試論GSM-R網絡系統在鐵路無線通信系統中的運用和發展

林周讓

（西安鐵路局黃韓侯鐵路工程指揮部，陜西 西安 710054）

1 GSM-R的特點

GSM-R沿軌道方向設定天線，形成橢圓狀的小蜂區，覆蓋軌道兩側100-200m的范圍。在車站地區，通信量大，但速度要求低，多采用扇形覆蓋方式。這種鐵路專用通信網具有數字移動通信和與位置無關的接續功能。它采用了較高的冗余技術和可靠性技術，移動話務呼叫的時間不超過2s，是普通移動電話的一半。通信蜂區覆蓋鐵路沿線和車站，每個蜂區有一個或多個用于傳輸和接受數據的基站，一個基站響應幾個蜂區的訪問。

1.1 與傳統的無線列調比較

1.1.1 現有鐵路無線通信系統存在許多問題

（1）投資方面：系統分散建設，投資浪費

各分散系統主要有：無線列調、站場調車、客運、貨運、列檢、商檢、車號、公務維修、公安等。功能主要為語音業務，少量數據業務。這些系統均為自行投資建設、獨立使用、分散維護，造成設備型號各異，種類繁多，相互間無法互通，維護運營成本較高。

（2）系統功能方面：功能單一，不具備網絡能力

所有容量有限，話音、數據業務爭搶信道，傳輸可靠性低，數據傳輸能力差。移動終端對講距離受限，鄰站交界區易發生業務中斷。 鐵路各個無線通信系統分散，不能聯合組網，使得各系統之間用戶無法進行聯絡。鐵路無線、有線調度網基本獨立，無法形成有機融合的整體。

（3）頻率資源方面：浪費嚴重，不能有效利用

原有鐵路無線通信系統主要使用450M頻段，共58對頻點，固定分配給了無線列調、站調、公安等無線系統使用，各個部門間不能相互共享，造成頻率資源的極大浪費。目前，國內部分重點樞紐等地已無頻點可供申請使用。既有無線通信系統采用頻點（信道）固定分配的方式，信道長期指配給某一系統（通常按專業劃分）用戶使用，當一個信道遇忙時，其它用戶只能等待，往往造成該信道上的用戶爭搶或者出現阻塞，通信質量得不到保證；而信道空閑時，別的系統用戶也并不能利用該信道進行通信。這無疑是對頻率資源的一種浪費，也制約了用戶數量的進一步發展。

（4）干擾嚴重，保密性差

樞紐站往往是多條線路的交匯處，通話的無序性，使各個機車臺終端會對無線列調信道進行爭搶，造成各種信號的相互干擾。目前，在樞紐車站設置多套車站電臺，其中部分車站臺使用同頻工作，這些電臺在車站附近形成一個大范圍內的同頻干擾，降低了車站值班員的行車指揮效率。無線列調系統是開放系統，并未做任何鑒權加密處理，對用戶無需進行身份識別，只要無線終端用戶頻點和調制方式與無線列調相同，便可以加入到無線列調系統內的通信。因此，話音業務可以被接收或竊聽，給行車安全帶來極大的隱患。此外，公安系統對保密性的要求也很高，現有系統無法達到。

1.1.2 GSM-R系統的優勢

（1）GSM-R是一個比較完善的、綜合業務的鐵路數字移動通信平臺。它可以囊括目前各種無線通信系統業務，包括無線列調、平面調車以及各部門各工種的對講機通信系統，提供列車調度、編組場調車、區間維修、工程施工、應急搶險以及普通話音（即公務通信）等需要的移動通信功能；可以取代傳統的電纜加通話柱的區間通信方式，能夠給鐵路運輸指揮帶來更多的好處、提供更多的先進功能，滿足鐵路運輸生產各種基本要求；另外由于其組網方式和系統功能，完全具備了目前的有線調度通信系統功能；特別是GSM-R還滿足了列車高速運行時的傳輸列控信息的任務。

（2）列車無線調度電話是為列車調度員、車站值班員指揮列車運行而設置的專用電話。根據《鐵路技術管理規程》規定，系統用戶包括列車調度員、機車調度員、車站值班員、助理值班員、機車司機等。傳統的無線列調由于技術限制已經越來越不能滿足運輸需要了。GSM-R以其豐富的功能，不但完全具有傳統的業務和功能，還在功能和性能各方面比原有基礎上又有了大大的提升。GSM-R能夠在一個綜合平臺上提供豐富的綜合調度通信業務，尤其能夠為列車控制提供無線數據傳輸。GSM-R不是無線列調的簡單升級，而是具有強大調度功能的、綜合業務的鐵路數字移動通信平臺，是鐵路現代化和信息化必不可少的基礎設施。

