GSM-R系統在城市軌道交通無線通信系統中的應用

敬歡 劉春蘭

摘要：隨著城市軌道交通建設的進一步推進，軌道交通控制調度工作對無線通信效率及質量也有了更高的要求，為滿足這一要求，GSM-R系統的應用范圍也得到進一步拓展。為進一步探究GSM-R系統在城市軌道無線通信系統中的應用，文章結合已有的相關資料和經驗，首先介紹了GSM-R系統的基本情況，并提出了這項技術在城市軌道交通無線通信系統中的應用空白；其次，闡述了GSM-R系統在應用過程中的幾項主要業務需求；最后，結合具體需求，從多個角度著手，詳細探討了城市軌道交通無線通信系統中GSM-R系統的主要應用方向，并探究了各個應用方向具體通信方式的實現路徑，以期為后續工作中GSM-R系統的應用提供參考借鑒。

關鍵詞：GSM-R系統；城市軌道交通；無線通信

中圖分類號：TN929

文獻標志碼：A

0 引言

近年來，各地城市軌道交通建設仍在不斷推進，為確保軌道交通系統的高效率運行，基于GSM-R技術打造相關的通信系統是不可或缺的重要舉措。通過應用GSM-R系統，軌道交通車輛調度控制等方面將更為便捷，其現實意義較為突出。因此在實際工作中，應當進一步加強對GSM-R系統的研究與應用，推動城市軌道交通建設質量的進一步提升。

1 GSM-R系統及其在城市軌道交通領域應用的不足

GSM-R系統起源于歐洲國家，后傳入我國，基于已有的經驗，該系統目前在鐵路專用通信領域已經取得較快發展。具體來看，該系統主要面向廣義的軌道交通領域通信設計，屬于一種典型的綜合專用數字移動通信系統，將同一個無線通信平臺統一納入整體的軌道交通系統，實現自動控制信息的傳輸，以及語音調度通信等功能^［1-2］。在當前主流的GSM-R系統中，通常以GSM移動通信技術為核心，該系統的網絡基本結構如圖1所示。

由圖1可知，GSM-R系統主要包括網絡子系統（NSS）、基站子系統（BSS）、操作與維護子系統（OSS）三部分。其中，基站子系統是由一個基站控制器（BSC）和若干個基站收發信機（BTS）組成。基站收發信機主要通過無線接口與移動臺（MS）相連，其主要作用是，與一定覆蓋區域內的移動臺進行通信，并對空中接口進行管理。同時，所有基站收發信機均連接到基站控制器上。基站控制器的主要功能則是在其覆蓋范圍內，提供無線電資源管理、移動性管理和無線電網絡運營與維護管理，上述功能模塊之間的通信均基于A bis接口進行^［3］。

從目前的實際情況來看，雖然GSM-R系統已在多個領域得到較為廣泛的應用，但其在交通領域的應用還相對較少。通過查閱大量參考文獻可知，GSM-R系統在交通領域中的有限應用均集中于鐵路交通領域，在城市軌道交通領域存在明顯空白。因此，對GSM-R系統在城市軌道交通領域中的應用需求，仍需要做進一步分析，以明確城市軌道交通對GSM-R系統實現功能的需求，并以此對各個功能模塊展開設計。

2 GSM-R系統在城市軌道交通領域應用中的主要業務需求分析

2.1 功能尋址方面的要求

功能尋址是GSM-R系統的典型特征之一，其允許通過功能號碼對用戶進行呼叫，而功能號碼則是識別功能和應用的關鍵數據。通過對軌道交通中的要素賦予特定的功能號，即可保證用戶號碼和物理終端之間的獨立性。具體來看，功能號的結構與傳統的MSISDN結構相類似，也可從其他外部網絡來撥打這些號碼。由于功能號碼業務在編號方案上具有一定的特殊性，因此其與普通呼叫方式存在一定差異，具體編號方案和觸發方式，如表1所示。

在確定功能號碼后，需要基于功能尋址過程實現較為精準的通信。在此環節中，強制向移動臺發送功能相關的子地址，該“子地址”信息在功能號碼中予以導出。在軌道交通領域中，功能尋址的主要作用是對軌道交通系統內的目標車輛進行準確鎖定，以實現可能的調度需要。

2.2 基于位置的尋址需求

基于位置的尋址業務（以下簡稱“LDA”）功能模塊在GSM-R系統中的重要性較為突出，通常與其他業務配合應用來實現對軌道交通系統內列車的管理。LDA業務確保一個從移動用戶發起的呼叫可以被路由至正確的管理者。由于軌道交通系統下的列車位置呈現動態變化，因此在不同的位置區域，其相應的管理賬戶也呈現動態變化的態勢^［4］。

