（通信与信息系统专业论文）铁路移动通信关键技术研究.pdf

匿疼交滋大掌研突生学位论文第 茨 摘要 y 阮 本除文以我国铁路移动通信为背景，对未来用户需求和铁路专用移动通信技术体 制进行了分析与论证。本文还通过计算机模拟对单站和多站集群通信系统的话务特性 与模登进行了研究，得弼了一些有用结果。 论文首先对铁路移动通信系统功能需求进行了分析z 基于调研结果，从光线别调、 区阊透信、站场通信等方面进行铁路移动通信中长期功能需求分析。分析表明，铁路 专用移翡通信溺络的建设不髓氇不磁为公用通信系统所替代，必须采用新一代的数字 式专臻移动遥信技术矗d 遥过对现有静数字式移劲通信技术c d m a 、g s m r 、t e t r a 等进行比较与分析， 缝合我黧铁踌的实舔清况和未来发震方向，论证了未来铁路移动通信系统结构与技术 体裁。( 磷究结论为；商遂铁鼯帮干线秘溺数字集群逸傣系统，建议采用t e t i a 数字集 群系统；在嚣予线可剩蔫传统鹊无线魏调通信系统，蔽节约资金，有效利用现有设备山， f 必了研究单嬷集群遴信系统静话务特性，论文首先搿g r l a n g - c 模羹和计算机模 拟嚣转方式分撰比较了三种集群方式( 涝惑榘群、传输集群和猿传输集群) ，结渠表 明，传辕集群靛系绫容繁最大，最能发撵褰群系统静优势。箕次作者籍有限话源模型 对予群数少瑟子群援模大的趣题傲7 分析，并角译算机模按进行了验证。对予予群规 模较大的调度系统，可以采建有跟话源豹模塑避撑分析，这释分析适合予每个子群的 负载是乎簿( 均等) 的情况。对予平键受羲，透过计算撬模缀褥戮鹊结栗与分轿缡采 一致；对于4 平簿受载烤况，渴必分援楼型，毽蘧进系统模揪遣耱估计系统静主簧性 能指标和所熊提供的服务情况。茹立 最后，论文对多站集瓣透信系统擞了计舅规模揆，魄较了信邀势毵静强黼法帮动 态临界法，其中动态蟪界法以，j 、部分爆户不霹接入逶话鸯代徐，淡降低系绕翡栋筵 时概率和排队等德时间。 关键词；集群苎钞蔓隧匙i 蚤，集群透爹，e f i s n g - c 模等态黢话漾自掣， 多站集群系统，、l 弋k 。 。 。 歇赡黪利洚 倒 、 西南交通大学研究生学位论文第堕 a b s t r a c t b a s e do nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sj nc h i n e s er a 1 w a y , t h ed e m a n d sa n dt e c h n i c a l a r c h i t e c t u r ef o rf u t u r er a i l w a ym o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa r ea n a l y s e da n dd e m o n s t r a t e d a s i n g l e s i t e m o d e la n dam u l t i - s i t em o d e lo ft r u n k e dr a d i o s y s t e m s a r e a n a l y s e da n d s i m u l t e d u s i n gq u e u i n gt h e o r yc o n c e p t s ，r e s u l t i n g s o m e1 l s e f u lc o n c l u s i o n s a c c o r d i n g t oo u ri n v e s t i g a t i o nr e s u l t s ，t h es y s t e mf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sf o rr a i l w a y m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ，i n c l u d i n g t h er a d i ot r a i nd i s p a t c h i n g , i n t e r s t a t i o nc o m m u n i c a t i o n s ， s h u n t i n gr a d i o sa n ds oo n a r ea n a l y s e d i th a sb e e nc o n c l u d e dt i l a tr a i l w a yp r o f e s s i o n a l m o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sc a nn o ta n ds h e u l dn o tb es u b s t i t u t e db yp u b l i cc e l l u l a r m o b i l ec o m m u n c a i t o nn e w o r k s ，a n dan e w d i g i t a lp r o f e s s i o n a l t r u n k e dm o b i l e c