定用户，包括司机或运营手持台用户呼叫调度员和当前车站值班员等。三、GSM-R小区覆盖1、GSM-R小区形状。GSM-R网络是沿路铁路线方向布放基站铁塔，铁塔顶端安装定向天线，以形成沿铁路线椭圆型的全向小区。在话务量较大但对于速度要求较低的编组站则采用扇行小区覆盖。人口密度不高的低速路段和轨道交织处一般是农村地区的采用全向小区覆盖。2、频率复用。铁路GSM-R系统线状覆盖的频率复用：图3-6频率复用示意图在系统中会给