具體來看，在基于位置的尋址業務中，其主要業務流程如下：（1）需要發出請求的移動用戶（主要為列車駕駛人）向管理賬戶（主要為調度員和軌道交通車站值班人員）撥打短號碼進行位置尋址。在滿足觸發條件后，移動臺（MSC）向智能網發送操作指令“Initial DP”，其中，在參數Location Information中包含移動用戶的識別碼。（2）系統判斷移動用戶所撥出的號碼是否有效。如號碼有效，則根據呼叫產生的主叫位置信息和短號碼，查找對應用戶的功能號碼。（3）系統查找到對應用戶的功能號碼后，發送Connect操作，實現二者之間的通信連接。在此環節中，仍基于DP3觸發方式進行觸發。通過以上業務流程，系統即可確定軌道交通系統中特定車輛的位置坐標信息，從而對其運行情況予以實時掌控，必要時發出相應調度指令。

2.3 增強型多級別處理要求

增強型多級別處理（以下簡稱“e MLPP”）主要提供對用戶的多種優先級別的定義。由于軌道交通系統中各類用戶的優先級不同，因此該業務模塊基于優先級別上的差異，在呼叫建立和切換過程中需進行合理的系統資源分配。在呼叫進行過程中，優先提供資源給優先級別高的用戶。具體來看，此環節的應用主要分為以下兩個方面。

2.3.1 e MLPP用戶起呼

當一個用戶發起呼叫時，該用戶首先對本次呼叫選擇一個優先級別，該級別的數值可選擇缺省值或非缺省值。如該優先級別的數值為非缺省值，則該優先級別會下放至系統中，而后系統將數據庫中存儲的用戶信息中的優先級別與收到的優先級別進行比較，根據不同的比較結果，對優先級別進行分配和對話務進行接續。該環節主要存在以下幾種可能：（1）如用戶要求的優先級別不高于用戶預設的優先級別，則系統分配數據庫中預設的用戶級別以進行呼叫；（2）如用戶要求了更高的優先級別，則系統分配該用戶的最高優先級別進行呼叫；（3）如用戶對該次呼叫未要求優先級別，則系統提取該用戶的缺省優先級別，并以此進行分配；（4）如發起呼叫的用戶不屬于e MLPP用戶，則系統為其分配一個網絡缺省優先級別，以完成本次呼叫。

2.3.2 e MLPP用戶的預占用

在e MLPP業務模式下，允許一個移動用戶接聽優先級別高于自身優先級別的通話。同時，當被叫方具有呼叫等待功能，或被叫方擁有已激活的自動應答功能時，均會出現被叫預占用。當出現被叫預占用后，由被叫用戶決定是否對本次通話進行預占用，如決定進行預占用后，則存在以下兩種可能：（1）如被叫用戶擁有呼叫保持業務，則被叫用戶保持前次通話，并接續高優先級別通話。（2）如被叫用戶無呼叫保持業務，則釋放前次通話，優先開啟高優先級別的呼叫；如被叫用戶決定不接收預占用，則繼續執行呼叫等待功能。在該業務模塊中，為實現對優先級別的有效分離，e MLPP通常設置七個優先級別，分別編號為A，B，0～4。其中，A和B兩個最高的優先級用于網絡緊急呼叫，0～4則分配給軌道交通系統中的其他用戶，數字越小則優先級別越高，反之亦然。概括而言，基于以上兩方面的措施，管理人員將依托于GSM-R技術，對優先級較高的區間和車輛進行及時的響應和干預處理舉措。

3 GSM-R系統在城市軌道交通無線通信中的應用策略

3.1 調度通信

在城市軌道交通運行過程中，軌道交通調度屬于其中最為重要的通信手段，對提升軌道交通運行效率有著重要作用。結合實際功能需求來看，調度通信業務主要包括列車調度通信、牽引變電調度通信和其他調度與專用通信（包括施工維護、應急管理、站場通信等）。系統構成和組網方式如圖2所示。

由圖2可知，在GSM-R系統應用于調度通信環節中，通常并非單獨應用，而是采取無線和有線混合組網的方式進行。具體來看，此類調度通信系統在構成上，主要可分為調度臺、基本服務集系統（BSS）、固定用戶接入交換機模塊（FAS）、軌道交通專用通信移動終端、軌道車輛綜合無線通信設備（CIR）等部分所構成。當前，無線網絡在城市軌道交通系統中基本實現了全覆蓋，無線終端CIR也覆蓋了軌道交通內的全部車輛，有線終端則主要用于滿足軌道交通車站和調度臺的需要。而在組網方面，有線與無線相結合的方式仍然是城市軌道交通通信網絡組建過程的首選，通常在總調度室內設置固定用戶接入交換機模塊，并使之與MSC相連接，結合需要在沿線車站增設FAS或接入總調度室FAS，且車站臺和調度臺也可在此基礎上，實現與MSC的連接，由此即可滿足軌道車輛調度通信的實際需要，并進一步實現車機聯控通信。

3.2 軌道車輛運行信息的傳輸

在軌道交通系統中，車輛運行信息的傳送是一項至關重要的內容，主要包括軌道列車運行時的編號以及軌道列車停穩兩方面的信息。為確保以上兩方面的信息得以有效傳輸，在實際的GSM-R系統設計中，通常從以下兩個部分著手進行設計：（1）包含GPRS和采集監控數據的GSM-R網絡；（2）CIR模塊。基于以上設計，即可對目標軌道車輛的IP地址進行自動更新。在此基礎上，結合所獲得的列車停穩信息，傳輸車輛編號信息，以進行后續的相關處理。