1.2 GSM-R 結構組成

圖1 GSM-R系統結構圖

圖2 GSM-R位置示意圖

GSM-R系統包括網絡子系統（NSS）、基站子系統（BSS）、運行與管理子系統（OSS）和移動終端設備等4部分。其中網絡子系統包括移動交換子系統（SSS）、移動智能網子系統（IN）和通用分組無線業務子系統（GPRS），是GSM-R系統的核心組成部分。

1.3 利用GPRS解決了鐵路運輸對數據業務的要求

1.3.1 GPRS（通用分組無線業務）在GSM-R網絡中的重要作用是高效、低成本、資源配置靈活，特別適用于間斷、突發性、頻繁、數據量小的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。將GPRS分組交換模式引入到GSM-R網絡中，GSM-R在數據傳輸上產生了由電路交換到分組交換的質的飛躍，數據傳輸速率從原來的9.6kb/s提高到最大傳輸速率171.2kb/s（理論上）。GPRS方式的數據傳輸鏈路，可以為鐵路運輸行車指揮提供數據通信業務，包括列車控制系統信息傳輸、機車同步控制信息傳輸、調度命令傳輸、調車無線機車信號和監控信息傳輸、無線車次號傳輸、進站停穩信息及接車進路信息的傳輸等數據通信業務。

1.3.2 在高鐵CTCS-3級模式下車載設備通過GSM-R無線通信GPRS子系統向RBC發送司機選擇輸入和確認的數據（如車次號）、列車固有性質數據（列車類型、列車最大允許速度、牽引類型等），車載設備在RBC的注冊、注銷信息，定期向RBC報告列車位置、列車速度、列車狀態（正常時）和車載設備故障類型（非正常時）信息，列車限制性信息以及文本信息等。

2 GSM-R在鐵路運輸中的作用

2.1 實現運輸指揮調度系統的語音及數據傳送

GSM-R系統具有功能號呼叫、語音廣播和組呼業務、基于列車位置尋址等高級語音呼叫功能，不僅可以替代目前各種無線通信系統，實現列車調度、區間維修、工程施工、應急搶險等移動通信功能，還可以取代傳統的電纜加通話柱的區間通信方式，能夠給鐵路運輸指揮提供更多的先進通信功能。

2.2 為現代信號控制技術提供強有力的通信支持

傳統的功能單一、控制分散、獨立運行的信號控制技術，正向數字化、智能化、網絡化和綜合化方向發展。以新一代分散自律調度集中（CTC）和列車控制系統（CTCS）為代表的現代化信號控制技術，是中國鐵路提高裝備水平、確保行車安全和實現鐵路跨越式發展的重要內容。這些技術都將基于移動通信技術平臺實現。GSM-R系統承擔地面控制中心和移動機車之間車次號、列車位置及完整性信息、列車速度信息等控車信息的傳輸任務。

3 GSM-R的主要業務功能

3.1 語音組呼業務

為適應專用移動通信網的要求，在GSM-R中引入了組呼業務，允許一種由多方參加（GSM-R移動臺或固定電話），一人講話、多方聆聽的語音通信方式，工作于半雙工模式下。語音組呼業務突破了GSM網絡點對點通信的局限性，能夠以簡捷的方式建立組呼叫，實現調度指揮、緊急通信等特定功能，尤其適用于鐵路的行車指揮調度部門，用以完成一點對多點的組呼業務和群呼業務。

3.2 語音廣播呼叫業務

允許-個業務用戶，將話音或其他用話音編碼傳輸的信號發送到某一個預先定義的地理區域內的所有用戶或者用戶組。同語音組呼業務一樣，語音廣播呼叫也提供了一點對多點呼叫的能力，適用于鐵路的行車調度。

3.3 增強多優先級與強拆業務

GSM-R還具有增強多優先級與強拆功能，規定了在呼叫建立或越區切換時呼叫接續的不同優先級，以及資源不足時的資源搶占能力。這種業務為滿足鐵路對于某些類型通信的高性能要求，保證高等級呼叫或緊急呼叫快速可靠地建立，提供了一種強制能力，符合無線列車調度通信的特點。

