试论GSM-R网络系统在铁路无线通信系统中的运用和发展

2013-09-15林周让

中国新技术新产品 2013年8期

林周让

（西安铁路局黄韩侯铁路工程指挥部，陕西西安 710054）

1 GSM-R的特点

GSM-R沿轨道方向设定天线，形成椭圆状的小蜂区，覆盖轨道两侧100-200m的范围。在车站地区，通信量大，但速度要求低，多采用扇形覆盖方式。这种铁路专用通信网具有数字移动通信和与位置无关的接续功能。它采用了较高的冗余技术和可靠性技术，移动话务呼叫的时间不超过2s，是普通移动电话的一半。通信蜂区覆盖铁路沿线和车站，每个蜂区有一个或多个用于传输和接受数据的基站，一个基站响应几个蜂区的访问。

1.1 与传统的无线列调比较

1.1.1 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

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）系统功能方面：功能单一，不具备网络能力

所有容量有限，话音、数据业务争抢信道，传输可靠性低，数据传输能力差。移动终端对讲距离受限，邻站交界区易发生业务中断。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。

（3）频率资源方面：浪费严重，不能有效利用

原有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。目前，国内部分重点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。

（4）干扰严重，保密性差

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，造成各种信号的相互干扰。目前，在枢纽车站设置多套车站电台，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。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。

1.1.2 GSM-R系统的优势

（1）GSM-R是一个比较完善的、综合业务的铁路数字移动通信平台。它可以囊括目前各种无线通信系统业务，包括无线列调、平面调车以及各部门各工种的对讲机通信系统，提供列车调度、编组场调车、区间维修、工程施工、应急抢险以及普通话音（即公务通信）等需要的移动通信功能；可以取代传统的电缆加通话柱的区间通信方式，能够给铁路运输指挥带来更多的好处、提供更多的先进功能，满足铁路运输生产各种基本要求；另外由于其组网方式和系统功能，完全具备了目前的有线调度通信系统功能；特别是GSM-R还满足了列车高速运行时的传输列控信息的任务。

（2）列车无线调度电话是为列车调度员、车站值班员指挥列车运行而设置的专用电话。根据《铁路技术管理规程》规定，系统用户包括列车调度员、机车调度员、车站值班员、助理值班员、机车司机等。传统的无线列调由于技术限制已经越来越不能满足运输需要了。GSM-R以其丰富的功能，不但完全具有传统的业务和功能，还在功能和性能各方面比原有基础上又有了大大的提升。GSM-R能够在一个综合平台上提供丰富的综合调度通信业务，尤其能够为列车控制提供无线数据传输。GSM-R不是无线列调的简单升级，而是具有强大调度功能的、综合业务的铁路数字移动通信平台，是铁路现代化和信息化必不可少的基础设施。

1.2 GSM-R 结构组成

图1 GSM-R系统结构图

图2 GSM-R位置示意图

GSM-R系统包括网络子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、运行与管理子系统（OSS）和移动终端设备等4部分。其中网络子系统包括移动交换子系统（SSS）、移动智能网子系统（IN）和通用分组无线业务子系统（GPRS），是GSM-R系统的核心组成部分。

1.3 利用GPRS解决了铁路运输对数据业务的要求

1.3.1 GPRS（通用分组无线业务）在GSM-R网络中的重要作用是高效、低成本、资源配置灵活，特别适用于间断、突发性、频繁、数据量小的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。将GPRS分组交换模式引入到GSM-R网络中，GSM-R在数据传输上产生了由电路交换到分组交换的质的飞跃，数据传输速率从原来的9.6kb/s提高到最大传输速率171.2kb/s（理论上）。GPRS方式的数据传输链路，可以为铁路运输行车指挥提供数据通信业务，包括列车控制系统信息传输、机车同步控制信息传输、调度命令传输、调车无线机车信号和监控信息传输、无线车次号传输、进站停稳信息及接车进路信息的传输等数据通信业务。

1.3.2 在高铁CTCS-3级模式下车载设备通过GSM-R无线通信GPRS子系统向RBC发送司机选择输入和确认的数据（如车次号）、列车固有性质数据（列车类型、列车最大允许速度、牵引类型等），车载设备在RBC的注册、注销信息，定期向RBC报告列车位置、列车速度、列车状态（正常时）和车载设备故障类型（非正常时）信息，列车限制性信息以及文本信息等。

2 GSM-R在铁路运输中的作用

2.1 实现运输指挥调度系统的语音及数据传送

GSM-R系统具有功能号呼叫、语音广播和组呼业务、基于列车位置寻址等高级语音呼叫功能，不仅可以替代目前各种无线通信系统，实现列车调度、区间维修、工程施工、应急抢险等移动通信功能，还可以取代传统的电缆加通话柱的区间通信方式，能够给铁路运输指挥提供更多的先进通信功能。