o m m u n c i t a o nt e c h n o l o g ys h e u l db ea d p o t e di nc h i u e s er a i l w a y b yc o m p a r i n g a n d a n a l y s i n g v a r i o u sd i g i t a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s s u c h a sc d m a ，g s m r ，t e t r aa n ds oo n , c o m b i i l i n g 、 ，i t ht h ee x i s t i n gs t a t u sa n df u r t u r e t r e n d s ，t h e f u t r u e r a i l w a y m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s t r u c t u r ea n dt e c h n i c a l a r c h i t e c t u r ea r es t u d i e d i ti sc o n c l u d e dt h e | h i g h - s p e e dr m l w a y sa n dt r u n kl i n e sc a na d o p t ad i g i t a lt r u n k e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i e 啊m l a 。a n dt h et r a n d i t i o n a lr a d i ot r a i n d i s p a t c h i n gs y s t e mc a ns t i l lb eu s e di nn o n t r u n kl i n e si no r d e r t or e d u c ec o s ta n dm a k ef u l l u s eo f e x i s t i n ge q u i p m e n t i no r d e rt o i n v e s t i g a t et h et r a f f i c c h a r a c t e r i s t i c so ft r u n k e ds y s t e m s ，t h r e et r u n k e d m o d e sh a v eb e e nc o m p a r e da n da n a l y s e d b e t hw i t he r l a n g c a n a l y s i s m o d e la n d c o m p u t e rs i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tt h es y s t e mc a p a c i t yi st h eh i g h e s ti nt r a s m i s s i o n t r u n k e dm o d e f u r t h e r m o r e 。at r u n k e ds y s t e mw i t hl a r g ed i s p a t c h e ds u b f l e e t sa n dl i m i t e d n u m b e ro fs u b f l e e t si ss t u d i e d i ti ss h o w nt h a tf u r l t e 一8 0 u n m o d e l sa r et l l ea p p r o p r i a t e w a yt oa n a l y z et h ei m p a c to fl a r g ed i s p a t c h e ds u b f l t so nat r u n k e dr a d i os y s t e m t h e a n a l y t i c a lr o o d e li ss u l t a b l ew h e ne a c hs u b f l e e to f f e r s 雅e q u a ll o a d a sf o rb a l a n c e dl o a d , t h es i m u l a t i o np r o c e d u r ea n da n a l y t i c a lm o d e l sh a v es h o w nt op r o d u c ec o n s i s t e n tr e s u l t s t ou n b a l a n c e dl o a d ，a l t h o u g ht h e r ei sn oa n a l y t i c a lm o d e l ，t r u n k e ds y s t e mp e r f o r m a n c e w i t hr e s p e c tt ot h es c a l eo f d i s p a t