高速铁路通信概论

一.什么是GSM-R？二.为什么要建设GSM-R?三.GSM-R系统介绍四.GSM-R网络规划五.GSM-R调度通信系统六.GSM-R在铁路运营和服务中的特殊业务与应用七.国外高速铁路概况内容提要一、什么是GSM-R？GSM-R（GlobleSystemofMobileforRailway）专门针对铁路对移动通信的需求而推出的专用系统，它基于GSM并在功能上有所超越，是成熟的技术。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。一、什么是GSM-R？铁路相对GSM公网的特殊需求：（1）用户级别不同（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（调度）（3）基于位置的寻址（机车呼叫前方车站、后方车站）（4）高速情况下的移动通信（5）大量特殊的数据业务需求（列控、列尾、车次号等）一、什么GSM-R？公网技术体制：GSM、CDMA铁路专网技术体制：（1）无线列调（2）模拟集群：SMRATZONE（广深试验）、MPT1327（北京局、柳南）、UNIDEN（北京、成都、上海等）（3）数字集群：TETRA（秦沈）、GT800（重庆）、GOTA（长春）（4）GSM-R（欧洲）1、现有铁路无线通信系统存在许多问题2、铁路发展出现许多新业务需求3、欧洲选择GSM-R的原因和发展状况二、为什么要建设GSM-R?1、现有铁路无线通信系统存在许多问题。（1）投资方面：系统分散建设，投资浪费。（2）系统功能方面：功能单一，不具备网络能力；频率利用率低，容量有限；话音、数据业务争抢信道，传输可靠性低，数据传输能力差。（3）存在的问题：枢纽地区干扰严重；是开放系统，不具保密性。二、为什么要建设GSM-R?1、现有铁路无线通信系统存在许多问题。（1）投资方面：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。二、为什么要建设GSM-R?1、现有铁路无线通信系统存在许多问题。（2）系统功能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。二、为什么要建设GSM-R?1、现有铁路无线通信系统存在许多问题。（2）系统功能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。二、为什么要建设GSM-R?1、现有铁路无线通信系统存在许多问题。（3）存在的问题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。二、为什么要建设GSM-R?1、现有铁路无线通信系统存在许多问题。（3）存在的问题不具备网络能力①移动终端对讲距离受限，邻站交界区易发生业务中断。②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。③铁路无线、有线调度网基本独立，无法形成有机融合的整体。二、为什么要建设GSM-R?1、现有铁路无线通信系统存在许多问题。（3）存在问题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。二、为什么要建设GSM-R?2、铁路发展出现许多新业务需求：（1）客运专线的业务需求（2）货运专线机车同步控制传输（3）车地信息化数据传输的需要（4）有线、无线调度两网融合的需求二、为什么要建设GSM-R?2、铁路发展出现许多新业务需求：（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二、为什么要建设GSM-R?2、铁路发展出现许多新业务需求：（1）客运专线的业务需求列控信息传送需求①无线通信网络提供车－地双向、实时数据传输通道，传输速率至少2.4kbps，异步透明全速率传输方式。②业务不能中断，因此无线信道必须实时可靠，无线网络在铁路沿线应保证连续覆盖并支持切换。③每个列车数据传输需要占用至少一个专用无线信道，因此，无线通信网络应能提供覆盖范围内的N列车所需的N个的专用信道。现有系统无法实现。二、为什么要建设GSM-R?2、铁路发展出现许多新业务需求：（2）重载货运专线（机车同步控制传输）定义：为了实现牵引过程中同时加速、减速、制动，主控机车和从控机车之间需要通过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。解决方案：①DJ4型机车对讲电话系统，人工话音，一致性差②基于800MHz的无线数据传输系统，主机和从控机车之间间隔小于650米，只适用于万吨组合列车③基于GSM-R系统的解决方案，适用于所有组合形式的列车二、为什么要建设GSM-R?2、铁路发展出现许多新业务需求：（3）车地信息化数据传输的需要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、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。