2.2 为现代信号控制技术提供强有力的通信支持

传统的功能单一、控制分散、独立运行的信号控制技术，正向数字化、智能化、网络化和综合化方向发展。以新一代分散自律调度集中（CTC）和列车控制系统（CTCS）为代表的现代化信号控制技术，是中国铁路提高装备水平、确保行车安全和实现铁路跨越式发展的重要内容。这些技术都将基于移动通信技术平台实现。GSM-R系统承担地面控制中心和移动机车之间车次号、列车位置及完整性信息、列车速度信息等控车信息的传输任务。

3 GSM-R的主要业务功能

3.1 语音组呼业务

为适应专用移动通信网的要求，在GSM-R中引入了组呼业务，允许一种由多方参加（GSM-R移动台或固定电话），一人讲话、多方聆听的语音通信方式，工作于半双工模式下。语音组呼业务突破了GSM网络点对点通信的局限性，能够以简捷的方式建立组呼叫，实现调度指挥、紧急通信等特定功能，尤其适用于铁路的行车指挥调度部门，用以完成一点对多点的组呼业务和群呼业务。

3.2 语音广播呼叫业务

允许-个业务用户，将话音或其他用话音编码传输的信号发送到某一个预先定义的地理区域内的所有用户或者用户组。同语音组呼业务一样，语音广播呼叫也提供了一点对多点呼叫的能力，适用于铁路的行车调度。

3.3 增强多优先级与强拆业务

GSM-R还具有增强多优先级与强拆功能，规定了在呼叫建立或越区切换时呼叫接续的不同优先级，以及资源不足时的资源抢占能力。这种业务为满足铁路对于某些类型通信的高性能要求，保证高等级呼叫或紧急呼叫快速可靠地建立，提供了一种强制能力，符合无线列车调度通信的特点。

3.4 其它功能

3.4.1 车控制系统（Train Control System，TCS）：是以GSM-R作为传输手段的列车自动防护/列车自动控制系统，甚至可以实现列车自动操作（驾驶）。

3.4.2 铁路维护通信：利用GSM-R建立铁路沿线维护人员的业务联络通信（新的路边电话和隧道电话），并能够根据维护人员的职能和所在的场所很快地确定他们的位置。

3.4.3 列车诊断：如果列车发生故障，诊断数据将通过GSM-R传输到下一个维修中心。使维修站能够及时为维修做好相关准备，因而大大缩短维修时间。

3.4.4 旅客服务：包括列车时刻信息、在线售票（订座）服务。基于列车自动控制和GSM-R的列车时刻信息服务，能够随时为旅客和乘客提供列车的动态位置和时刻信息；基于GSM-R连接的售票机可提供在线售票（订座）服务。

3.4.5 货运跟踪服务：利用一个带有GPS接收器的简单GSM模块，可指示该货车（集装箱）的精确位置，可实时掌握所运货物的确切位置，并可将这一数据发送给其客户。

4 GSM-R系统技术发展方向

GSM-R平台实现机车同步操作控制系统、列车控制系统CTC3/CTC4的安全信息传输，替代无线列调，建立有无线融合的调度通信，实现列车尾部风压的信息传送；在旅客列车上、机车上实现移动信息综合接入系统，满足车、机、工、电、辆、运输、服务等的需要；在编组站、动车所、大型车站等建立移动信息综合服务系统，满足自动控制、调度指挥、移动作业、电子商务等的需求；逐步取代区间话柱，提供区间移动和公务移动通信的手段。前期的发展，主要是将GSM-R网络引入中国铁路并与中国铁路的实际相结合，配套国内自主研究开发成果，实现中国铁路特有的应用。现阶段的建设为中国铁路的全部推广应用积累了丰富的经验。后期主要将加快核心网建设、无线电资源建设、GSM-R与3G的发展关系、进一步探索GPRS在铁路中的应用。

4.1 加快建成核心网

GSM-R是一个基于交换技术的通信网络，与分散设置、直接对讲无线通信有很大区别。GSM-R网络的交换机、智能网等许多设备，不仅仅属于某一段专用，而是许多线路、甚至全网共用。因此，必须统筹合理安排核心网交换机的建设，统一规划，分层次、分阶段进行，进一步优化系统资源配置，降低工程总体造价。

4.2 管好用好无线电频率资源

GSM-R频率带宽目前只有4MHz，相对于铁路需求而言，无线频率资源是非常紧张的。我们必须合理规划，严格高效地利用有限的频率资源，以保证GSM-R系统不受到干扰，保证通信的高安全性。无线电管理包括两个面：GSM-R系统内部无线电规划管理和GSM-R系统外部无线电干扰的监测和处理。而GSM-R系统外部干扰中最为突出的问题是与中国移动按地域复用频率资源的边界场强协调及干扰协调工作。

