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1、第三章GSM-R 系统的组成及业务功能第三章GSM-R 系统的组成及业务功能 第一节 GSM-R 系统概述第一节 GSM-R 系统概述 一、名词解释 GSM:全球移动通信系统 GSM-R: 全球铁路移动通信系统。 GSM-R 是铁路综合数字无线通信 系统，通过无线通信方式实现移动话音和数据传输,是基于 GSM（公 网）而发展起来的一种数字传输技术体制 GPS ：全球定位系统，铁路上用于实现列车追踪控制 GPRS：通用分组无线业务 IN：智能网 二、GSM 与 GSM-R 的关系六大关系 GSM-R 理论建立在 GSM 理论基础之上； GSM-R 技术建立在 GSM 技术基础之上； GSM-R
2、工业以 GSM 工业为基础； GSM-R 工程建设以 GSM 工程经验为基础； GSM-R 应用开发吸收 GSM 成功经验； GSM-R 的市场铁路专用，GSM 公众商用。 GSM-R 是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统，属 于第二代铁路数字移动通信系统。 三、GSM 与 GSM-R 的关系-业务模型 图 3-1 GSM 与 GSM-R 业务模型图图 3-1 GSM 与 GSM-R 业务模型图 四、铁路通信为什么要建设 GSM-R 系统 1、既有铁路无线通信系统存在许多问题： （1）功能单一、系统分散、相互间无法互通、维护成本高。 各分散系统主要有：无线列调、站场调车、客运、货运、
3、列检、 商检、车号、公务维修、公安等。功能：主要为语音业务，少量数据 业务。这些系统均为自行投资建设、独立使用、分散维护，造成设备 型号各异，种类繁多，相互间无法互通，维护运营成本较高。 （2）频点固定分配、信道固定使用，频率利用率低，容量有限。 铁路无线通信系统主要使用 450M 频段，共 58 对频点，固定分 配给了无线列调、站调、公安等无线系统使用，各个部门间不能相互 共享，造成频率资源的极大浪费。如北京、徐州、郑州枢纽等地已无 频点可供申请使用。既有无线通信系统采用频点（信道）固定分配的 方式，信道长期指配给某一系统（通常按专业划分）用户使用，当一 个信道遇忙时，其它用户只能等待，往往
4、造成该信道上的用户争抢或 者出现阻塞，通信质量得不到保证；而信道空闲时，别的系统用户也 并不能利用该信道进行通信。这无疑是对频率资源的一种浪费，也制 约了用户数量的进一步发展。 （3） 话音、 数据业务争抢信道， 传输可靠性低， 数据传输能力差。 经测算， 在 TDCS 和 CTC 区段， 当列车运行时速超过 250 公里时， 综合考虑调度命令、行车凭证、车次号、进路预告等数据信息传送和 车机联控话音通信需求时，业务密度加大，碰撞概率很大。基于无线 列调系统的数据传输速率仅达到 1.2Kb/s。 （4）枢纽地区干扰严重。 枢纽站往往是多条线路的交汇处，通话的无序性，使各个机车 台终端会对无线列
5、调信道进行争抢，造成“大信号抑制小信号”的后 果。目前，在枢纽车站设置多套车站电台（每条线 1 套） ，其中部分 车站台使用同频工作， 这些电台在车站附近形成一个大范围内的同频 干扰，降低了车站值班员的行车指挥效率。 （5）既有铁路无线通信不具备网络能力。 既有铁路移动终端对讲距离受限。 铁路各个无线通信系统分散， 不能联合组网，使得各系统之间用户无法进行联络。铁路无线、有线 调度网基本独立，无法形成有机融合的整体。 （6）开放系统，不具保密性 无线列调系统是开放系统，并未做任何鉴权加密处理，对用户 无需进行身份识别， 只要无线终端用户频点和调制方式与无线列调相 同，便可以加入到无线列调系统内