3.4 其它功能

3.4.1 車控制系統（Train Control System，TCS）：是以GSM-R作為傳輸手段的列車自動防護/列車自動控制系統，甚至可以實現列車自動操作（駕駛）。

3.4.2 鐵路維護通信：利用GSM-R建立鐵路沿線維護人員的業務聯絡通信（新的路邊電話和隧道電話），并能夠根據維護人員的職能和所在的場所很快地確定他們的位置。

3.4.3 列車診斷：如果列車發生故障，診斷數據將通過GSM-R傳輸到下一個維修中心。使維修站能夠及時為維修做好相關準備，因而大大縮短維修時間。

3.4.4 旅客服務：包括列車時刻信息、在線售票（訂座）服務。基于列車自動控制和GSM-R的列車時刻信息服務，能夠隨時為旅客和乘客提供列車的動態位置和時刻信息；基于GSM-R連接的售票機可提供在線售票（訂座）服務。

3.4.5 貨運跟蹤服務：利用一個帶有GPS接收器的簡單GSM模塊，可指示該貨車（集裝箱）的精確位置，可實時掌握所運貨物的確切位置，并可將這一數據發送給其客戶。

4 GSM-R系統技術發展方向

GSM-R平臺實現機車同步操作控制系統、列車控制系統CTC3/CTC4的安全信息傳輸，替代無線列調，建立有無線融合的調度通信，實現列車尾部風壓的信息傳送；在旅客列車上、機車上實現移動信息綜合接入系統，滿足車、機、工、電、輛、運輸、服務等的需要；在編組站、動車所、大型車站等建立移動信息綜合服務系統，滿足自動控制、調度指揮、移動作業、電子商務等的需求；逐步取代區間話柱，提供區間移動和公務移動通信的手段。前期的發展，主要是將GSM-R網絡引入中國鐵路并與中國鐵路的實際相結合，配套國內自主研究開發成果，實現中國鐵路特有的應用。現階段的建設為中國鐵路的全部推廣應用積累了豐富的經驗。后期主要將加快核心網建設、無線電資源建設、GSM-R與3G的發展關系、進一步探索GPRS在鐵路中的應用。

4.1 加快建成核心網

GSM-R是一個基于交換技術的通信網絡，與分散設置、直接對講無線通信有很大區別。GSM-R網絡的交換機、智能網等許多設備，不僅僅屬于某一段專用，而是許多線路、甚至全網共用。因此，必須統籌合理安排核心網交換機的建設，統一規劃，分層次、分階段進行，進一步優化系統資源配置，降低工程總體造價。

4.2 管好用好無線電頻率資源

GSM-R頻率帶寬目前只有4MHz，相對于鐵路需求而言，無線頻率資源是非常緊張的。我們必須合理規劃，嚴格高效地利用有限的頻率資源，以保證GSM-R系統不受到干擾，保證通信的高安全性。無線電管理包括兩個面：GSM-R系統內部無線電規劃管理和GSM-R系統外部無線電干擾的監測和處理。而GSM-R系統外部干擾中最為突出的問題是與中國移動按地域復用頻率資源的邊界場強協調及干擾協調工作。

4.3 GSM-R與3G的關系

GSM-R能夠滿足鐵路應用的可靠性、可用性、可維護性和安全的苛刻要求，目前3G規范中還未考慮鐵路特色業務，其應用在國內也未開著。但是，GSM-R與固定通信網（PSTN、PDN、IP、衛星）的發展是緊密關聯的，與先進的網絡技術（軟交換、智能網、全光技術）是同步發展的，與3G移動通信有著良好的后向兼容性。

4.4 繼續探索GPRS在鐵路中的應用

GPRS是一項以分組交換技術為基礎的高速數據處理技術，由于其資源利用率高、突發速度高等特性，在鐵路上引入GPRS可提高GSM-R系統的容量，滿足工作非安全數據傳輸的需求。目前，已經利用GPRS網絡傳送調度命令和車次號信箱，對于GPRS業務的發展和應用還需要進一步結合鐵路的特點，發展其優勢。

5 采取多種措施高質量的建成包西線（陜西段）GSM-R網絡系統

包西鐵路（陜西段）線路相對較長，北起陜西、內蒙古交界，南至侯西線的張橋車站，縱貫西安、渭南、延安、榆林四個城市的18個區縣，其中有隧道94座，特大橋70座，周邊多為山區，相對網絡建設比較復雜，網絡規劃、網絡優化難度較大。

