1-GSM-R系统简介和组成

GSM-R数字移动通信系统北京全路通信信号研究设计院石波2009年4月7日TEL：021－65161，FAX：65150E－mail：[e-mail]一、GSM-R简介GSM:GlobalSystemForMobileCommunications全球移动通信系统是无线通信技术体制之一（其它CDMA等等）是世界上最广泛应用第二代数字移动通信标准（2G）实现了从模拟传输到数字传输质的飞跃在全球普遍应用，占82%的市场份额，是全球主流的无线通信技术开放的标准、成熟的产业链、提供全球漫游服务定位于公众移动通信的商用网络，用户多、使得建网成本大幅下降我国GSM移动用户3.9亿（总用户数5.08亿），占总用户的77%，网络规模全球位居第一GSM基础平台增强型语音呼叫功能ASCI•eMLPP•语音广播VBS•语音组呼VGCS•FollowMe铁路特有的应用•无线列调•无线车次号传递等严格的服务质量要求铁路特有频段GSM-RGSM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:GSMforRailways全球铁路移动通信系统基于GSM（phase2+）技术发展的技术结合铁路需求、进行优化而得到的系统（高速、调度通信）定位于铁路专用移动通信的系统（与公网在业务、服务质量、用户有所不同）在欧洲铁路得到广泛推广应用，在亚洲、非洲、澳洲、美洲铁路有应用是我国铁路第二代移动通信系统，实现了第一代模拟移动通信向数字移动通信的质的飞跃二、GSM-R基本原理1、频率资源2、TDMA技术3、蜂窝原理4、话音编码和信道编码5、切换7、业务和信令6、漫游1、无线资源电磁波：是一系列不同频率辐射的总称，不同频率（波长）的电磁波，表现差异，因此常将电磁波谱划分成若干波段。按照频率从低到高的顺序可分为γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线与无线电波等等。无线电波：3000GHz以下，不用人工波导、在自然空间传播的电磁波，是无线通信信息传输的载体。无线频率：是电磁谱的一部分，是宝贵的自然资源，是无线通信的首要条件。无线频率资源由国家统一管理、分配。使用部门需向国家提出使用申请，获批准后方可使用。移动通信使用的是超高频频段，如无线列调450M，GSM使用800M和1800MHz。1)GSM频率分配MHz上行链路下行链路8808909151710178592593596018051880P-GSMGSM1800GSM19001850191019301990E-GSM欧洲GSM-R工作频段：上行876-880，下行921-925MHz。中国GSM-R工作频段：上行885-889，下行930-934MHz。890MHz915MHz935MHz960MHz上行下行例如:第48信道0124信道号0124信道号频率频率双工间隔=45MHz频带宽度=2x25MHz信道间隔=200kHzBTSGSM使用对称无线信道上行：终端发送、基站接收；下行：基站发送、终端接收。GSM系统是双工通信，需要使用1对信道，1个用来提供终端到基站的传输，1个用来提供基站到终端的传输。每个载频提供8个全速率的时分多址（TDMA）信道。GSM系统需占用指定频谱内的上、下行频率，即工作频段。GSM系统中，频点之间的间隔为200KHz。上下行相差45MHz。2)GSM-R的19对频率在我国，信产部分配给铁道部900MHz频段4MHz带宽用于建设GSM-R，共计19个频点。统一频率在一定距离间隔的区域可以重复使用，即频率复用。工程中频道分配应避免同频干扰、邻频干扰和互调干扰。一般要求，同小区控制信道不小于600KHz，业务信道不小于400KHz；邻小区新到载波间隔不小于400KHz。因此，工程设计中，既要考虑容量、又要考虑服务质量要求进行频率规划。