6、的通信。因此，话音业务可以被接 收或窃听，给行车安全带来极大的隐患。此外，公安系统对保密性的 要求也很高，现有系统无法达到。 2、铁路新业务对铁路通信新的业务需求。 （1）客运专线的业务需求（对通信系统在高速情况下的安全性、 可靠性、实时性、便捷程度提出了更高的要求） 。话音类：调度通信、 区间通信。数据类：列控信息传送、调度指挥信息传送、行车安全监 控信息的传送、旅客综合服务信息的传送等 （2）机车同步控制传输（重载货运专线）的需求。 重载运输中为了实现牵引过程中多个机车头的同时加速、 减速、 制动， 主控机车和从控机车之间需要通过 GSM-R 无线信道实时传递控 制命令，这就是机车同步操控
7、信息传送业务。 通过采用多机车牵引 模式，实现机车间的同步操控，达到单列运量 2 万吨，使用 3-4 个机 车头进行牵引。如果牵引机车操作不同步，就会造成车箱间的挤压或 者拉钩现象， 影响运输安全， 降低运输效率。 为了保证操作的可靠性， 利用 GSM-R 网络提供可靠的数据传输通道， 采用无线通信的方式来实 现机车间的同步操控。 图 3-2 机车同步控制传输示意图图 3-2 机车同步控制传输示意图 （3）车地信息化数据传输的需求。 列车与地面之间的无线通信一直是信息化发展中的最薄弱环 节。 随着铁路的发展， 铁路信息化要求的无线数据传输内容越来越多， 一方面，列车运行控制、列车安全监控、诊断
8、以及承载货物等实时信 息需要传送到地面上来，为实现列车信息实时追踪、客票发售、货运 计划、货车追踪、集装箱追踪等提供基础信息，满足铁路路网移动体 （机车、车辆等）实时动态跟踪信息传输的需要；另一方面，以旅客 为主体的移动信息，需要在车地之间实时进行传送，为旅客提供多方 位的综合信息服务。 （4）有线、无线调度业务融合的需求。 3、铁路通信采用 GSM-R 系统的优势。 通信 子系统 应用 子系统 30B+D GSM-R 网络 机车 1机车 2机车 3机车 4 Locotrol 控制单元 Locotrol 控制单元 Locotrol 控制单元 Locotrol 控制单元 GSM-R 车载 通信单
9、元 GSM-R 车载 通信单元 GSM-R 车载 通信单元 GSM-R 车载 通信单元 RS-2 32 应 用 数 据 端 口 RS-2 32 控 制 数 据 端 口 RS-2 32 应 用 数 据 端 口 RS-2 32 应 用 数 据 端 口 RS-2 32 应 用 数 据 端 口 RS-2 32 控 制 数 据 端 口 RS-2 32 控 制 数 据 端 口 RS-2 32 控 制 数 据 端 口 BTS BSC MSC通信接入单元 编组控制单元 Locotrol 地面 应用 节点 GSM-R是通过无线通信方式实现移动话音和数据传输的一种技术 体制。它是基于 GSM，并在功能上有所超越的
10、成熟技术，是专门针对 铁路对移动通信的需求而推出的专用系统。 它可以满足铁路的特殊需 求： （1）高级语音呼叫，包括：组呼、群呼、增强多优先级与强拆 （2）功能寻址、基于位置的寻址 （3）高速情况下的数据、语音业务的准确传输 （4）数据业务需求。 （5）其系统标准公开，可互联互通；欧洲有成功的标准、工程、 试验经验可借鉴。 无需从头研发， 节约了时间， 且支持的厂家为多家， 有利于形成良好的竞争局面。 第二节 GSM-R 系统业务网络构成第二节 GSM-R 系统业务网络构成 一、GSM-R 的频率资源 1、采用无线资源中 GSM900MHZ 工作频段，上行 885-889MHZ（移 动台发，基
11、站收） ，下行 930-934MHZ（基站发，移动台收） ，共 4MH 频率带宽。 双工收发频率间隔 45MHZ， 相邻频道间隔为 200KHZ。 共有 21 个载频。频道序号从 999-1019，扣除低端 999 和高端 1019 作为隔离 保护，实际可用频道 19 个。 图 3-3 无线资源频谱图 图 3-3 无线资源频谱图 图 3-4 GSM-R 频道号对应频率表 图 3-4 GSM-R 频道号对应频率表 2、小区频率配置的基本原则：同一个基站的载频间隔不小于 400KHz ，相邻基站载频间隔不小于 400KHz。 3、GSM-R 系统的频率资源很紧张，既然这一段频段资源少，为 什么不考