5.1 基站覆蓋規劃

良好的信號覆蓋有利于提高網絡性能和抵御網外干擾。在一定的網絡投資、一定數量的基站設備的條件下，合理的布置基站站址，可以更好的提高基站信號的覆蓋場強，從而提升網絡性能。

5.1.1 依據設計方案，綜合諾西基站設備參數確認方案的合理性和安全性，需要進行基站的現場勘測工作，基站勘測從無線的角度出發，現場確認和評估站址的合理性，確認基站的塔高、天線的俯仰角和方位角，評估無線信號場強的覆蓋，現場確認設計方案等等，如果發現問題，結合現場情況修改方案，解決問題，提升網絡的質量，降低風險。同時在基站勘測是也會對工程安裝方面的條件進行確認，提出合理方案，這樣以便于在后期的安裝、調試過程中避免出現問題，加快通信工程建設。

5.1.2 現場勘查工作結束后，再次對基站的站址、站高、天線方向、天線俯仰角等信息進行比對，使用網絡規劃攻擊導入數據，進行工具的參數設置并覆蓋仿真，覆蓋仿真后對全網進行頻率分配、相鄰關系分配并分配BCC等參數。并對全網頻率作網內頻率干擾仿真，對于存在干擾的地方，或者C/I不達標的地方，進行頻率修改或天線調整。仿真頻率干擾，提前解決網內頻率干擾問題，最終提交網絡規劃報告。發現覆蓋問題提出解決方案。

5.2 網絡優化

GSM-R網絡的服務質量（QoS）測試和性能保證服務是網絡優化服務的一種，它是針對GSM-R網絡系統工程后，對GSM-R網絡進行覆蓋改進、業務服務質量測試和性能保障為目的的網絡優化活動，保障GSMR網絡高質量運行和正常使用。通過網絡優化使得達到鐵道部所要求的驗收標準。

5.2.1 GSM-R無線場強覆蓋調整

（1）電磁環境測試。通過場強測試對鐵路沿線電磁環境進行檢測，對發現外部運營商電磁干擾，協調無線電管理委員會清除外來干擾，保障鐵路專網電磁環境質量達標。

（2）無線場強覆蓋測試。通過對GSM-R網絡現場的測試，收集GSM-R鐵路沿線無線信號電平和無線場強質量的現場覆蓋數據。

（3）無線場強覆蓋分析及調整。分析無線場強覆蓋質量對發現問題的無線覆蓋進行硬件（天饋系統）調整或者參數的調整。在測試前期主要是天饋系統的調整，中后期主要對參數進行調整已達到標準要求。

（4）無線場強覆蓋調整的驗證。通過以上調整等情況，再次對覆蓋質量進行測試驗證。

5.2.2 GSM-R網絡語音業務服務質量測試和優化

（1）語音業務服務質量測試。現場語音業務服務質量的測試和數據收集。

（2）網絡參數檢查和調整。對BSS無線控制參數的分析和調整。

（3）語音業務服務質量分析和改進。語音業務服務質量的綜合分析和優化建議。

5.3 GPRS業務性能服務質量測試和優化

5.3.1 GPRS業務服務質量測試

現場通過大量GPRS基礎數據服務質量的測試和數據收集。

5.3.2 GPRS網絡參數優化

通過現場實測并大量采集數據，對GPRS控制參數進行分析和調整。

5.3.3 GPRS業務服務質量性能分析

GPRS業務性能服務質量的綜合分析和性能優化。

5.4 測試儀表

網優測試期間結合廠家及鐵科研利用多套專業測試儀表進行測試，測試現場所采集的數據當天進行分析，在第二天開始測試前施工單位完成天饋系統的調整，廠家完成數據參數的調整。保障第二天的測試，同時可以驗證調整完成后的效果。

采用一體化測試儀表，可支持所有的GSM-R/GPRS/GMS功能測試。采用高速以太網接口GSM-R掃頻，每秒可測試多達1000個信道以及每秒采集10萬個樣本讀數。

5.5 順利地實施并優化了包西線與鄭西客專跨BSC切換

鄭西客專GSM-R工程，早于包西線兩年運營。包西線GSM-R按照設計由北向南終止于何寨基站，何寨至西安區段將不設計包西線GSM-R網絡覆蓋，此段網絡由既有鄭西客專覆蓋。在設計之初就考慮到包西線何寨基站要與鄭西客專基站間存在跨BSC切換以滿足列車的正常行駛。