c h c ds u b t l e e ta n dt h en u m b e ro fs u b f l e e t si so b t a i n e d t h r o u g ht h es i m u l a t i o n f i n a l l y , am u l t i s i t e t r u n k e d s y s t e m i sa l s os i m u l a t e d t w or e s o u r c ea l l o c a t i o n m e t h o d s ，f r o c e dm e t h o da n dd y n a m i c c r i t i c a la s i g n m e n tm e t h o d 。h a v eb e e ne x a m i n e d t h e r e s u l t so ft h i ss i m u l a t i o nr e v e a lt h a tt h ep r o b a b i l i t yo fc a l l b e i n gq u e u e da n da v e r a g e q u e u e dt i m ec a nb er e d u c e da tt h ee x p e n s eo fp r o b a b i l i t yo fu n a c c e s s a b l eu s e r si nt h e s y s t e m k e y w o r d s ：t r u n k e dm o b i l er a d i oc o m m u n i c a t i o n s ，g s m - r ，t e t r a ，t r u n k e dt r a f f i c ， e r l a n g cm o d e l ，f i n i t es o u r c em o d e l ，m u l t i - s i t et r u n k e ds y s t e m 西南交滏大学磷究生学位论文鼙! 亟 第一章绪论 1 1 技术背景与基本概念 集群移动通信系统是指系统所具有的全部可用债道都可为系统的全体用户共用， 繇系统肉的经一搿户慧要和系统内另一瀚户通话，必要有空闲倍遒，绝就可以在中心 控制台的控制下，剥用空闲傣遒沟通联络，邋话结寒轰秀释放该售遴以便健人使用 1 3 。 祭群一词是孰荚文t r u n k e d 或t r t m k i n g 意译过来的。t r u n k 本意为中继或干线， 蕊中继这一概念农电话交换极诞生以来就产生了。秃线集群秘蠢线鼹曦话中继是蠢类 似之处的，早期曾把“t r u n k e d s y s t e m ”译为“中继系统”，但又怕将t r u n k e d 的中继 和r e l a y 的中继混淆，所戳商来有蹙专家认为把t r u n k e d 意译为集群更为恰当，阂为 它本身就具窍集小群为大嚣瓣特点，集鞯圭姥瀑翅蘩今。 集群通信系统是专用调度通信系统的高级发展阶段。专用调度通信是很早就出现 的一种通信系统。它从一对一的对讲机形式、间频单工组阐方式、异频单工组网方式 到荸倍遂一鼯西皮以及遴一步瓣选蜉系统，发藤到多僖遂巍动拨号系统，继露发疆成 为多信道用户共享的调度系统，即集群通信系统。 集群通信系统大多采用单工或半双工方式工作，大区制，以无线调度通信为难， 每次的逶诿辩阕娥。键发凌黥多，舆有选呼、缝释、：全帮、繁靛捧瓢疆动强秘、饶 先等级、紧急呼叫、动态重组、遥毙、统计计赞，系统自我诊断、故球弱纯等。窀很 适合子对指挥调度功能簧求较高的部门，如铁路、公安、武警、交通、电力等企攀业 蕈经。 1 。2 国内外集群通信发展与研究现状 随精社会和通信技术的发展，各种通信系统不断涌现，而无线移动通信技术是移 动遥信中发麓最茯豹。交于对无线通信需求豹邋邃璜搬，光线电颓谱资源已经成为越 来越严熏的随题。集群佟为一耪改进透信系统效率的技术，已经被应麓到移动茏线通 倍中，使得相同频段可容纳比常规系统更多的用户。 西南交通大学研究生学位论文第2 页 应用于移动通信的集群理论出现于七十年代末八十年代初。由于集群通信的很多 优点，比如单机自动加入正在进行的群呼通话、对申请服务的用户保持自动回呼、连 接时间短( 小于1 秒，数字集群t e t r a 系统可小于3 0 0 毫秒) 等，非常适合于调度指 挥的专用通信系统，因而集群通信系统作为一种体制，通常是与专用移动通信联系在 一起的 i ，4 - 5 。 一 国外集群通信发展与研究现状 集群通信系统的发展与公用蜂窝移动通信一样，是一个从模拟系统到数字系统的 过程。八十年代出现的是模拟集群通信系统，但其信令大部分是数字的。集群通信系 统又可分为专用控制信道的集中式系统和随路控制的分散式系统两种。分散式系统有 美国的e f j o h n s o n 公司的姗l t i n e t 系统、u n i d e n 公司的f a s t 系统，它们都 采用3 0 0 b i t s s 的亚音频随路信令l t r 。