4.3 GSM-R与3G的关系

GSM-R能够满足铁路应用的可靠性、可用性、可维护性和安全的苛刻要求，目前3G规范中还未考虑铁路特色业务，其应用在国内也未开着。但是，GSM-R与固定通信网（PSTN、PDN、IP、卫星）的发展是紧密关联的，与先进的网络技术（软交换、智能网、全光技术）是同步发展的，与3G移动通信有着良好的后向兼容性。

4.4 继续探索GPRS在铁路中的应用

GPRS是一项以分组交换技术为基础的高速数据处理技术，由于其资源利用率高、突发速度高等特性，在铁路上引入GPRS可提高GSM-R系统的容量，满足工作非安全数据传输的需求。目前，已经利用GPRS网络传送调度命令和车次号信箱，对于GPRS业务的发展和应用还需要进一步结合铁路的特点，发展其优势。

5 采取多种措施高质量的建成包西线（陕西段）GSM-R网络系统

包西铁路（陕西段）线路相对较长，北起陕西、内蒙古交界，南至侯西线的张桥车站，纵贯西安、渭南、延安、榆林四个城市的18个区县，其中有隧道94座，特大桥70座，周边多为山区，相对网络建设比较复杂，网络规划、网络优化难度较大。

5.1 基站覆盖规划

良好的信号覆盖有利于提高网络性能和抵御网外干扰。在一定的网络投资、一定数量的基站设备的条件下，合理的布置基站站址，可以更好的提高基站信号的覆盖场强，从而提升网络性能。

5.1.1 依据设计方案，综合诺西基站设备参数确认方案的合理性和安全性，需要进行基站的现场勘测工作，基站勘测从无线的角度出发，现场确认和评估站址的合理性，确认基站的塔高、天线的俯仰角和方位角，评估无线信号场强的覆盖，现场确认设计方案等等，如果发现问题，结合现场情况修改方案，解决问题，提升网络的质量，降低风险。同时在基站勘测是也会对工程安装方面的条件进行确认，提出合理方案，这样以便于在后期的安装、调试过程中避免出现问题，加快通信工程建设。

5.1.2 现场勘查工作结束后，再次对基站的站址、站高、天线方向、天线俯仰角等信息进行比对，使用网络规划攻击导入数据，进行工具的参数设置并覆盖仿真，覆盖仿真后对全网进行频率分配、相邻关系分配并分配BCC等参数。并对全网频率作网内频率干扰仿真，对于存在干扰的地方，或者C/I不达标的地方，进行频率修改或天线调整。仿真频率干扰，提前解决网内频率干扰问题，最终提交网络规划报告。发现覆盖问题提出解决方案。

5.2 网络优化

GSM-R网络的服务质量（QoS）测试和性能保证服务是网络优化服务的一种，它是针对GSM-R网络系统工程后，对GSM-R网络进行覆盖改进、业务服务质量测试和性能保障为目的的网络优化活动，保障GSMR网络高质量运行和正常使用。通过网络优化使得达到铁道部所要求的验收标准。

5.2.1 GSM-R无线场强覆盖调整

（1）电磁环境测试。通过场强测试对铁路沿线电磁环境进行检测，对发现外部运营商电磁干扰，协调无线电管理委员会清除外来干扰，保障铁路专网电磁环境质量达标。

（2）无线场强覆盖测试。通过对GSM-R网络现场的测试，收集GSM-R铁路沿线无线信号电平和无线场强质量的现场覆盖数据。

（3）无线场强覆盖分析及调整。分析无线场强覆盖质量对发现问题的无线覆盖进行硬件（天馈系统）调整或者参数的调整。在测试前期主要是天馈系统的调整，中后期主要对参数进行调整已达到标准要求。

（4）无线场强覆盖调整的验证。通过以上调整等情况，再次对覆盖质量进行测试验证。

5.2.2 GSM-R网络语音业务服务质量测试和优化

（1）语音业务服务质量测试。现场语音业务服务质量的测试和数据收集。

（2）网络参数检查和调整。对BSS无线控制参数的分析和调整。

（3）语音业务服务质量分析和改进。语音业务服务质量的综合分析和优化建议。

5.3 GPRS业务性能服务质量测试和优化

5.3.1 GPRS业务服务质量测试

现场通过大量GPRS基础数据服务质量的测试和数据收集。

5.3.2 GPRS网络参数优化

通过现场实测并大量采集数据，对GPRS控制参数进行分析和调整。

5.3.3 GPRS业务服务质量性能分析

GPRS业务性能服务质量的综合分析和性能优化。

5.4 测试仪表

网优测试期间结合厂家及铁科研利用多套专业测试仪表进行测试，测试现场所采集的数据当天进行分析，在第二天开始测试前施工单位完成天馈系统的调整，厂家完成数据参数的调整。保障第二天的测试，同时可以验证调整完成后的效果。

