GSM-R通信系統(tǒng)解析

1、 GSM-R(GSMforRailway)GSM,全名為：GlobalSystemforMobileCommunications，中文為全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)，俗稱全球通，是一種起源于歐洲的移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是第二代移動(dòng)通信技術(shù)，其開發(fā)目的是讓全球各地可以共同使用一個(gè)移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，讓用戶使用一部手機(jī)就能行遍全球。全球貿(mào)易組織(GSMA)GSM-R數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介2006年7月1日，隨著青藏鐵路的全線通車，我國(guó)鐵路所使用的一種世界上領(lǐng)先的鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)也在青藏線上正式投入使用。這種通信系統(tǒng)就是GSM-R鐵路全球移動(dòng)通信系統(tǒng)。GSM-R(GlobalSystemForMobileCom

2、municationsForRailway)系統(tǒng)是歐洲鐵路綜合調(diào)度移動(dòng)通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。是專門為鐵路通信設(shè)計(jì)的綜合專用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。它是在8時(shí)隙/200KHzTDMA多址方式GSM蜂窩系統(tǒng)上增加調(diào)度通信功能構(gòu)成的一個(gè)綜合專用移動(dòng)通信系統(tǒng)。它基于GSM的基礎(chǔ)設(shè)施及其提供的高級(jí)語音呼叫業(yè)務(wù)，提供鐵路特有的調(diào)度業(yè)務(wù)，并以此為信息化平臺(tái)，使鐵路部門可以在這個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)鐵路管理信息的共享。GSM-R系統(tǒng)是基于GSM的規(guī)范協(xié)議，增加了優(yōu)先級(jí)、組呼、廣播呼叫等鐵路運(yùn)輸專用調(diào)度通信功能，適用于鐵路通信的需要。為了完成調(diào)度通信的功能，GSM-R系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)不同的是在其結(jié)構(gòu)中增加了組呼寄存器(GCR)。GS

3、M-R系統(tǒng)除了具有語音傳送功能外，更重要的是具有數(shù)據(jù)傳送功能，它與GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、機(jī)車車載計(jì)算機(jī)結(jié)合后能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)車和地面之間列車控制信息的實(shí)時(shí)傳送，達(dá)到控制列車運(yùn)行，確保列車安全的目的。GSM-R網(wǎng)絡(luò)屬于鐵路運(yùn)輸指揮專用調(diào)度通信系統(tǒng)，因此其網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)具有調(diào)度通信所要求的封閉性、安全性和實(shí)時(shí)性特征，要求與外部通信網(wǎng)絡(luò)只能進(jìn)行有限的互聯(lián)互通，即為實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸指揮業(yè)務(wù)需要，與鐵路專用電話網(wǎng)、鐵路各種MIS信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，一定程度上與公眾通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通。同時(shí)在鐵路運(yùn)輸各工種業(yè)務(wù)之間也要從技術(shù)和管理兩方面保證一定的封閉性。從集群通信的角度來看,GSM-R是在公網(wǎng)GSM技術(shù)基礎(chǔ)上融合了調(diào)度通信功能

4、的專門用于鐵路無線通信的數(shù)字集群通信系統(tǒng)。其突出特點(diǎn)是將高速鐵路列車自動(dòng)控制信息的傳輸與以語音通信為主的調(diào)度通信統(tǒng)一納入同一個(gè)無線通信平臺(tái)。是一個(gè)功能完善、實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)一體化的先進(jìn)高效的通信系統(tǒng)。GSM-R能提供包括列車調(diào)度通信、貨運(yùn)調(diào)度通信、牽引變電調(diào)度通信、其他調(diào)度及專用通信、站場(chǎng)通信、應(yīng)急通信、施工養(yǎng)護(hù)通信和道口通信等功能。GSM-R能滿足列車運(yùn)行速度為0-500km/小時(shí)的無線通信要求，安全性好。GSM-R通信系統(tǒng)由六個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：交換子系統(tǒng)（SSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）、運(yùn)行與維護(hù)子系統(tǒng)（OMC）、通用分組無線業(yè)務(wù)子系統(tǒng)（GPRS）、終端子系統(tǒng)及移動(dòng)智能網(wǎng)子系統(tǒng)（IN）,并通過交換