5.5.1 并線區段

西安-窯村區段（隴海線）：GSM-R網絡采用單層網絡覆蓋。

鄭西客運專線：GSM-R網絡采用交織單網覆蓋方案。

包西線在西安-窯村區段（隴海線）經窯村聯絡線到達臨潼東，在臨潼東<->WNBLTD06區段是何寨至臨潼東客專聯絡線與鄭西客專線路并行，該段GSM-R無線網絡覆蓋利用鄭西客專既有基站實現。

5.5.2 分岔區段

包西線何寨車站基站和鄭西客專區間WNB-LTD04、WNB-LTD05、LNB-LTD06 基站構成相鄰小區，這些基站中的某些基站需要與何寨基站在區間完成跨BSC切換。何寨車站基站距WNB-LTD04基站4公里，距WNB-LTD05基站3公里，WNB-LTD06基站6公里（如圖2）。

其中，WNB-LTD05、WNB-LTD06、Lin－TongDong基站采用載波瓣30°天線。

（1）通過前期仿真、優化，為減少何寨車站對鄭西客專的影響，將何寨車站天線改為載波瓣30°18.5dBi，并將上行天線下傾角調整為 4°，下線調整為 6°。

（2）為了不影響鄭西客專的正常運行及影響，利用網上的鄭西客專天窗點在何寨至WNB-LTD06、WNB-LTD06 至WNB-LTD02區間分別對各個基站的場強進行測試，采集所有場強及覆蓋測試記錄數據。并合理調整天線俯仰角、方位角、BSC數據參數，達到最為理想的效果。

通過以上測試、分析，使WNB-LTD04、WNB-LTD05、WNB-LTD06 與何寨兩天線的基站完成平滑切換，并將數據分別寫入對應的BSC中。同時通過測試WNB-LTD04基站在包西線的場強值在-65dBm以上，與何寨基站行成覆蓋，在BSC中添加何寨<->WNB-LTD04之間的相鄰關系,從而與各種相鄰的下一個小區覆蓋形成重疊區,滿足切換的需要。

（3）經過測試及大量數據分析，并在天窗點內利試驗車進行多次往返測試，測試結果完全符合鄭西客專的要求，從而確保在切換區段完全實現平滑切換。

6 GSM-R 新業務的應用

6.1 智能網系統

基于智能網實現業務具有快速、有效、經濟、靈活等特點。GSM-R智能網主要用來實現鐵路特定業務，同時，能夠解決多廠家設備組網環境下業務互聯互通的問題。根據互聯互通需要，同時考慮今后業務的發展，我國GSM-R智能網基于CAMEL3技術標準。該規范應根據3GPP和國內相關行業規范，結合我國鐵路實際需求，從系統構成、業務技術要求及信令流程、服務質量要求、管理和維護、軟件要求、主要設備技術要求等方面做出具體的規定。

6.2 感應通信的特色

從感應通信的傳播過程來說，它既具有移動無線通信的靈活性，又具有有線傳輸的特性，通過選擇適當的頻率和耦合空間，減少耦合衰耗，經波導線的引導傳輸，解決了山區、隧道內、井下等弱電場問題，保證了在這些地區建立可靠的移動通信。感應通信雖然不是最先進的移動通信技術，但有它獨特的優點。我國現采用接觸網導線做波導線的鐵路感應通信比漏泄電纜方式（LCX方式）和國外的感應通信方式（IR方式）相比較，具有投資少、施工快、操作簡單、維修方便、效果好，符合我國路情、國情的特點。盡管這種方式必須依靠電氣化鐵路的接觸網設備才能進行傳輸，有一定的局限性，但在目前為止，它在我國某些區段鐵路的使用中為提高運輸效率，保證行車安全，發揮了很大的作用，從而為解決山區電氣化鐵路無線通信建立了一種新制式。

結語

為保證GSM-R在我國健康、順利發展。目前，急需建立健全相關標準體系，嚴格執行并不斷完善標準規范，從而為GSM-R發展、建設提供有利支撐條件。

[1]許丹丹.GSM-R系統在鐵路無線通信系統中的應用與發展[J].價值工程，2010.

[2]任靜.GSM-R網絡中越區切換失效和優化的研究[D].北京：北京交通大學，2007.