3.3 傳輸調度命令

在城市軌道交通的實際運行過程中，調度人員需要向車站及軌道列車發出相應的調度命令，對軌道交通系統內的列車運行情況、列車調度情況、突發狀況等進行指揮控制，這是城市軌道交通系統運行管理工作中的重要組成部分，對提高軌道交通系統運行質量也起著決定性的作用。因此，在傳輸調度命令環節中，其關鍵是提升調度命令傳輸的速度和準確度，結合這一需要，通常以GPRS方式進行調度命令的傳輸。具體來看，該功能模塊主要由綜合無線通信設備、綜合數字移動通信系統、調度指揮系統設備三方面所組成。在該功能模塊中，GSM-R系統的主要作用是對調度命令的傳輸過程予以“加速”。

3.4 軌道列車進路預告

軌道列車進路預告信息是城市軌道交通系統調度工作中所需的重要信息，如何將此類信息予以及時采集和傳輸則是需要重點研究的一項內容。為實現上述目標，在實際工作中，該項業務通常由GSM-R系統中的GPRS（分組交換系統）提供的非安全無線數據傳輸業務。具體來看，在該業務模式下，GSM-R分組域應用網絡主要包括列車綜合無線通信設備CIR、GPRS網絡設備、GPRS接口服務器（GRIS）、GPRS歸屬服務器（GROS）和其他通信服務器等模塊，以實現軌道交通車輛與其他模塊之間的信息高效傳輸。同時，在GPRS網絡設備中，又可分為基站BTS、基站控制器BSC、分組控制單位PCU、服務GPRS支持節點SGSN、網關GPRS支持節點GGSN等部分。

基于上述功能模塊，軌道列車進路預告的通信流程主要分為以下幾個步驟：首先是CIR模塊開機并附著在GPRS網絡中。此環節下，CIR啟動后會注冊GPRS網絡，由HLR模塊將用戶是否能夠使用GPRS業務的信息發送至SGSN中。同時，此過程需要由SGSN和HLR對相關數據進行認證，認證通過后即可完成附著過程。其次是CIR獲取自身IP地址，主要通過系統DNS服務器解析確定目標設備所屬的網關支持節點GGSN。而后，由系統進行身份驗證，如車輛設備的號碼正確通過驗證，則返回消息給網關支持節點GGSN。在該返回消息中，含有為CIR分配的IP地址。同時，CIR模塊會按照設定的頻次，定時向調度終端發送車輛信息，包括運行距離、車輛編號等，以實現準確定位，為發送調度指令和進路預告提供依據。

4 結語

整體來看，當前GSM-R系統在城市軌道交通無線通信中的應用尚處于初級發展階段，仍具有較高的發展空間。在今后的工作中，為進一步發揮GSM-R系統的應用優勢，需要結合實際情況和已有的研究經驗，對GSM-R系統的具體架構和功能模塊等部分進行優化調整，并考慮融入更多最新技術，使之朝著數字化、智能化和綜合化的方向進一步發展。

參考文獻

［1］田園，梁軼群，蔣韻，等.鐵路GSM-R系統高速適應性測試及分析［EB/OL］.（2022-11-28）［2023-12-02］.https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？dbcode=CAPJ&dbname=CAPJLAST&filename=TDBS20221124000&uniplatform=NZKPT&v=YtRroQm NCknbvdqqxaUBOOhxkRMl-M7b6FBfh-635Lynwp5d_H-stwJo5rz6KDci.

［2］陳水慶，沈建輝.西部山區鐵路GSM-R系統組網及配套工程設計方案優化［J］.中國鐵路，2022（6）：99-105.

［3］丁珣.基于誤差反向傳播神經網絡的GSM-R場強預測［J］.電氣化鐵道，2022（1）：67-70.

［4］劉盛堯，李堅.既有鐵路GSM-R系統工程設計研究［J］.鐵路通信信號工程技術，2021（10）：48-53.

（編輯 姚 鑫）

Application of GSM-R system in wireless communication system of urban rail transit

Jing Huan， Liu Chunlan

（Nanchong Vocational and Technical College， Nanchong 637131， China）

Abstract： With the further promotion of urban rail transit construction， the rail transit control and dispatching work also has higher requirements for wireless communication efficiency and quality. To meet this requirement， the application scope of GSM-R system has been further expanded.In order to further explore the application of GSM-R system in urban rail wireless communication system， the paper first introduces the basic situation of GSM-R system based on existing relevant information and experience， and then expounds several main businesses of GSM-R system in the application process; At last， the main application directions of GSM-R system in urban rail transit wireless communication system are discussed in detail from multiple perspectives， and the specific communication methods of each application direction are explored， so as to provide some reference for the application of GSM-R system in the follow-up work.

Key words： GSM-R system; urban rail transit; wireless communication