5、子系統(tǒng)（SSS）中的網(wǎng)關(guān)移動(dòng)交換中心（GMSC）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，通過通用分組無線業(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。（見下圖）.cnnIW-MSKGSM-R通信系統(tǒng)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，和無人值守的環(huán)境要求。專門用于GSM

6、-R網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)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。下面為GSM-R的手機(jī)和車載臺(tái)：GSM-R系統(tǒng)可以在876960MHz整個(gè)頻率范圍內(nèi)工作，移動(dòng)站到基站（上行鏈路）為876880MHz,基站到移動(dòng)站（下行鏈路）為921925MHz。GSM-R系統(tǒng)選擇工作在900MHz頻帶的理

7、由是：適合500km/h高速移動(dòng)體的通信（最大多普勒頻移為415Hz）；抗電氣化鐵道電火花干擾（電火花的頻率多集中在400800MHz）；典型覆蓋距離約為510公里，對(duì)高速列車來說這是保證系統(tǒng)容量和服務(wù)質(zhì)量的最小范圍；更適于隧道內(nèi)通信（相對(duì)450MHz和1800MHz頻帶）。為了滿足鐵路對(duì)傳輸?shù)母呖煽啃?，覆蓋范圍、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)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方面，能夠有效利用現(xiàn)有資源。根據(jù)鐵路系統(tǒng)現(xiàn)有的機(jī)房條件，供電能力，傳輸條件等利用鐵路系統(tǒng)各個(gè)車站

8、臺(tái)考慮基站選址，便于維護(hù)，提供豐富的網(wǎng)絡(luò)覆蓋解決方案，滿足鐵路覆蓋需求。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。例如，沿鐵路線采用鏈狀覆蓋，車站及樞紐地區(qū)采用面狀覆蓋。由于GSM-R系統(tǒng)將完成無線列調(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)問題和故障另一套系統(tǒng)仍然可以保持正常的通信。下面為雙網(wǎng)覆蓋示意圖：GSM-R的電信業(yè)務(wù)是在GSM

9、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(FunctionalAddressing,FA)：便于固定(移動(dòng))用戶撥號(hào)呼叫列車上移動(dòng)用戶的一種方式?；谖恢玫膶ぶ?LocationDependentAddressing，LDA):便于列車上移動(dòng)用戶(如火車司機(jī))呼叫固定用戶(調(diào)度員)的一種方式。語音廣播服務(wù)(VoiceBroadcastService，VBS):VBS可用來在指定區(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，

10、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。語音組呼服務(wù)(VoiceGroupCallService，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)所有成員均可通過同一業(yè)務(wù)信道進(jìn)行接聽；該小組的成員也可通過按鍵講話(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)上行鏈路來提供通話服務(wù)。增強(qiáng)的多級(jí)優(yōu)先與強(qiáng)占權(quán)(EnhancedMulti-LevelPrecedenceandPre-emption,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)無論處于何種負(fù)載狀況下均能迅速建立呼叫。

11、如果在一個(gè)無線電小區(qū)發(fā)生擁塞(所有無線電頻率和業(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。GSM-R通常可以在一秒鐘內(nèi)立即提供緊急呼叫連接，而一般的GSM呼叫需要十秒鐘。每一個(gè)GSM-R用戶都會(huì)被分配優(yōu)先級(jí)，其中緊急事件的優(yōu)先級(jí)最高。緊急呼叫享有優(yōu)先權(quán)，如果沒有其它可用的信道，緊急呼叫將搶占正在使用中的一般呼叫的信道。GSM-R通信系統(tǒng)是專為鐵路設(shè)計(jì)，并為鐵路服務(wù)的通信系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了如下功能：(1)、調(diào)度通信功能：調(diào)度通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)包括列車調(diào)度通信、貨運(yùn)調(diào)度通信、牽引變電調(diào)度通信、其他調(diào)度及專用通信、站場(chǎng)通信、應(yīng)急通信、施工養(yǎng)護(hù)通信和道口通信等。(2)、