集中式系统有美国m o t o l o r a 公司的 s m a r t n e t 、瑞典e r i c s s o n 的d a c s 、e d a c s 和g e l 6 p l u s 系统，它们采用的都是公司自 己设计的专用信令，信令不公开；此外还有荷兰p h i l i p 公司的t n 2 0 0 、芬兰n o k i a 公司的a c t i o n e t 、新西兰t a i t 公司的t a i t 、台湾东讯公司的t c 舻l 、澳大利亚 s t n i l i t e 公司的a p t - l i n k 系统等，这些系统均采用m p t - 1 3 2 7 数字信令。m p t 一1 3 2 7 自八十年代中后期发布以来，已经成为模拟集群通信系统事实上的国际标准，在大多 数国家得到应用，该标准支持厂商众多，产品的选择余地相对要大，其价格也比较便 宜 1 ，4 - 8 h 随着对集群系统在专用通信方面所具有优势的认识的深入，近年来集群系统已经 越来越受到关注。而数字集群作为集群通信系统发展的方向，发展很快。 数字集群系统从9 0 年代初期进入市场，有多种不同的制式 9 2 2 。例如美国的 a p c 0 2 5 ，采用频分多址技术，信道间隔1 2 5 k h z ；又如m o t o r o l a 公司的i d e n 系统； 目前在北美已初具规模，是用于公共接入的专用移动通信( p a m r ) 系统；以色列和美国 合资g e o t e k 公司生产的f h m a 系统；此外还有t e t r a 系统( 可翻译成特捷系统) 。t e t r a ( t e r r e s t r i a lt r u n k e dr a d i o ) 也采用时分多址技术，近两年才进入市场，该系统最 为引入注目之处是标准的开放性，其标准由欧洲电信标准协会e t s i ( e u r o p e a n t e l e c o m r a u n i c a t i o n ss t a n d a r d i z a t i o ni n s t i t u t e ) 制定，网络运营者、国家管理机 构、设备制造商和用户都共同参与了标准制定工作。标准的主要部分已于1 9 9 5 年末 投票通过。目前正在进行标准的完善工作。在这些制式之中，t e t r a 系统是数字集群 西南交通大学研究生学位论文塑! 夏 通信系统中最有竞争力的一种。 1 9 9 8 年1 1 月1 6 日至1 9 日，第一届t e t r a 世界大会在柏林召开。t e t r a 数字集 群移动通信系统的发展进入了一个新阶段。它的目的是建立泛欧的面向二十一世纪的 数字集群通信网，便于欧洲各国公共安全和公众集群用户使用，促进欧洲各国的集群 通信标准化。t e t r a 系统标准开放，众多生产商竞争，有利于用户选择产品，因此赢 得全球各国的广泛注意和兴趣。到目前为止，欧洲大部分国家、澳大利亚、新加坡、 印度等都已确定采用t e t r a 系统，俄罗斯、南美、中国也对t e t r a 系统表示了浓厚兴 趣。t e t r a 得到市场和制造商的支持，将成为数字集群的主流。t e t r a 集群系统可以 适应两种类型市场，一类是公共安全需要的专业调度网，如警察、救护、救火队等使 用的调度网；另一类是公共调度网，供市政部门、公用事业、电力、高速公路等机构 使用。利用t e t r a 系统，各个部门可以组成虚拟专业网，工作时互相独立，互不影响， 建网费用分摊或向运营商租用。特捷系统可以模块化扩容，最简单的系统可以只有一 个基站。这样，可以最大限度利用频率资源和基础设施，减少建网成本和维护工作。 集群通信系统提供的服务相对于公用蜂窝通信系统要复杂的多，因此对系统的分 析也较复杂。同时自九十年代以来，g s m 蜂窝系统风靡全球，集群通信系统的发展远 远不及公用蜂窝移动通信系统，对集群通信理论的研究也相对较少。但随着数字集群 通信的发展，特别是t e t r a 系统的推出，相信对集群系统的研究也会日益受到重视。 目前的研究有集群话务特性的分析，建立相应的预测模型，对t e t r a 集群系统的性能 分析等 2 3 - 3 5 。由于对集群通信系统提出了广域通信的要求，而同时频谱资源的短 缺和无线通信频段向高频段发展，集群通信的单站覆盖区会越来越小，由此也出现了 对多站集群系统的研究f 2 ，3 6 3 7 。 集群通信系统在我国的发展 集群通信系统在我国的发展经历了一个曲折的过程。我国模拟集群通信系统起步 不晚，但使用不当，发展缓慢。8 0 年代末9 0 年代初开始使用模拟集群移动通信系统， 主要是进口国外的产品：日本u n i d e n 公司f a s t n e t 系统( 约4 0 0 0 个信道) ；美国 m o t o r o l a 公司的s m a r t n e t 、s m a r t z o n e 系统( 约3 0 0 0 个信道) ；美国e fj o h n s o n 公 司的c l e a r c h a n n e l 系统( 约1 0 0 个信道) ；新西兰t a i t 公司( 约1 2 0 0 个信道) 、芬兰 n o k i a 公司( 约4 0 0 个信道) 和中侨公司( 2 0 0 个信道) 的m p t l 3 2 7 系统；台湾东讯公司 的系统( 5 1 0 个信道) ；瑞典e r i c s s o n - - g e 公司的e d a c s 系统( 约5 0 0 个信道) 。