GSM-R系統在鐵路無線通信系統中的應用與發展

(武漢高速鐵路職業技能訓練段 湖北 武漢 430000)

GSM-R是基于GSM 的基礎設施及其提供的ASCI(高級語音呼叫業務)，其中包括eM-LPP(增強型多優先級與強拆)、VGCS(語音組呼)和VBS(語音廣播)，并提供鐵路特有的調度業務，包括功能尋址、功能號表示、接入矩陣和基于位置的尋址，并以此作為信息化平臺，是鐵路部門用戶可以在此信息平臺上開發各種鐵路應用。

一、鐵路特色業務

為了實現鐵路運營應用，GSM-R系統還包含了另外一些鐵路所特有的功能，主要有功能尋址、功能號表示、接入矩陣、基于位置的尋址。

(一)功能號表示

功能號是將鐵路用戶根據其當前行使是職能進行編號。相比普通的用戶號碼，利用功能號進行呼叫更符合鐵路的運營特色，使得鐵路工作人員之間的通信更為及時和方便。更能號需要用戶注冊和注銷。國內GSM-R網絡號碼用于在同一GSM-R網絡內注冊的用戶之間的呼叫。國內GSM-R網絡號碼由CT、UIN和FC組成。

呼叫類型(CT)用來區分GSM-R網絡內不同類型的呼叫，提示網絡如何解釋所撥打的號碼。CT由1到3個數字組成。

用戶號碼(UN)由用戶識別碼(UIN)和功能碼(FC)組成，UN的長度依據它所包涵的信息多少而變化。用戶識別碼(UIN)必須是以下號碼之一：車次號、機車號、車號、調車組位置號碼、維修站位置號碼、調度員和值班員位置號碼、組位置號碼和移動用戶號碼(MSISDN)。功能碼(FC)是一種識別碼，用來識別列車上或站場內的人員、設備，或者某個給定區域內的特定編組。FC描述移動臺的實際功能。

(二)接入矩陣業務

接入矩陣業務確定了那一類用戶能呼叫哪一類用戶，用于規定不同用戶之間的呼叫權限。接入矩陣業務僅應用于點對點呼叫，VGCS/VBS 呼叫不在本業務的應用范圍內。

在鐵路系統中，不同身份的用戶有各自的功能號碼。通過定義呼叫矩陣表，依據主、被叫的身份進行呼叫裁決，來判斷是否允許呼叫繼續。進一步定義主叫方與被叫方的接入關系。

(三)功能尋址

功能尋址是GSM-R的特征,是通過編制功能號來實現呼叫用戶,而不是通常情況下的按照用戶使用的終端設備來進行尋址。這個特性保證了用戶功能號碼與其用來應答的物理終端之間的獨立性。

在鐵路應用中，功能號碼用來表示一個工作崗位(如火車司機)而不是一個用戶MSISDN 號碼。當前在崗的人員通過將自己的MSISDN 登記到該功能號碼上，建立起功能號碼和真實用戶之間的聯系。功能尋址業務分為語音呼叫功能尋址和短消息功能尋址。

(四)基于位置的尋址

基于位置的尋址是指將移動用戶發起的用于預定功能的呼叫,路由到一個與該用戶當前所處位置相關的目的地址。例如:司機呼叫調度員或車站值班員,網絡需要根據司機當前所處的位置來確定是哪一個調度員或車站值班員。

二、鐵路應用

調度通信：

通過GSM-R系統組成無線調度通信網絡，可以進行實現以下通信：點對點呼叫、群呼和組呼、廣播呼叫。呼叫完成后確認中心可以保存相應的呼叫記錄。調度通信系統包括列車調度通信、貨運調度通信、牽引變電調度通信、其他專用凋度通信、站場通信、應急通信、養護維修通信、道口通信等。

調度命令傳送功能：

調度控制是保證列車運行正常有序的重要手段，鐵路調度命令是調度員向列車司機下達的書面命令，使列車運行安全的重要保障，采用GSM-R系統傳輸通道實現調度命令的傳送，能縮短調度命令的傳送時間，提高工作效率。

車次號無線傳輸和列車停穩信息的傳送。

車次號無線傳輸與列車停穩信息的傳送對鐵路運輸管理和行車安全監控具有非常重要的意義，它可以通過GSM-R的電路交換進行數據采集和傳輸，也可以通過GPRS無線方式來實現。