二、为什么要建设GSM-R?2、铁路发展出现许多新业务需求：（4）有线、无线调度业务融合的需求二、为什么要建设GSM-R?2、铁路发展出现许多新业务需求：可见，既有系统无法满足铁路新业务需求，应建立一个能完善解决铁路新业务需求、高安全可靠性、联网能力强、可满足高速、重载运输及信息化需求的通信系统。二、为什么要建设GSM-R?3、欧洲选择GSM-R的原因（1）取代落后的模拟设备、提升系统性能的需要；（2）欧洲铁路互通性的需要；（3）新业务的需要（欧洲列车控制系统－2级以上）二、为什么要建设GSM-R?GSM-R在欧洲的发展状况：目前已在欧洲13个国家开始广泛实施，具体包括：德国、英国、法国、意大利、斯洛伐克、荷兰、瑞典、瑞士、西班牙、捷克、芬兰、挪威、比利时。其中，瑞典、德国、意大利、瑞士、挪威、西班牙、荷兰等7个国家开通了商用GSM-R网络。最早开始建设的国家：瑞典（1998年）在全国范围内普速干线建设的国家：意大利（7500km）、荷兰（2800km）GSM-R覆盖里程最长的国家：德国（36000km）最早在高速线开通ETCS2的国家：意大利，罗马－那不勒斯，2005年12月21日商用，运营时速347km/h；米兰－都灵2006年2月10日正式商用运行，设计时速350km/h。二、为什么要建设GSM-R?三、GSM-R系统介绍（一）系统结构1、网络子系统（NSS）（1）移动交换子系统（SSS）（2）移动智能网（IN）子系统（3）通用分组无线业务（GPRS）子系统2、基站子系统（BSS）3、运行与支持子系统（OSS）（1）网管（2）SIM卡管理系统（3）计费、结算、营帐、客服子系统4、终端设备三、GSM-R系统介绍（一）系统结构IPGbGnSMSCACBSCBTS电路域数字应用系统调度交换机调度台车载台车站台手持台OMC用户管理系统铁路应用系统OSSGPRSBSSINSSSCBCBTSSGSNGGSNPCUGRISTRAU其他通信网无线固定台MSC/VLR/GCR/IWFHLR/AuCSMPSMAPSCPSSPGMSCTCP/IPUmAbisAC/DMSC/VLRDSS1DSS1E/GNo.7LNo.7SCEPNo.7有线终端无线终端GbGnGrAterGi三、GSM-R系统介绍1、网络子系统移动交换子系统：主要完成用户的业务交换功能，完成用户数据与移动性管理、安全性管理。移动业务交换中心（MSC）：负责用户的移动性管理和呼叫控制；拜访位置寄存器（VLR）：负责存储进入该区域内已登记用户的信息；归属位置寄存器（HLR）：是一个负责管理移动用户的数据库。HLR存储本归属区的所有移动用户数据，如识别标志、位置信息、签约业务等；鉴权中心（AuC）：是存储用户鉴权算法和加密密钥的实体，AuC只通过HLR和其他网络实体通信；互连功能单元（IWF）：与固定网络的数据终端之间提供速率和协议的转换；组呼寄存器（GCR）：用于存储移动用户的组ID；短消息服务中心（SMSC）：负责向MSC传送短消息信息；确认中心（AC）：记录、存储铁路紧急呼叫相关信息。三、GSM-R系统介绍1、网络子系统智能网子系统：是在SSS中引入的智能网功能实体，将网络交换功能和业务控制功能相分离，实现对呼叫的智能控制。GSM业务交换点（gsmSSP）GPRS业务交换点（gprsSSP）智能外设（IP）业务控制点（SCP）业务管理点（SMP）业务管理接入点（SMAP）业务生成环境点（SCEP）。三、GSM-R系统介绍1、网络子系统GPRS子系统：负责为无线用户提供分组数据承载业务。GPRS核心层：由SGSN、GGSN、DNS、RADIUS等功能实体组成；GPRS无线接入层：由PCU、基站、终端等组成。GPRS无线接入层组网应充分利用GSM-R系统的设备资源，保护投资；与GSM-R系统共用频率资源；利用GSM-R系统的基站实现无线覆盖，不单独增加GPRS系统基站。三、GSM-R系统介绍1、网络子系统SGSN:服务GPRS支持节点,移动性管理、寻路等功能。GGSN:网关GPRS支持节点,为GPRS网与外部数据网络相连的网关。DNS:域名服务器，负责提供GPRS网内部SGSN、GGSN等网络节点的域名解析等。RADIUS:认证服务器,负责存储用户的身份信息，并完成用户的认证和鉴权等功能。PCU:分组控制单元，负责数据分组、无线信道管理、错误发送检测和自动重发。三、GSM-R系统介绍2、基站子系统BSS通过无线接口直接与移动台相接，负责无线信号发送接收和无线资源管理；与MSC相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。基站控制器（BSC）编译码和速率适配单元（TRAU）小区广播短消息中心（CBC）基站收发信机（BTS）弱场设备（直放站、漏缆）BSS移动终端MSC无线接口A接口三、GSM-R系统介绍3、运行与支持子系统OSS（1）网管交换、智能网、GPRS网管、基站网管、直放站网管等。（2）SIM卡管理系统（铁道部管理中心、路局发卡中心两级结构）（3）计费、结算、营帐、客服子系统三、GSM-R系统介绍4、终端设备终端是供GSM-R系统用户直接操作、使用，用来接入GSM-R网的设备，包括移动台和无线