共约l 亘塑奎追查堂丛窒竺堂焦堡窒 蔓兰夏 万个信道，2 0 万部手午j l l l o 。 由于各部门初建集群系统时，主要供领导和管理干部使用，是以电话互联为主的 双工通信，很少用于一线的生产调度。特别是在1 9 9 2 年1 9 9 4 年公众蜂窝移动通信 发展初期，价格昂贵，扩容不足，不少单位就用集群通信向社会提供服务，与蜂窝通 信竞争，号称“二哥大”，步入误区。虽然短期内集群通信得以迅速发展，但随着蜂 窝通信网的扩容和降价，很快就被淘汰，使用定位的不当造成了一些“二哥大”网逐 渐处于瘫痪的状态，也严重地阻碍了专用集群网的发展速度。如煤炭部机关、电力部、 铁道部建的某些网就是如此。此外集群通信系统基本都是从国外引进的，制式上是“七 国八制”，技术体制上的不一致严重影响了各个部门共同建网，网络互联和移动用户 的跨地区漫游 1 0 ，3 8 3 9 。 但为指挥调度而建的模拟集群网却发挥了很好的作用。如公安部自1 9 8 0 年以来， 全国县以上公安机关都组建了无线通信网，到1 9 9 8 年无线电台近3 5 万部，制定模拟 集群部标，在i 0 0 多个大城市组建了m p t l 3 2 7 信令的模拟集群系统，占地市以上单位 的2 9 4 ，集群移动台4 万5 万部，总投资4 亿5 亿元。民航总局1 9 9 4 年1 9 9 7 年间在2 1 个大型机场建了8 0 0 m h z 模拟集群网，全部用于机场一线工作人员( 如售票、 登机、地勤) 的指挥调度，9 0 是单工工作，1 0 是双工工作，首都机场两个基站， 1 5 对频点，1 5 0 0 部手机，仍不能满足使用需要。江苏省电力系统建的模拟集群网1 3 个基站，7 0 个信道，用于生产服务及大修、抢修的指挥，发挥了很好的作用。 1 9 9 8 年，中国t e t r a 移动通信系统国际研讨会在北京召开。在这个会议上，对中 国集群通信系统发展的误区做了深刻的分析，统一了认识，认为中国专用移动通信市 场有着广阔的市场前景，且它的作用不可被公用蜂窝网所替代，因而我们必须紧紧抓 住机遇，加速对数字集群系统的开发建设，充分做好国外技术的消化引进和我国数字 集群技术体制的优化工作。目前，我国集群专用移动通信系统的发展进入了一个良好 的发展时期 7 ，i 0 ，4 0 。 - 铁路集群通信的发展与现状 铁路作为一个以运输生产为主要任务的部门，对移动通信的需求十分迫切。当前 大多数铁路移动通信仍停留在单信道模拟常规对讲系统水平上，频率资源浪费，信道 利用率低。因此，世界各国都在积极进行新一代铁路综合无线通信系统的开发研究。 比如欧洲铁路新一代无线通信项目采用了g s m r 技术，韩国的高速铁路列车无线通信 西南交通大学研究生学位论文 第5 页 系统采用了m o t o r o l a 公司智慧区模拟集群系统和r d l a p 无线数传系统。这些系统 将现有的分离铁路通信应用融合为一个集成网络，为铁路运营提供了更方便灵活的通 信 6 ，4 1 4 3 。 在我国，早在7 0 年代，用于运输生产指挥的铁路列车无线调度通信系统就得到 了采用，并在8 0 年代后期作为安全措施在全路普及，成为铁路运输调度指挥系统不 可缺少的通信工具和安全保证设施。但随着铁路运输向高速化方向发展，铁路运输的 现代化和行车安全迫切需要能够传输话音、数据等的移动通信系统，而原有的列调系 统仍属于常规对讲系统，不但在功能上和传输可靠性等方面不能满足运输生产指挥调 度的需要，而且在系统上仍然存在许多不安全因素 4 4 4 8 。 此外，铁路各部门自建的简单对讲无线通信系统与集群通信相比浪费资源、功能 简单，通信距离也十分有限，而且分散投资造成经济浪费。1 9 9 9 年4 月，青岛全路 电务工作会议提出；“积极发展多用户、综合业务的铁路集群移动通信网，广泛用于 站场作业、公安保卫和抢险救援，满足铁路运输对移动数据传输的需要。充分利用既 有无线列调资源优势，逐步实现集群和无线列调结合的c + t 方式，向综合集群通信过 渡。”可以看出，我国铁路运输的现代化，迫切需要先进的集群移动通信系统。 我们可以用集群通信系统的优先用户级。组呼等功能实现列调、贸调电话业务； 利用话音呼叫功能完成区间内各维修人员的业务联系；利用紧急呼叫，状态呼叫等功 能实现既有区间应急通信业务和道口、桥梁等应急呼叫业务；编组场的站场调车、列 检、车号、商检等的信道相对独立，不进入市话及与区间的连网，特别是站场调车， 因为调车通信、信令传输频繁、紧急、涉及车轮的转动；设备的选择上无须考虑机车 司机与调度员之间的双工通信，在目前资金紧张的情况下各基站之间可以不要求过网 自动切换功能，这样可大大降低购置设备的成本，体现集群网的优势。 铁路运输正向着高速化方向发展，对移动通信提出了更高的要求，可以说，先进 高效的铁路移动通信系统是实现铁路现代化的必要条件。因此，充分研究我国铁路运 输生产对移动通信的需求非常有必要，同时还需要认真研究国际上已有的新技术和新 系统，取其长处，分阶段、因地制宜的适时发展符合我国国情的铁路专用移动通信系 统。 