12、車次號(hào)傳輸與列車停穩(wěn)信息的傳送功能：車次號(hào)傳輸與列車停穩(wěn)信息對(duì)鐵路運(yùn)輸管理和行車安全具有重要的意義，它可通過基于GSM-R電路交換技術(shù)的數(shù)據(jù)采集傳輸應(yīng)用系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，也可以采用GPRS方式來實(shí)現(xiàn)。(3)、調(diào)度命令傳送功能：鐵路調(diào)度命令是調(diào)度所里的調(diào)度員向司機(jī)下達(dá)的書面命令，它是列車行車安全的重要保障。采用GSM-R系統(tǒng)傳輸通道傳輸調(diào)度命令無疑將加速調(diào)度命令的傳遞過程，提高工作效率。(4)、列車尾部裝置信息傳送功能：將尾部風(fēng)壓數(shù)據(jù)反饋傳輸通道納入GSM-R通信系統(tǒng)，可以方便地解決尾部風(fēng)壓數(shù)據(jù)傳輸問題。(5)、調(diào)車機(jī)車信號(hào)和監(jiān)控信息系統(tǒng)傳輸功能：提供調(diào)車機(jī)車信號(hào)和監(jiān)控信息傳輸通道，實(shí)現(xiàn)地面設(shè)

13、備和多臺(tái)車載設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸，并能夠存儲(chǔ)進(jìn)入和退出調(diào)車模式的有關(guān)信息。(6)、列車控制數(shù)據(jù)傳輸功能：采用GSM-R通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車地間雙向無線數(shù)據(jù)傳輸，提供車地之間雙向安全數(shù)據(jù)傳輸通道。(7)、區(qū)間移動(dòng)公務(wù)通信：在區(qū)間工作的水電、工務(wù)、信號(hào)、通信、供電、橋梁守護(hù)等部門內(nèi)部的通信，均可以使用GSM-R手機(jī)，工作人員在需要時(shí)可與車站值班員、各部門調(diào)度員或自動(dòng)電話用戶聯(lián)系。緊急情況下，工作人員還可以呼叫司機(jī)，與司機(jī)建立通話聯(lián)絡(luò)。(8)、應(yīng)急指揮通信話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：應(yīng)急通信系統(tǒng)是當(dāng)發(fā)生自然災(zāi)害或突發(fā)事件等影響鐵路運(yùn)輸?shù)木o急情況時(shí)，在突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)與救援中心之間，以及現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部采用GSM-R通信系統(tǒng)，建立語音

14、、圖像、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。GSM-R通信技術(shù)1992年起源于歐洲，全球第一個(gè)GSM-R網(wǎng)絡(luò)于1999年在瑞典建成并投入使用，GSM-R無線通信系統(tǒng)目前在西方許多發(fā)達(dá)國(guó)家如瑞士、德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、西班牙、美國(guó)等國(guó)的鐵路系統(tǒng)中得到了大量應(yīng)用。我國(guó)目前鐵路無線移動(dòng)通信主要以列車無線通信系統(tǒng)為主(即無線列調(diào))，這一系統(tǒng)屬于單信道模擬通信系統(tǒng)。這種通信系統(tǒng)所提供的業(yè)務(wù)和功能與現(xiàn)代化鐵路運(yùn)輸需要之間存在一定差距：鐵路工種繁多，各部門無線移動(dòng)通信自成體系，不能互聯(lián)互通；模擬無線列調(diào)不能滿足新一代基于通信的列車控制系統(tǒng)對(duì)車地間傳輸通道的要求，己經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代鐵路運(yùn)輸?shù)男枰?。為順?yīng)鐵路系統(tǒng)發(fā)展需求，我國(guó)從20世紀(jì)80