采用一体化测试仪表，可支持所有的GSM-R/GPRS/GMS功能测试。采用高速以太网接口GSM-R扫频，每秒可测试多达1000个信道以及每秒采集10万个样本读数。

5.5 顺利地实施并优化了包西线与郑西客专跨BSC切换

郑西客专GSM-R工程，早于包西线两年运营。包西线GSM-R按照设计由北向南终止于何寨基站，何寨至西安区段将不设计包西线GSM-R网络覆盖，此段网络由既有郑西客专覆盖。在设计之初就考虑到包西线何寨基站要与郑西客专基站间存在跨BSC切换以满足列车的正常行驶。

5.5.1 并线区段

西安-窑村区段（陇海线）：GSM-R网络采用单层网络覆盖。

郑西客运专线：GSM-R网络采用交织单网覆盖方案。

包西线在西安-窑村区段（陇海线）经窑村联络线到达临潼东，在临潼东<->WNBLTD06区段是何寨至临潼东客专联络线与郑西客专线路并行，该段GSM-R无线网络覆盖利用郑西客专既有基站实现。

5.5.2 分岔区段

包西线何寨车站基站和郑西客专区间WNB-LTD04、WNB-LTD05、LNB-LTD06 基站构成相邻小区，这些基站中的某些基站需要与何寨基站在区间完成跨BSC切换。何寨车站基站距WNB-LTD04基站4公里，距WNB-LTD05基站3公里，WNB-LTD06基站6公里（如图2）。

其中，WNB-LTD05、WNB-LTD06、Lin－TongDong基站采用载波瓣30°天线。

（1）通过前期仿真、优化，为减少何寨车站对郑西客专的影响，将何寨车站天线改为载波瓣30°18.5dBi，并将上行天线下倾角调整为 4°，下线调整为 6°。

（2）为了不影响郑西客专的正常运行及影响，利用网上的郑西客专天窗点在何寨至WNB-LTD06、WNB-LTD06 至WNB-LTD02区间分别对各个基站的场强进行测试，采集所有场强及覆盖测试记录数据。并合理调整天线俯仰角、方位角、BSC数据参数，达到最为理想的效果。

通过以上测试、分析，使WNB-LTD04、WNB-LTD05、WNB-LTD06 与何寨两天线的基站完成平滑切换，并将数据分别写入对应的BSC中。同时通过测试WNB-LTD04基站在包西线的场强值在-65dBm以上，与何寨基站行成覆盖，在BSC中添加何寨<->WNB-LTD04之间的相邻关系,从而与各种相邻的下一个小区覆盖形成重叠区,满足切换的需要。

（3）经过测试及大量数据分析，并在天窗点内利试验车进行多次往返测试，测试结果完全符合郑西客专的要求，从而确保在切换区段完全实现平滑切换。

6 GSM-R 新业务的应用

6.1 智能网系统

基于智能网实现业务具有快速、有效、经济、灵活等特点。GSM-R智能网主要用来实现铁路特定业务，同时，能够解决多厂家设备组网环境下业务互联互通的问题。根据互联互通需要，同时考虑今后业务的发展，我国GSM-R智能网基于CAMEL3技术标准。该规范应根据3GPP和国内相关行业规范，结合我国铁路实际需求，从系统构成、业务技术要求及信令流程、服务质量要求、管理和维护、软件要求、主要设备技术要求等方面做出具体的规定。

6.2 感应通信的特色

从感应通信的传播过程来说，它既具有移动无线通信的灵活性，又具有有线传输的特性，通过选择适当的频率和耦合空间，减少耦合衰耗，经波导线的引导传输，解决了山区、隧道内、井下等弱电场问题，保证了在这些地区建立可靠的移动通信。感应通信虽然不是最先进的移动通信技术，但有它独特的优点。我国现采用接触网导线做波导线的铁路感应通信比漏泄电缆方式（LCX方式）和国外的感应通信方式（IR方式）相比较，具有投资少、施工快、操作简单、维修方便、效果好，符合我国路情、国情的特点。尽管这种方式必须依靠电气化铁路的接触网设备才能进行传输，有一定的局限性，但在目前为止，它在我国某些区段铁路的使用中为提高运输效率，保证行车安全，发挥了很大的作用，从而为解决山区电气化铁路无线通信建立了一种新制式。