1 3 论文思路与内容 本论文是基于铁道部科技研究开发计划项目“铁路移动通信系统网络规划及结构 西南交通大学研究生学位论室蔓! 夏 研究，来开展的。本文将根据我国铁路的实际情况，先进行用户需求分析，研究与铁 路相关的通信技术。为了对集群系统和理论进行更深入的研究，本文还利用计算机模 拟对集群话务特性与模型做了进一步的研究，最后对多站集群通信系统做初步的分 析。论文主要内容有： ( 1 ) 铁路移动通信需求分析 根据调研结果，从地面对列车的移动通信、区间通信、站场通信等方面对铁路进 行中长期功能需求分析。得出结论为：铁路专用移动通信网络的建设不能也不应为公 用通信系统所替代，发展新一代的数字式铁路专用移动通信系统是必由之路。 ( 2 ) 专用移动通信技术研究 对现有数字式移动通信技术( c d m a 、g s m r 、t e t r a 等) 进行比较和分析，并对铁 路移动通信技术体制提出建议。 ( 3 ) 单站集群通信系统模拟与分析 对集群系统的三种集群方式进行分析，并利用计算机模拟进行比较验证。同时还 将对子群数相对共用信道数较少而子群规模大的情况进行分析与模拟。 ( 4 ) 多站集群通信系统模拟与分析 对多站集群通信系统进行模拟，主要是对多站系统中群呼处理的强制法和动态临 界法与呼叫忙延时概率和呼叫等待时间的关系进行比较与分析。 西南交通大学研究生学位论文蔓! 夏 第二章铁路专用移动通信系统需求分析 随着铁路运输的发展，特别是铁路实施提速战略以来，运输生产指挥系统对铁路 移动通信提出了更高的要求，以满足运输指挥系统对列车运营进行管理和控制的需 要。同时自8 0 年代推出的蜂窝式公用移动通信系统发展速猛，铁路移动通信系统是否 可以由公用移动通信系统替代，这是铁路无线通信发展面临的迫切需回答的问题。本 章就将对铁路移动通信系统功能需求进行分析，并得出如下结论：铁路专用移动通信 不应也不能被公用移动通信所替代；发展新一代的数字集群移动通信系统是新时期铁 路无线通信发展的必由之路。 2 1 铁路移动通信存在的问题 铁路现有的移动通信系统大部分是简单的常规对讲系统，工务维修、电务维修、 公安等部门都分别申请了频点，建立了自己的对讲系统。目前，在全路最普及的是无 线列调，在全路6 万多公里的营运线路上，无线列调的装备率已达到1 0 0 。现已基 本完成由1 5 0 m 到4 5 0 m 的改造工作，由无线列调实现的车机( 车站一机车) 联控是 铁路运输调度指挥系统不可缺少的安全保证设施。 我国铁路在9 0 年代初已开始发展铁路集群通信系统，从最初北京局搞的诺基亚 系统到济南、郑州、成都、柳州等局的友利电系统，已经经历了近十年的历程。现已 有近三十个基站，三百多个信道，3 0 0 0 多移动用户。 济南局现有的集群通信系统是从1 9 9 1 年开始探讨和逐步建立的，1 9 9 3 年济南局 建成第一个集群基站，这也是我国铁路首次采用集群通信系统。在审议时，有关领导 和专家普遍认为集群通信系统适应铁路通信发展的需求，应大力推广。后来，济南局 建成集群通信基站9 个，信道5 5 个，但却没能得到进一步的发展。 最初，全路的集群通信系统基本都采用u n i d e n 公司的产品。该产品采用l t r 信 令，分散控制方式( 随路信令) 。济南局在使用过程中发现，该设备作为单基站使用 还是可以的，但作为多基站使用时，无法实现联网漫游。u n i d e n 公司当时承诺开发 e s a s 系统，解决联网漫游问题，但没有成功。从成都局使用的情况来看，2 3 个基 站联网是可以的，但基站多了，则有问题。这也影响了济南局集群通信系统建设的进 西南交通大学研究生学位论文 第8 页 一步发展。 成都局于1 9 9 4 年3 月开始建设集群通信，开始时采用的也是美国u n i d e n 公司的 l t r 系统，1 9 9 6 年升级为e s a s 系统( 扩充型亚音频信令) 。目前正在筹集成都至燕岗 间的集群通信。 自1 9 9 8 年全路电务工作会议以后，铁路已开始有步骤加快集群通信系统的试验和 建设工作，如利用世行第6 批贷款建设的湘桂线柳州至南宁的m p t l 3 2 7 多基站集群通信 系统、京秦线集群通信系统和陇海线天水至兰州c + t 系统等四项重点工程。此外，铁 道部还在积极筹划湘黔线淮化枢纽、陇海线徐州至连云港、成昆线成都至燕岗、京广 线郑州至小商桥和京九线等集群通信系统项目。 通过调研，我们了解到目前铁路专用移动通信网存在以下问题 4 4 ： 一频率利用率不高，频点紧张 移动通信需求日益发展，但频率资源是有限的，铁路系统的频点尤为短缺。铁路 现有的移动通信系统大部分是简单的常规对讲系统，工务维修、电务维修、公安等部 门都分别申请了频点，建立自己的一套对讲系统( 一般覆盖半个到一个区间，多为同 频单工) ，不但造成频率资源的极大浪费，特别是在枢纽地区，如北京、徐卅i 等，己 无频点可供申请使用，而且同频干扰严重。 一无线列调系统存在局限性 传统的无线对讲设备可靠性差、功能少、容量低、业务单一，信道单一，而无线 列调在本质上属于同频对讲系统，虽然能基本满足铁路支线的调度通信的需要，但也 存在下述局限性： ( 1 ) 由于无线列调( 无论是a 、b 、c 制式) 大部分为同频同信道单工系统，不仅存在 同频干扰，而且在同一信道上存在“大信号阻塞小信号”问题，即长发问题。