列車尾部裝置信息傳送功：

通過GSM-R通信系統實現列車尾部風壓數據的傳送，能很快解決列車尾部風壓數據的傳輸問題。

機車調車信號和監控信息傳輸功能：

GSM-R系統可以提供機車調車信號和監控信息傳輸通道，實現地面設備和多臺車載設備間的數據傳輸。而且可以存儲調車的相關信息。

列車控制數據傳輸功能：

通過GSM—R通信系統可以為機車和地面提供雙向無線數據傳輸通道，實現機車地面的信息安全傳輸。

區間通信：

在鐵路系統中，區間通信為工務、通信、信號、電力、橋梁隧道守護等部門間通信的重要方式.通過GSM—R系統手持機，可以實現維修人員與車站、調度間的快捷通信.緊急情況下，還可以直接與列車司機直接聯系。

應急指揮功能：

當發生自然災害或突發事件等影響鐵路運輸安全的緊急情況時，通過GSM-R系統可以在事故現場和指揮中心之間，實現語音、圖像、數據等業務傳輸。

(一)低速鐵路450MHz無線列調存在的缺陷

《鐵路技術管理規程》對加入列車無線調度通信通話的人員范圍作了嚴格規定，但原有列車無線調度通信是開放系統，并未做任何鑒權加密處理，對用戶無需進行身份識別，因此社會上好多對講機、電臺，只要其頻點和調制方式與列車無線調度通信系統相同，便可以加入到系統內通信，影響到列車調度通信的正常使用，給行車安全帶來極大的隱患。

原有的列車無線調度通信系統常用對講組網方式，沒有采用信道共用技術，頻點(信道)固定分配，當一個信道遇忙時，其他用戶只能等待，往往造成該信道上的用戶爭搶或者出現堵塞，通信質量得不到保證；而信道空閑時，別的系統用戶有不能利用該信道進行通信，信道利用率低。

原有列車無線調度通信系統內存在嚴重的同頻干擾、領道干擾、阻塞干擾，與其他系統之間也常常出現互調干擾。這些干擾的存在，往往造成無法正常通話，數據傳輸誤碼率增加，影響設備的正常使用。特別在鐵路樞紐地區用戶多的時候，會由于存在系統內的同頻干擾而得不到正常應用，致使樞紐地區調度員不能與樞紐內運行的列車司機直接通話。

(二)高速鐵路GSM-R數字移動通信

GSM-R利用GSM的技術基礎,實現了鐵路特殊業務需求,包括功能號呼叫和管理，接入矩陣，基于位置的尋址、基于位置的呼叫限制等。

鐵路行業專用的應用需求也可以通過GSM-R網絡實現。例如尾部風壓檢測、列車自動控制(ATC)、無線車次號信息、調度命令收發等業務需求。上述應用實際上利用了GSM-R通信網絡,通過安裝GSM-R通信模塊建立連接,將GSM-R網絡的電路域、分組域作為基礎承載網絡,在其上開發各種鐵路專用應用,從而實現了全面的人機交互和控制,完成對列車各個部位和各種功能的監控。

(三)GSM-R數字移動通信的優勢

相對于現有的模擬無線列調方式，GSM-R調度通信系統有著無可比擬的優勢：GSM-R是數字系統 ，可用多種手段提高話音質量，抗干擾能力強，系統保密性更好,可靠性更高。

三、

(一)我國鐵路通信領域應用GSM-R技術的發展方向

加強GSM-R理論研究。我國對GSM-R技術的研究始于2 0世紀末，雖然發展到今天突破了很多難關，但仍有不少理論難點還未攻克。近年來，GSM-R網絡中GPRS應用取得了很多理論和實踐突破。比如根據我國鐵路實際情況，運輸對通信業務需求量大，但頻率資源緊張的實際情況，采用GPRS這種分組數據傳輸方式作為一些非安全數據信息的傳輸平臺，以更好地利用頻率資源，為鐵路信息化建設提供傳輸平臺。

GSM-R在鐵路通信的應用中，從實用、安全、可靠的角度出發。鐵路移動信息傳輸安全平臺應有完善的硬件系統和軟件系統組成。平臺硬件系統應該由內外網通信服務器、行車監控及業務系統設備為主的實時監控和傳輸設施組成，平臺軟件系統主要由外網傳輸處理予系統、內網傳輸處理子系統、管理監視子系統構成。將GPRS數據接人部署在鐵路局，每個鐵路局設立統一的外網通信服務器，作為各個業務系統地面數據處理中心，承擔所有應用系統車、地問和內、外網問的數據交換任務，使各應用系統中所有從GPRS下載的實時信息統一由鐵路局外網通信服努器接收，再經網絡安全傳輸平臺進入鐵路運輸生產系統。

