GSM R技术在高速铁路通信系统中的应用资料.pdf

通信系统 82 2011年第1期 1 概述 GSM-R通信技术起源于欧洲，目前在德国、瑞士、 荷兰、意大利等国家均已商业运用由于GSM-R具有适 应铁路运输特点的功能优势，且更符合通信信号一体化技 术发展的需要，因此铁道部2000年底正式确定GSM-R为 我国铁路专用通信的发展方向 GSM-R在GSM公众移动通信系统平台上增加了铁路 运输专用调度通信功能GSM-R通信系统包括交换机、 基站、机车综合通信设备、等设备以青藏铁路为 例：青藏铁路是世界上海拔最高的铁路线，绝大部分线路 在高原缺氧的无人区，为满足铁路运输通信信号及调度指 挥需要，采用了GSM-R移动通信系统 早在20世纪20年代，一些国家的铁路部门开始进行 机车与地面的无线通信试验；40年代，许多国家相继在列 车上装置电子管无线，采用中、短波段；50年代， 我国铁路车站值班员和编组场内线路值班员开始使用列车 无线调度和站内无线，采用短波段点对点无线 通信、工作频率为2 MHz和40 MHz的电子管设备；60年 代，随着晶体管和集成电路的发展和应用，铁路移动通信 大量采用甚高频（VHF）和超高频（UHF）频段，采取选 址、双工、多用户进行组网通信，设备体积减小，重量减 轻，功耗降低，可靠性增高，并能适应各种气候条件；70 和80年代，全部改用150 MHz和450 MHz频段的晶体管 设备，在编组场推广应用便携式150 MHz和450 MHz的站 内无线。

铁路沿线维护作业人员也相继推广使用无线 [1]养路、施工的报警无线装置也得到迅速发展和应 用，并进行了山区隧道区段的列车无线调度试验微 处理机与收发信机相结合，使设备信令更加完善灵活，具 有频道自动搜索、用户自动存取、功率自动控制和自动监 测设备故障等功能，一些国家的铁路开始使用能与有线电 话网连通的列车旅客无线铁路移动通信除了应用于 铁路列车调度指挥外，还广泛应用在各个铁路业务部门 2 高速铁路GSM-R系统组成 高速铁路GSM-R系统是专为铁路通信设计的综合专 用数字移动通信系统，该系统满足国际铁路联盟提出的铁 路专用调度通信要求，在GSM Phase2规范协议的组呼、 广播呼叫、多优先级抢占的强拆业务基础上，加入基于位 置寻址和功能寻址等功能，可为列车自动控制与监测信息 提供数据传输通道GSM-R属于专用移动通信的一种， 专用于铁路的日常运营管理，是非常有效的调度指挥通信 工具，适用于铁路通信特别是铁路专用调度通信的需要 主要提供无线列调、编组调车通信、区段养护维修作业通 信、应急通信、隧道通信等语音通信功能，可为列车自动 控制与检测信息提供数据传输通道，并可提供列车自动寻 址和旅客服务功能。

我国铁路频段为上行885～889 MHz，下行930～ 934 MHzGSM-R系统包括网络子系统（NSS）、基站 子系统（BSS）、运行和业务支撑子系统（OSS/BSS） 和终端设备等4部分其中，NSS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）GSM-R系统采用主从同步方式， TMSC，MSC，HLR，SCP等设备应就近从BITS设备中获 取定时信号，MSC至BSS间的GSM-R数字链路应兼作同 步链路使用，BSS从MSC获取同步时钟信号，也可从就 近BITS设备或SDH设备提取同步时钟信号[2]GSM-R传 输系统指的是为GSM-R系统各子系统之间的连接提供通 GSM-R技术 在高速铁路通信系统中的应用 ■ 刘锴辰 通信系统 83 2011年第1期 道的数字传输系统，包括GSM-R系统为提供基本服务所 必需的传输配套单元，如传输光、电缆和传输设备，但不 包括直放站远端机、近端机之间的连接通道和天馈线等连 接；固定点与移动点或移动点与移动点之间的铁路工作人 员专用无线电通信，主要有列车无线电通信、站内无线电 通信、无线电报警装置及其他铁路工作人员使用的无线电 通信等。

