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1、高速环境对GSM-R通信质量的影响分析中文摘要我国的高速铁路普遍采用CTCS-3级列控系统，通过GSM-R无线网络提供的电路域数据业务实现车地信息双向传输。相比于低速或者静止条件，在高速条件下车地信息传输会受到多普勒频移、快速多变多径效应、频繁越区切换等因素的影响，导致出现数据误码率增大、传输异常中断等问题，会在一定程度上影响列车控制系统的安全性和可靠性。 关键词：高速；列车控制系统；GSM-R网络；数据传输 AbstractChina train control system-level 3 is widely used in the high-speed railways across C
2、hina and data transmission between onboard and trackside in CTCS3system is provided by circuit switch data services of GSM-R networkCompared to low-speed or static conditions，data transmission under high-speed conditions is suffered from problems of frequently short interruptions，data error rate inc
3、reasing and transmission abort issues due to some adverse effects，such as Doppler shift ,fast changing multi-path effect frequent handoff and other factorsIt will affect the security and reliability of the train control systemKEYWORDS：High speed；Train control system；GSMR network；Data transmission目 录
4、1 绪 论11.1 我国列控系统的发展11.2 GSM-R系统概述11.3 CTCS-3级列车运行控制系统12 高速铁路环境下GSM-R网络电路域数据传输分析22.1 GSM-R网络数据传输方式和传输流程22.1.1 数据传输方式22.1.2 电路域数据接入和传输流程43 高速环境下的小区规划64 高速环境下影响GSM-R的一些效应74.1 快速多变多径效应74.2 多普勒效应74.3 频繁越区切换8参考文献91 绪 论1.1 我国列控系统的发展我国研究和发展列控系统已有约20年的时间，尤其是近10年来，我国列控系统的研究、建设取得了较快的发展。在借鉴和研究国外典型列控系统技术体系的基础上，充
5、分结合我国列车种类繁多、线路复杂，客货混跑、高低速列车共线运行等实际情况，2002年铁道部确定了发展中国铁路列车运行控制系统(简称CTCS)的战略：将中国列车控制系统CTCS(China Train Control System)划分成5个等级，包括CTCS0级、CTCS1级、CTCS2级、CTCS3级、CTCS-4级。CTCS0级列控系统由通用机车信号和列车运行监控装置组成。CTCS1级列控系统由主体信号和安全性列车运行监控装置组成，面向160kmh以下的区段。CTCS1级列控系统采取大贮存的方式把线路数据全部贮存在车载设备中，靠逻辑推断地址调取所需的线路数据，结合列车性能计算给出目标距离式
6、制动曲线。同时，CTCS1级列控系统在CTCS0级基础上增加点式设备，实现了列车运行安全监控的功能，是对CTCS0级列控系统的全面加强。CTCS3级列车运行控制系统是基于GSMR无线通信实现车地信息双向传输，无线闭塞中心生成行车许可，轨道电路实现列车占用检查，应答器实现列车定位，并具备CTCS2级功能的列车运行控制系统，是当前高速客运专线发展领域的重要研究和发展对象。2009年12月武广高速铁路和2010年2月郑西高速铁路的正式投入运营，标志着CTCS3级列车运行控制系统已成为中国铁路时速大于300km客运专线的重要技术装备。1.2 GSM-R系统概述GSMR是一种基于目前世界最成熟和通用的公
7、共无线通信系统GSM平台上的、专门为满足铁路应用而开发的数字式的无线通信系统，针对铁路通信列车调度、列车控制、支持高速列车等特点，为铁路运营提供定制的附加功能的一种经济高效的综合无线通信系统。GSMR系统很多技术借鉴了公网的GSM技术，保留了OSM的大体结构，使得从一开始GSMR系统就是一个成熟可靠的系统，它的绝大多数软硬件都已在现网中得到检验。不仅如此，由于二者都可以工作在900M频段，因此在无线网络规划方面也是基本相同的，GSMR系统的规划设计也可借助于已成熟的GSM系统工具，可以方便快捷地为用户提供网络设计安装。它基于GSM的基础结构及其提供的电信业务，提供了铁路特有的基础业务，并以此作
8、为一个信息化的平台，使得用户可以在这个信息平台上开发各式各样的铁路应用业务。1.3 CTCS-3级列车运行控制系统在CTCS3级列控系统中，车载设备通过无线网络向地面无线闭塞中心RBC设备汇报列车位置、请求移动授权，接收并执行来自地面RBC设备的控制命令，控制列车安全运行；地面设备通过无线网络向车载设备发送移动授权，实现速度限制、紧急停车等功能，远程对高速列车的运行进行调度控制。GSMR无线网络是CTCS3级列控系统车载设备和地面设备间的传输媒介，CTCS3级列控系统通过GSMR无线网络进行车地信息传输的交互。CTCS3级列控系统对GSMR网络提出了如下相关承载业务和特性需求：（1）电路交换模