在 特殊条件下，很有可能发生一般的业务阻塞重要的安全信息的情况，从而对行车 安全造成威胁。平面调车等其它系统也存在类似问题。 ( 2 ) 列调系统实现的车机联控是保证铁路安全运输的重要手段之一。有关技规严格规 定了允许加入无线列调通话的人员范围，但目前手持台应用非常普遍，大量的车、 机、工、电、辆人员均有手持台，管理手段无法制约；同时社会上手机的持有量 也非常大，一般均能调出列调频率。在列调频点上乱说乱讲的现象并不少见，这 对于安全行车来说是一种隐患。 西南交通大学研究生学位论文第呕 ( 3 ) 无线列调是单信道系统，在铁路运输越来越繁忙的情况下，除了要完成机车联控 等调度业务外，尾部风压、车次号的传输以及无线预警系统等纷纷加入此系统， 使得该系统内拥挤不堪，有可能影响到机车联控的可靠性。 ( 4 ) 大三角问题。大三角通信是无线列调的一个组成部分，但通话量很少，估计在整 个列调系统中占不到5 。现有系统接通时间太长，一般为7 8 秒，加上调度员一 般习惯于通过有线电话转接车站值班员将命令传给司机，故而大三角利用率十分 低，几乎处于闲置状态。 一无法满足无线数据传输的需求 随着铁路向现代化、高速化方向的发展，需要对机车、车辆等设备的性能、 技术指标等主要数据和参数进行采集、传输、分析和处理，因而对于无线数据传输的 需求也越来越来迫切。利用数传技术，将能实现对列车的实时监控：可以将运行中的 列车的信息( 如行车速度、机车车次号、列车所在位置等) 实时地传给地面或调度， 地面再将控制信息传给列车，不但能减轻司机的劳动强度，还有利于提高效率，安全 行车。而铁路现有的常规无线通信系统，功能简陋，基本不具有数传功能。 - 移动通信系统建设缺乏统一规划 铁路各部门由于业务需要，建立了大量的对讲系统，性能原始，投资分散、维护 分散，造成高投入、低产出，浪费巨大。铁路移动通信系统的建设没有统一规划，以 集群网为例，由于缺乏统一规划，统一标准，制式不一致，到目前为止至少有4 至5 个公司的产品在铁路上使用，信令也有3 至4 种，使得集群通信系统不能真正发挥其作 用。 2 2 建设铁路专用移动通信系统的必要性 陆上移动通信系统按应用性质通常可划分为公用移动通信系统和专用移动通信 系统p m r ( p r i v a t em o b i l er a d i o ) 两大类。公众移动通信网是由政府或它所批准的经 营者，以为公众提供移动通信业务为目的而建立利经营的网络。该网络与公众交换电 话网互联，形成整个地区或国家规模的通信网。在人口稠密的办公区域或山区采用基 于无线本地环路或无线接入的无绳电话系统，目前的数字无绳电话系统主要有日本的 p h s ( p e r s o n a lh a n d y p h o n es y s t e m ) ，欧洲的d e c t ( d i g i t a le n h a n c e dc o r d l e s s t e l e p h o n e ) 和美国的p a c s ( p e r s o n a la c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 几种标准。 西南交通大学研究生学位论文鳇塑 在大中城市使用的是模拟或数字蜂窝系统，模拟系统多采用t a c s 制，数字蜂窝采用 g s m 制或c d m a 系统等。在人员稀少的城市或乡村使用卫星移动通信系统。今后各种 系统兼容，逐步过渡到个人通信系统。 专用移动通信网是指某一部门如公安、铁路、交通等内部业务使用的移动通信网。 它可与公众交换电话网( p s t n ) 或专用有线交换机( p a b x ) 互联或不联。专用移动 通信网的通信通常在一群用户间进行，且该用户群的活动多由一个控制中心操作。与 公用的蜂窝移动通信系统所提供的标准和相对简单的服务相比，专用移动通信系统提 供的服务种类更多更复杂，实际信道利用率更高。典型的专用移动通信系统有 m o t o l o r a 的s m a r t n e t ，p h i l i p 的t n 2 0 0 ，n o k i a 的a c t i o n e t ，t a i t 的t a i t ，e r i c s s o n 的g e l 6 p l u s ，法国的a l c a t e l 9 3 2 0 ，台湾东讯的t c 卅1 和德国s i e m e n s 的列车无线 电话系统i t r ，数字式专用移动通信系统有m o t o l o r a 的i d e n ，以色列的f h m a ，欧洲 标准t e t r a 等 4 ，6 ，4 4 4 6 。 我国自1 9 8 7 年以后开始使用的模拟集群系统，具有接续快，频谱利用率高，组 网灵活等优点，但它的发展曾步入误区。在9 0 年代初，随着我国市场经济的发展， 蜂窝移动通信网呈指数增长，尤其在1 9 9 2 1 9 9 3 年期间，蜂窝通信扩容的速度，赶 不上用户的要求，此时集群通信系统利用蜂窝通信扩容不足的空隙，将集群通信作为 蜂窝通信的补充，与蜂窝通信竞争，把具有调度功能的集群通信，全部改为双工电话 功能，同蜂窝通信一样向社会经营。