铁路移动通信是保证行车安全、防止作业事故、 提高运输效率、加速机车周转、改善服务质量等不可缺少 的通信手段，是铁路通信的重要组成部分[3] （1）SSS主要完成业务交换及用户数据、移动 性管理、安全性管理，由移动业务交换中心（MSC）、 拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、 鉴权中心（AuC）、互连功能单元（IWF）、组呼寄存 器（GCR）、短消息服务中心（SMSC）、确认中心 （AC）、移动智能网（IN）等组成各功能实体之间通 过No.7信令协议互相通信 （2）GPRS负责为无线用户提供分组数据承载业 务GPRS子系统包括核心层和无线接入层核心层由 SGSN，GGSN，DNS，RADIUS等功能实体组成无线 接入层由PCU、基站、终端等组成GPRS无线接入层组 网应充分利用GSM-R系统的设备资源，使GPRS系统与 GSM-R系统公用频率资源，利用GSM-R系统基站实现 无线覆盖，不单独增加GPRS系统基站 （3）BSS通过无线接口直接与移动台相接，负 责无线信号发送接收和无线资源管理与MSC相连，实现 移动用户之间或移动用户与固定网络用户之间的通信连 接，以及传送系统信号和用户信息等。

BSS由基站控制器 （BSC）、编译码和速率适配单元（TRAU）、基站收发 信机（BTS）、弱场设备等功能实体构成 （4）OSS/BSS包括网络设备维护管理系统和用户 管理系统 （5）终端设备提供GSM-R系统用户直接操作使 用，用来接入GSM-R网的设备，包括移动台和无线固定 台 3 GSM-R系统功能 （1）调度通信功能调度通信系统业务包括列车调 度通信、货运调度通信、牵引变电调度通信、其他调度及 专用通信、站场通信、应急通信、施工养护通信和道口通 信等 （2）车次号传输与列车停稳信息的传送功能车次 号传输与列车停稳信息对铁路运输管理和行车安全具有重 要意义，可通过基于GSM-R电路交换技术的数据采集传 输应用系统实现数据传输，也可以采用GPRS方式实现 （3）调度命令传送功能铁路调度命令是调度所里 调度员向司机下达的书面命令，是列车行车安全的重要保 障采用GSM-R系统传输通道传输调度命令将加速调度 命令的传递过程，提高工作效率 （4）列车尾部装置信息传送功能将尾部风压数据 反馈传输通道纳入GSM-R通信系统，可方便解决尾部风 压数据传输问题 （5）调车机车信号和监控信息系统传输功能。

提供 调车机车信号和监控信息传输通道，实现地面设备和多台 车载设备间的数据传输，并能够存储进入和退出调车模式 的相关信息 （6）列车控制数据传输功能采用GSM-R通信系 统实现车-地间双向无线数据传输，提供车-地间双向安 全数据传输通道 （7）区间移动公务通信在区间作业的水电、工 务、信号、通信、供电、桥梁守护等部门内部的通信，均 可以使用GSM-R作业手持台，作业人员在需要时可与车 站值班员、各部门调度员或自动用户联系紧急情况 下，作业人员还可以呼叫司机，与司机建立通话联络 （8）应急指挥通信语音和数据业务应急通信系统 是发生自然灾害或突发事件等影响铁路运输时，在突发事 件现场与救援中心之间，以及现场内部采用GSM-R通信 系统建立语音、图像、数据通信系统 4 GSM-R系统用途 （1）列车无线通信列车上人员对地面调度员或其 他人员进行通信，包括列车无线调度和列车旅客无线 （2）列车无线调度调度员对沿线运行的机车 进行调度指挥的无线我国铁路列车无线调度用 于调度员、车站值班员对沿线行驶的列车司机、运转车长 进行调度指挥铁路沿线车站以带状分布在全国各地，各 车站设置小功率无线电台和转接装置，机车上配有无线电 台和控制盒。