9、式下的数据传输；（2）数据传输允许多速率数据流，即速率自适应；（3）异步透明传输模式；（4）全速率无线信道；为保障CTCS3级列控系统的高度安全可靠，必须保证车载和地面设备随时随地都能高效、可靠通信。2 高速铁路环境下GSM-R网络电路域数据传输分析2.1 GSM-R网络数据传输方式和流程2.1.1 数据传输方式GSMR网络提供了两种数据传输方式，电路域数据传输和分组域数据传输。电路域数据传输采用传统的以电路连接为基础的交换方式，在GSMR网络数据传输中被称为CSD业务。电路域数据传输的整个过程大致分为建立线路、占用线路并进行数据传输、释放线路三个阶段。应用于列控系统中，在进行数据传输时，首先
10、需要在车载设备和地面设备间建立起通信链路。该数据传输方式的实时性和可靠性好，符合列控业务的数据传输需求。分组域数据传输方式使得用户能够在端到端分组传送模式下发送和接收数据。由于无线资源采用动态分配方式，一个用户可分配多个时隙，一个时隙也可由多个用户共享，用户虽然与网络一直连接，但仅当有数据传送时才占用无线信道资源，属于非安全性的数据传输业务。(1)电路域数据传输GSM-R网络提供的典型电路域数据传输业务接入方式如图21所示。 TE:终端设备 BSS：基站子系统 MSC：移动交换中心 MT：移动终端 ISDN：综合业务数字网。图2-1 GSM-R网络电路域数据传输业务接入框图(2)分组域数据传输
11、GSMR网络提供的典型分组域数据传输业务接入方式如图22所示。TE:终端设备 BSS：基站子系统 MSC:移动交换中心 MT:移动终端SGSN：GPRS业务支持节点 GGSN：GPRS网关支持节点图2-2 GSM-R网络分组域数据传输业务接入框图应用于分组域传输方式的GPRS网络在GSMR原有网络的基础上增加了GPRS业务支持节点(SGSN)和GPRS网关支持节点(GGSN)两个功能实体。SGSN相当于传统GSM系统中的MSCVLR，主要功能是对移动台进行鉴权、移动性管理和路由选择，GGSN是用于接入外部数据网络和业务的节点，SGSN和GGSN的功能可以在一个物理节点内实现，也可以放置在不同的
12、物理节点内。GPRS共用GSMR系统的基站，但BSC需要增加处理分组数据及无线分组信道管理的分组控制单元(PCU)，同时BSC中还要增加新的移动性管理软件。分组域传输方式的移动终端需要支持GPRS业务，GPRS分组域数据传输通道建立成功后，移动端和固定端都被GGSN分配一个口地址，双方通过TCPIP方式进行数据交互。无论是电路域数据传输还是分组域数据传输，数据传输有两种模式：透明和非透明模式。(1)透明模式对于透明模式，信息流通过无线信道时由无线信道传输方案提供的前向纠错机制完成纠错，在传输速率较低的情况下，采用透明模式能得到较好的传输效果。(2)非透明模式对于非透明模式，除了由无线信道传输方
13、案提供的前向纠错机制外，还使用了差错重发机制，如果另一端不能正确收到本端发送的信息时，本端应能重发该信息。非透明模式的残余误码率优于透明模式，但是它的吞吐量和传输时延会随着无线信道传输质量的改变而变化。2.1.2 电路域数据接入和传输流程在进行电路域数据传输时，电路域数据主叫应用设备首先要通过AT指令控制GSMR无线模块拨号，无线模块根据接入指示将被叫信息传输给GSMR网络，由GSM-R网络根据被叫号码寻找相应的被叫实体，分配相应的数据传输通道，呼叫建立成功后，双方就可以进行正常的数据交互。应用数据经过一系列速率适配和协议处理，传送至对端，即完成了数据的发送和接收。传输完毕，一方控制挂断，释放
14、数据链路。目前，GSM-R网络电路域数据业务主要应用于移动车载设备呼叫地面固定设备。数据接入和传输的具体流程如图23所示：图2-3 GSM-R电路域数据接入与传输流程图图2-3中左侧为移动主叫设备，对应于CTCS3级列控系统车载无线控制单元和GSM-R无线模块，右侧为地面侧固定设备，对应于CTCS3级列控系统地面无线闭塞中心。车载进行呼叫时，首先要检测无线模块的网络注册状态及接收电平，如果成功注册网络且接收电平满足通信需求，则通过AT+CBST指令设置电路域数据传输业务的承载速率。目前国内列控相关业务使用的数据传输速率主要有9600bps和4800bps两种，9600bps的数据承载速率主要应
15、用于中低速线路，如大秦线、青藏线。对于时速超过300kin的高速列控线路，例如CTCS3级列控线路，主要使用4800bps的业务承载速率，原因是在高速条件下无线信道的质量会出现一定程度的恶化，9600bps的电路域数据传输误码率无法达到规定的指标要求。承载速率设置完毕，通过AT命令朋m+被叫号码执行呼叫，尝试连接被叫侧的应用实体。如果接入正常，返回CONNECT连接成功，则GSMR无线模块可以由空闲模式正式转入专用模式，进入正常的数据传输过程。如果GSMR网络或应用实体在传输过程中出现异常，传输会被断开，车载侧GSMR无线模块返回NO CARIEER AT指令，表明GSMR无线模块退出专用模式，返回空闲模式。地面侧PRI接口会通过正常的呼叫挂断信令通知被叫用户，释放相关资源。如果传输过程中未出现异常，传输完毕，主叫侧可以通过正常的ATH或将串口DTR信号置低挂断当前呼叫，地面侧PRI接口同样会通过正常的呼叫挂断信令通知被叫用户，释放相关资源。3 高速环境下的小区规划高速铁路环境下的 GSM-R 系统需要在时速200350km/h 下运行，要为列控系统提供双向信息传