15、年代末就開始不斷地研究和探索能夠滿足鐵路運(yùn)輸需要的無線通信功能的通信系統(tǒng)，鐵道部計(jì)劃用幾年時(shí)間，在全國(guó)鐵路系統(tǒng)中逐步建立起一套符合我國(guó)鐵路發(fā)展需求的數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。由于GSM-R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，是最適合我國(guó)鐵路建設(shè)的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。所以，鐵道部2000年底正式確定將GSM-R作為我國(guó)鐵路專用通信的發(fā)展方向。現(xiàn)在，我國(guó)已在青藏線、大秦線、還有膠濟(jì)線使用了GSM-R通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了列車的安全運(yùn)行，建立了車內(nèi)和鐵路控制中央系統(tǒng)，并且和緊急救助部門實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)。按照鐵道部鐵路建設(shè)跨越式發(fā)展的需要，在2010年以前，中國(guó)鐵路將力爭(zhēng)建成覆蓋全路70

16、余條鐵路線的GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)。因此，GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)將成為今后我國(guó)鐵路移動(dòng)通信嶄新的通信方式。我國(guó)的GSM-R通信系統(tǒng)主要由NSS（網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)，包括MSC、HLR、UC、VLR、GCR等）、BSS（基站子系統(tǒng)，包括BSC、BTS）、OSS（運(yùn)行支持子系統(tǒng)）、FAS（固定接入交換機(jī)）、調(diào)度臺(tái)、車站臺(tái)、CIR（機(jī)車綜合通信設(shè)備）、OPH（手持操作臺(tái)）及其他固定終端等構(gòu)成。我國(guó)GSM-R通信系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)如下：話音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)呼叫、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的緊急呼叫、廣播呼叫、組呼叫、鐵路緊急呼叫、多方通話、短消息等業(yè)務(wù)；調(diào)度功能業(yè)務(wù)，包括增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)與強(qiáng)拆（EMLPP）業(yè)務(wù)、語音廣播呼叫

17、業(yè)務(wù)（VBS）、語音組呼業(yè)務(wù)（VGCS）；鐵路特定業(yè)務(wù)，包括功能尋址、基于位置的尋址、鐵路緊急呼叫、調(diào)車作業(yè)、多駕駛員通信等業(yè)務(wù)。既有鐵路無線通信系統(tǒng)主要是為話音通信設(shè)計(jì)的，而GSM-R是一種基于目前世界上最成熟、最通用的公共無線通信系統(tǒng)SM平臺(tái)上的、專門為滿足鐵路應(yīng)用而開發(fā)的數(shù)字式的無線通信系統(tǒng)，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)，為鐵路運(yùn)營(yíng)提供無線列調(diào)、編組調(diào)車通信、應(yīng)急通信、養(yǎng)護(hù)維修組通信等語音通信功能及大量附加功能的一種經(jīng)濟(jì)高效的綜合無線通信系統(tǒng)隨。著鐵路信息化水平的不斷提高，語音和數(shù)據(jù)通信在鐵路安全與效率方面的角色也變得日益重要，GSM-R系統(tǒng)將無線調(diào)度通信和列車自動(dòng)控制信息傳輸集成在同一個(gè)系統(tǒng)里，無疑是節(jié)省投資、提高通信系統(tǒng)使用效率的一種途徑。采用GSM-R通信系統(tǒng)將為列車的安全運(yùn)行提供必要的條件，建立列車和鐵路控制中央系統(tǒng)的通信，更好地為鐵路運(yùn)輸服務(wù)。由于我國(guó)國(guó)土遼闊，鐵路網(wǎng)密布，鐵路長(zhǎng)期以來在交通運(yùn)輸體系中發(fā)揮著骨干作用；鐵路在平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)均承擔(dān)著繁重的軍事運(yùn)輸任務(wù)；我國(guó)主要的城市群或城市密集帶，都分布在鐵路主要干線。鐵路沿線的城市、車站、橋梁、重要的編組場(chǎng)、油料庫、兵站等必將成為戰(zhàn)時(shí)敵方重點(diǎn)空襲的重要目標(biāo)，同時(shí)也都是國(guó)家重點(diǎn)人防城市所在地和人防部門的重要防護(hù)目標(biāo)所在地。為了