2、TDMA时分多址MS3//载波频率10001018FDMBTS0TDMAsTS7nn-1n+1MS2MS1时间区分信号的方法：按频率区分，FDMA，如无线列调；按时间区分信号，TDMA，如GSM-R。按扩频码区分信号，CDMA。在GSM中，无线路径上是采用时分多址（TDMA）方式。每一频点（频道或叫载频TRX）上可分成8个时隙，每一时隙为一个信道，因此，一个TRX最多可有8个移动客户同时使用。例如：铁路GSM-R系统，沿线区间采用O2基站（2个TRX信道机），2个载频，16个信道。FDMA与TDMA比较TDMA特点：每载频多路。突发脉冲序列传输。移动台信号功率的发射是不连续的，只在规定时间内发射突发脉冲。移动台比较复杂。3、蜂窝原理每个GSM-R小区支持用户容量（呼叫的数量）有限，具体呼叫容量取决于基站配置的规模（O2、O3）。频率复用：是指在不同的地理区域上用相同的载波频率进行覆盖。这些区域必须隔开足够的距离，以致所产生的同频道及邻频道干扰的影响可忽略不计。AAABBCCDDABGCDEFABGCDEFABGCDEFABGCDEFBCEDEAGDEFAGFBCAGAGBCDEFBCA4、话音编码及信道编码话音编码：数字通信系统，话音信号需进行数字化处理（模拟-数字转换）常用的PCM分三步：取样（8000次/秒），量化（8bit），编码，因此，1路话音信号64kbit/s。GSM/GSM-R系统：无线带宽受限，采用低速率话音编码，1路话音信号13kbit/s。信道编码：加入纠错编码，目的在于检出和校正接收比特流中的差错。包括分组编码和卷积编码。TRAU64kbit/s64646464kbit/s64646464kbit/s64646464kbit/s64646416161616BSCMSC64kbit/s64646416161616子复用•语音压缩:64kbit/s13or5.6kbit/s+带内信令•数据传输:“64kbit/s”0.3-9.6kbit/s+带内信令•信令:透明传输TRAU宜与MSC同址，节省中继线路75%AsubA图.10(TM2100EU02TM_0001GSMPLMN,21)5、越区切换概念：一般指移动台在通话过程中从一个基站覆盖区移动到另外一个基站覆盖区，继续保持通话的过程。GSM/GSM-R是硬切换，即必须改变原有的话音通道，因此，切换会造成话音或数据传输中断。切换是移动通信的重要技术，设计不妥会造成掉话。因此，是网络运行考核的重要指标，是网络设计、优化的重点内容。越区切换类型S#7小区CELLCELLCELLCase1同步Case2异步Case3Case4Case5CELLCELLCELLCELLMSCMSCBSCBSCBSCBSCBTSBTSBTSBTSBTSBTSCase1:小区内越区切换case2:基站内小区间越区切换case3:BSC内BTS间越区切换case4:MSC内BSC间越区切换case5:MSC间越区切换6、漫游概念：是指在某个国家或地区的GSM网（归属网）中登记使用的用户，当他到达另外一个国家或地区后，仍可获得同归属区相同的服务。GSM网络基于SS7信令网，根据用户号码进行网络区分，不同的号码段属于不同的网络，用户的签约数据存储在归属地HLR。如：139XXXX（HLR号）ABCD（用户号）。HLR：1170等，北京；0371等郑州。GSM用户漫游到其他拜访网络后，通过相应的初始化流程登记到漫游地MSC/VLR，漫游地MSC/VLR通过对归属地HLR查询，获得用户业务数据并保存在本地。用户在漫游地发起主叫业务时，不需要归属地HLR和MSC的参与，直接由漫游地MSC/VLR进行呼叫接续和业务控制。用户在漫游地做被叫时，漫游地VLR分配一个临时使用的漫游号码MSRN。