形成我國鐵路GSM-R技術規范及標準鐵道部直接領導和組織相關單位共同參與制定技術規范及標準，逐步形成了我國鐵路GSM-R標準編制隊伍，編制標準40項，隨著應用的深入，版本不斷升級。GSM-R技術規范及標準包括現有的GSM技術規范以及鐵路應用技術規范和標準。我國鐵路運輸特色明顯，經過研究確定從功能和性能、工程建設與運營維護角度制定我國鐵路GSM-R規范和標準，包括綜述、網絡需求(業務)、網絡配置、移動設備核心規范、機車臺、通用電臺、運營電臺、調度臺、值班員設備規范、編號方案、用戶管理、功能編號、與位有關的尋址、文本消息、鐵路緊急呼叫、調車作業模式、直通模式等方面內容。

(二)GSM-R系統在我國的應用情況

隨著高速鐵路的快速發展，傳統的單信道模擬鐵路通信系統已經無法滿足現代化高速鐵路通信的需求，GSM-R (GSM for Railway，鐵路移動通信系統標準)和我國現在覆蓋最大的GSM網絡標準相仿，是我國首次從歐洲引進的移動通信鐵路專用系統。GSM-R系統的引入，不但實現了鐵路移動通信系統的升級換代，改善了語音通信質量，而且為數據業務應用提供了數字無線通信平臺，能夠支持列車診斷、車輛跟蹤、貨物跟蹤、移動售票、旅客信息服務等各種新業務。隨著GSM-R系統在我國的建設和普及，鐵路信息化整體水平會不斷提高。而鐵路信息化是鐵路現代化的基本要素和重要內容，將強有力地推動我國鐵路跨越式發展。

GSM-R技術在我國從無到有，穩步發展。在短短的十年多的時間里，率先將GSM-R技術引入地理環境復雜的青藏線、重載技術領先的大秦線、運輸繁忙的膠濟線這些，亟待解決通信效率的干線通信系統，取得了寶貴的成功經驗。并在試驗成功的基礎上，逐步在石太線、武廣線、鄭西線、合寧線、合武線、新豐鎮編組站、京津城際線、京滬高鐵等鐵路干線和新建城際客運專線上推廣使用，朝著覆蓋全路鐵路干線的GSM-R通信網絡邁進。

在青藏高原鐵路上首次采用GSM-R替代軌道電路，傳輸增強型列車控制系統(ITCS)數據，解決了凍土地帶信號傳輸問題，減少了維護工作量；創造性地采用雙交換機、同站址雙基站無線覆蓋方式，使GSM-R網絡達剄了可靠性、有效性、可維護性、安全性(RAMs)等技術指標要求；結合青臧鐵路及我國鐵路的實際需要，自主研發了機車綜合通信設備(CIR)、調度通信系統、通用分組無線業務(GPRS)接口服務器(GRIS)等新設備，并率先在青藏鐵路全線實現了調度通信有線與無線通信業務的融合，實現CTC、晃車信息等數據的車一地間傳輸；自主研發了GSM-R場強測試系統、QoS測試系統、GSM-R場強路測儀、PRI接口監測系統、Abis接口監測系統、A接口監測系統，為GSM-R網絡運用開通提供了調試、分析、評估工具，為工TCS(增強型列控系統)與GSM-R互聯互通提供了分析工具。青藏鐵路GSM-R工程對全路GSM-R網絡的建設具有重要的指導意義，對完善GSM-R技術標準提供了重要的參考依據。

自我國青藏鐵路采用GSM-R通信系統以來，我國GSM-R技術在鐵路中的應用也在不斷地完善和發展。對于武廣客運專線，株洲南北聯絡線將武廣客運專線與既有京廣線、湘黔線等聯系起來，在此聯絡線區段為無線列調和GSM-R系統共同覆蓋，設置了轉換點，司機按照規定進行制式轉換。GSM-R通信網絡在武廣高鐵中的應用總體體現在以下兩個方面：

其一，與以往鐵路通信系統不同的是，武廣高速鐵路GSM—R通信網絡系統采用的是單層交織冗余覆蓋技術。在列控系統中，車載設備無線連接與無線閉塞中心中斷，主要是因為GSM—R的網絡連接失效，可能是BTS或ATP發生了故障，如果是因為BTS的故障.則會造成整個無線網絡連接中斷，導致ATP無線連接超時，影響該區段內的所有列車的正常運行，因此BTS故障的影響可能性大。針對無線連接可能失效的問題，武廣高鐵采取采用單層交織冗余覆蓋。鐵路軌道沿線由一層無線網絡進行覆蓋，同時.為可保證GSM-R網絡在非連續基站故障的情況下仍能正常工作，武廣高鐵在系統設計時.加密基站，使得兩相鄰基站的場強相互覆蓋到對方站址。

第二， 武廣高鐵采用了承載CTCS-3業務的GSM-R系統，以確保列車高速行車安全。如今，武廣高鐵采用GSM-R通信網絡，從而創造了CRH3型動車運行時速394公里的世界記錄，使其成為“中國速度”的象征。