12、虑使用更高的频段，比如 1800M 左右的频率（3G 所使用的 频率）? 无线电波频率越高，在传播过程中造成的衰落就约快，这样一个 基站的覆盖范围就越小，则小区半径越小，所以频率是和小区的半径 成反比的， 频率高， 半径小， 那么一定的范围内， 沿线所建基站就多， 这样干扰就大。此外，高速列车要频繁的进行越区切换，其对铁路业 务的影响是极大的，容易能造成通信延时以及掉话。 4、GSM-R系统使用对称无线信道，采用频分多址（FDMA）+时分 多址（TDMA）的多址方式。先将4M频谱划分为21个载频，每一个载频 分成8个时隙，8个时隙组成一个TDMA帧，即1个载频可以提供8个物理 信道（时隙），提
13、供给8个用户同时使用，用来传输语音或数据业务。 也就是说一个频点可以同时8个用户进行语音或数据的通信。 图 3-5 时分多址图 3-5 时分多址 常规的多址方式有三种 ： 频分多址（FDMA），时分多址（TDMA）， 码分多址（CDMA）。 FDMA是将规定的频谱划分为若干个规定带宽的信道， 每个用户在 通信的时候占用一个信道。其是最早广泛应用也最成熟的多址技术， 主要用于第一代模拟移动通信系统中。 TDMA是将规定的带宽的信道在时间轴上分成一个个时隙， 若干个 时隙组成一帧。每一帧中的若干时隙构成一个物理信道。其在第二代 蜂窝移动通信系统中使用。铁路GSM-R系统也是采用这种多址方式。 CD
14、MA的物理信道在时间和频谱上是重叠的， 利用码字的正交性来 区分不同的物理信道。即在TDMA基础上，在每个时隙上承载多个正交 码型，属于第三代移动通信技术（3G）。 二、GSM-R 承载的铁路业务。 1、电路域业务： 目前，高铁 GSM-R 系统所承载的电路域数据业务主要有 C3 列控 及调度语音业务。 电路域业务又分为电路域数据业务和电路域话音业务。 电路域数据业务:列车控制信息（C3 列控业务） 。 电路域话音业务：调度移动通信语音（基础语音）业务、高级语 音业务。 GSM-R除了提供基础语音通话功能外， 还具备较高级的语音功能， 如：优先级与强拆(eMLPP)、语音组呼(VGCS)、语音
15、广播(VBS)。 优先级与强拆:包括两个方面：优先级和资源抢占。优先级是指 在呼叫建立时给该呼叫指配一个优先级， 该呼叫可以此级参与网络资 源的竞争和调配。资源抢占是指当网络中没有空闲资源可用时，具有 较高优先级的用户可以抢占强拆低优先级的用户的信道资源进行通 信。 语音组呼：一个讲话（呼叫的发起人） ，多人聆听。当发起人停 止讲话，某个人需要讲时，需要先进行申请，同意后也可以讲话。 语音广播：只能由发起人讲话，其他人听没有讲话的权力。 语音组呼和语音广播可以用于实现调度的指挥、紧急通知等，尤 其适用于铁路的行车指挥调度部门。 电路域业务主要针对于那些对实时性要求较高， 又要十分准确的 传递信
16、息，具有最高或者较高的优先级的业务。一般用于列车控制， 调度语音指挥行车，铁路应急指挥通信等重要的业务。采用电路交换 数据传输方式，配置固定信道，无法和其他信道共享，以此来保证传 输的实时性和准确性。 电路交换数据传输通过占用一条话音信道提供 端到端的数据传输。建立完成后，每条链路数据独占一个时隙（即一 个信道） ，数据传输速率最高为 9.6kbps 。 2、分组域业务。 目前， 一般高铁线路 GSM-R 系统所承载的分组域数据业务主要有 无线车次号信息、调度命令、近路预告信息。 分组域数据业务主要针对于那些对实时性要求较低 （与电路域业 务相比） ，突发性强，有一定的数据量的业务。采用分组交换技术， 可以高效传输数据和信令，只有当传输数据时才占用网络资源。优化 了对网络资源和无线资源的利用，同时提高了传输的速率。无线资源 中的一个频点即一个 TDMA 帧可分配 1 到 8 个无线接口时隙。这些时 隙能为用户所共享，且上行链路和下行链路的分配是独立的。可以同 时使用 8 个时隙进行数据传输，最高速率可