主叫通过查询归属地HLR获得用户MSRN，直接和漫游地MSC/VLR进行呼叫接续，整个呼叫过程也不需要归属地MSC的参与。列控线路基站不能太密列控业务满足SUBSET093规定，并随其修改而修改。对于列控应用业务线路，由于GSM-R系统的越区切换为硬切换，每次切换将导致EVC-RBC间的列控CSD业务中断300-500ms，为了满足列控对GSM-R系统无错误传输周期的要求，两次连续越区切换间隔大于20s，即基站的间距不小于2km为宜（350km/h）。服务质量项目指标值移动台发起的连接建立时间＜8.5s(95%),≤10s(100%)连接建立失败概率＜10-2最大端到端传输时延(30byte用户数据块)≤0.5s(99%)连接丢失概率≤10-2/h传输干扰时间TTI＜0.8s(95%),＜1s(99%)传输无差错时间（传输恢复时间）TREC＞20s(95%),＞7s(99%)网络注册时延≤30s(95%),≤35s(99%),≤40s(100%)业务信令«你好！今天上午9：00开会，请按时参加...»«“振铃”指令»铃，铃，铃Network7、业务/信令0100111000GSM-R在通信网中的地位与作用基础传送网：提供透明传输通道业务网：面向用户、提供通信服务支撑网：支撑网络正常运行基础传送网（传输：DWDM、SDH）业务网（固定电话网PSTN）（移动电话网GSM-R）支撑网（信令）（网管）（同步）三、GSM-R系统构成IPGbSMSCACBSCBTS铁路电路域应用系统调度交换机调度台车载台车站台手持台网管用户、业务管理系统BOSSGPRSBSSINSSSCBCBTSTRAU其他通信网无线固定台HLR/AuCSMPSMAPSCPSSPTCP/IPUmAbisAC/DDSS1DSS1E/GNo.7LGrSCEPNo.7有线终端无线终端GbGnAterGiEIRGMSCTCP/IPDNSRadiusGGSNGRISGROS铁路分组域应用系统PCUBGSGSNFMSC/VLRCGMSC/VLR/GCR/IWF三、GSM-R系统构成图2、交换子系统概述（1）SSS主要完成GSM-R系统的基本交换功能、呼叫接续功能以及用户数据管理和移动性管理。提供的业务：基本话音呼叫业务；电路域数据传输。话音呼叫：点对点话音呼叫（MS之间，MS与有线FT之间）；组呼、广播呼叫、多方通信、公众紧急呼叫。电路域数据传输：提供透明传输通道。如与列控RBC节点、机车同步操控地面节点之间进行互联，实现车～地、车～车之间数据信息传送。组成：由MSC、HLR、VLR、GCR、AC、SMSC等组成。MSC移动业务交换中心呼叫处理功能(类似固定网的交换机)移动通信特定的功能•NSS的核心•服务几个BSS(BSC)•建立并交换用户话务和信令•与VLR合设于同一物理实体•与HLR/AuC可合设（如交大实验室），也可分设•网关MSC（GMSC）：到外网的关口，可与MSC合设，也可分设•来访MSC:服务MS的MSCMSC移动业务交换中心呼叫处理功能(类似固定网的交换机)•信令/用户话务连接的建立•信令分析确定目的地•连接路径选择•不正常信令信息的处理•支持补充业务•呼叫监视•话务监视和测量•预防过负荷•计费•优先控制(例如:紧急呼叫)•支持操作维护O&M功能移动特定的功能•和BSC,MS&NSS数据库之间交换信令•处理移动特定的业务•移动性管理例如:寻呼,MSC之间的切换,位置更新,...•过负荷处理,例如:OACSU•数据业务的交互功能•移动特定的录音通知图.13(TM2100EU02TM_0001GSMPLMN,27)2、交换子系统功能实体（2）拜访位置寄存器（VLR）动态数据库，负责管理漫游用户的动态数据信息，存储、更新漫游入用户的数据。存储信息包括：移动用户IMSI，MSISDN，位置区等，支持寻呼功能。用户漫游入该控制区时，VLR从HLR获取上述信息；用户漫游出该控制区时，VLR删除上述信息