调度员通过有线或无线电路与车站电台（或 固定电台）接续，然后再由车站电台（或固定电台）与其 场强覆盖区内机车电台用无线信道接通，从而构成调度员 与司机之间和车站值班员与司机之间相互通话 列车无线调度使用150 MHz和400 MHz频段， 通信系统 84 2011年第1期 频道间隔为25 kHz，运输业务不繁忙区段采用单工通信 方式，双方使用同一频率，交替进行收发通话，具有组网 灵活、设备简单等特点在铁路运输日趋繁忙区段，无线 使用量不断增多，为迅速可靠接续，世界各国陆续使 用不同频率进行发射和接收的双工或半双工通信方式采 用音频组合式或数字编码式选择呼叫，并附有紧急呼叫功 能和发送调度命令及各种指令信息的功能列车无线调度 覆盖区域的划分有2种形式：一是用于车流密度小、 运输不繁忙区段的大区域方式；二是用于车流密度大、运 输繁忙区段的小区域方式此外，由于超高频频段电波难 以在隧道内传播，因此，早期采用平行波导线感应传播方 式，但这种方式传输场强不均匀，常因绝缘不良引起衰耗 增加，特别是在电力牵引区段，会感应出很高的干扰电 压，危及维修人员安全后来，许多国家使用漏泄同轴电 缆，这种电缆是在同轴管外导体上开设一系列槽孔或隙 缝，使电缆中传输的电磁波部分能量从槽孔中漏泄到沿线 空间，场强衰减较均匀而无起伏，易为接收设备所接收。

这种漏泄电缆传输频段较宽，既能通话，又能传输各种数 据信息在长隧道地区，由于漏泄电缆衰耗较大，需在隧 道内装设中继器，用以补偿传输损耗，中继器需远距离供 给电源 （3）列车旅客无线旅客利用列车上的无线电 公用设备，通过沿线设置的地面无线电设备和转接装置， 经过交换设备，即可与市话网接通有关用户，或经长途线 路传输与远距离用户通话 （4）站内无线通信供铁路站场内进行作业指挥及 业务联系用的一种无线通信主要有客货运站无线和 编组站无线客货运站无线主要用于货运人员间 运营作业和装卸作业，以及旅客运输业务人员间的通信联 络 （5）编组站无线供编组站到达场、编组场和 出发场等各类作业人员，如调车员、列车检修员、铁鞋制 动员、车号员、接发列车值班员及在专用线上进行调车作 业等的流动人员按各自不同系统进行通信联络根据作业 性质和不同需要分为十几个独立的无线通信系统，组成小 区域通信网在车辆间流动作业人员使用的无线由于 电波传播受车辆、人体、便携式电台天线高度和屏蔽效应 等影响，应选用最佳通话频段调车、检车等作业人员使 用的便携式机具有体积小、耗电少、重量轻、可靠性 高等优点，并能满足防雨、防冲击和全天候的要求[4]。

5 GSM-R系统主要性能 站内无线通信设备主要性能：发信机杂波抑制比通常 要求在60 dB以上，组合波抑制比要求在70 dB以上，收信 机阻塞衰耗应在80 dB以上，互调抗扰性应在60 dB以上 GSM-R网络无线覆盖指标应满足在95％统计概率 下，对于8 W的列控机车台，在增益为0 dBi的机车车顶天 线处的最小接收电平不低于-92 dBm该电平值考虑了最 大3 dB机车台馈线损耗和3 dB设备老化余量 工程设计时，应适当考虑其他设计余量，以抵抗各种不 可预见因素（如快衰落、气候影响、工程质量影响等）[5] 无线电报警装置是为防止列车进入线路维护、施工 区段及防止道口、桥梁、隧道发生事故，向司机发出告警 而设的司机和施工区段之间、司机和道口之间及司机和巡 漏泄电缆接头 漏泄电缆内部 通信系统 85 2011年第1期 道工之间的报警装置这种装置必须绝对可靠，并具有特 殊使用标志，其作用距离为几公里范围内，警报时间约为 10 min，使用全国统一的专用频率，并尽可能实现自动检 测 其他铁路工作人员使用的无线通信主要有区间内作 业、维修人员使用的无线和广泛用于铁路其他工作中 的，如勘察施工、维修作业、救援列车、铁路公安等 用的无线。

这些无线使用民用频段，不占用铁路 专用频率，以免干扰运输调度作业对讲无线一般采 用通用便携式无线机为便于铁路公安人员工作需 要，无线往往与有线沟通，按用户需要组。