虽然短期内集群通信系统得以迅速发展，但由于 集群系统本身设计的是专用网，而不是公众网，从而暴露了模拟集群系统话音质量差， 需要二次拨号，盲区多，手机体积大等缺点，逐渐不被用户喜欢 5 ，3 9 。随着蜂窝通 信的发展和降价，使经营集群网的公司蒙受经济损失，使我国集群系统发展速度与蜂 窝通信相差甚远，蜂窝手机达几百万用户，而集群手机仅有几万用户。近几年来，我 国集中力量开发公用蜂窝网，对专用网不给予重视和支持，甚至错误地认为用蜂窝网 可以代替专用网。据了解，发达国家如欧洲国家，在使用模拟蜂窝通信的同时，仍使 用统一标准m p t l 3 2 7 信令的集群通信网。在使用数字蜂窝g s m 系统的同时，同时研 制数字集群网体制的t e t r a 标准。发达国家将公众移动鄹、专用移动网协同发展，各 个移动网互不代替、各有各的用途，这值得我们借鉴蜂窝通信与集群通信区别如表 2 1 所示。 西南交通大学研究生学位论文第“页 表2 1 集群系统与蜂窝系统的比较 类别集群通信网蜂窝通信网 应用专用网 公众网 服务对象 专业人员、一线工作人员 私人 通信方式双工、单工、。直接模式全双工 话音、数据传输、静止图象、g p s 、 业务范围车辆自动定位与控制、多媒体业话音、f a x 、少数有短数据业务 务 接通速度快速接入，一般小于1 秒接入速度慢，一般约需1 0 秒 群呼、广播呼、优先级呼叫处理 服务、强拆、强插、自动回呼、无调度功能，无群呼、广播呼， 系统功能 繁忙排队、跨区调度、通话限时无优先级呼叫处理功能 功能等 信道( 频率) 高低 利用率 7 0 移动用户间通信，3 0 * , 移动用2 0 0 , 4 移动用户间通信、8 0 移动用 接续方式 户与有线用户通信户与有线用户通信 移动用户类 5 0 为车载台9 0 为手机 别 大区制，多种形式网络结构( 单 网络结构区网、链状网等) ，可与p s t n 互 一种网络结构，大容量、多区制、 联或不连 必须与p s t n 互联 加密功能加密等级高一般安全通信 系统容量通常较小大容量 铁路移动通信系统的首要目的是为列车安全运输服务，它要求有很强的调度功 能；覆盖区域不是一个面，而是沿铁路延伸成链状，有些地方还要进入山洞隧道；各 车站又要能接到指挥调度部门和各城市的市话局。概括起来，其业务有如下特点： 1 大部分为谪度用的群呼叫，要求系统提供选呼、组呼功能； 2 无线用户要有优先级设置，建议分为四级：一级，无线列调用户，因为与行车安 全密切相关，需具有紧急呼叫、强插和强拆等功能；二级。允许全路漫游，优先 排队；三级，允许局内漫游；四级，仅限于分局管内( 本地) 通话。 3 接通时间要求在1 秒以内，高速铁路要求低于o 3 秒； 4 呼损率约2 6 ，移动用户忙时话务量约0 0 3 爱尔兰： 5 系统应提供繁忙排队，自动回叫功能 一。h。_，_一 西南交通大学研究生学位论文 第1 2 页 6 为保证信道有效利用，缩短等待时间，通话应有时间限制。通话限制可分为一分 钟、三分钟、无限时三种。 7 覆盖面为铁路沿线。 从以上的分析比较可以看出，公众蜂窝移动网是无法满足铁路移动通信系统的调 度要求的，而专用集群移动通信网就很适合其需求。与公用蜂窝系统相比，专用移动 通信系统的优势除了它能提供特殊部门所要求的专用功能以外，还有使用费较低的优 点。 以成绵高速公路为例，相关征稽、管理等部门原来均租用公用蜂窝网的移动电话 进行通信，每月的电话费非常惊人，假设每天通话一刻钟，每月的电话费就是：1 5 分钟天+ 3 0 天+ 0 6 元分钟+ 5 0 元座机费= 3 2 0 元，实际上还不止这么多。在建 成成绵高速路8 0 0 m 集群系统以后，改用集群手机或车台，服务费是1 5 0 元月，提 供群呼等功能，联络非常方便、快捷，费用又便宜，大家都很乐意用。 除此之外，非常重要的一点是使用者对整个专用移动系统的完全控制，不受其它 机构或网络的牵制或影响，这对于铁路和公安移动通信来说是至关重要的。 综上所诉，铁路专用移动通信不应也不能被公用移动通信所替代，二者之间是互 为补充的关系。 2 3 铁路集群通信系统的特点和应用场合 铁路集群移动通信系统集群通信具有共用频率资源、共用基础设施、共享场强覆 盖、共享通信业务和共同分担费用等众多优点，因而发展集群通信是新时期铁路无 线通信发展的需要 1 0 ，4 4 ，4 7 4 8 。 1 ) 随着铁路现代化的发展，对移动通信的需求日益增加；在频率资源有限的情况下， 为尽可能满足生产和发展的需要，必须发展铁路集群。集群系统可将原分配给各 部门的少量专用频率集中管理，供各家一起使用，调剂信道余缺，提高频率利用 率。若采用数字集群t e t r a 标准，原来的2 5 k 带宽的信道，可容纳4 个语音或数 据用户，更能大大提高系统容量。 2 ) 铁路集群系统，可实现对多个信道的有序控制，提高系统的安全性。集群系统是 多信道的、可控的系统，在可靠性、安全性等各方面都比简单的常规对讲系统要 好。在集群系统中，可以设置5 个以上用户优先级，重要的安全信息具有较高的 优先级，可以对一般业务进行强拆，强插保证安全信息的畅通无阻。遇有紧急 西南交通大学研究生学位论文篁! ! 巫 情况，也可发起紧急呼叫。集群系统实现对信道的动态分配，一次通话不一定是 固定在一个信道上的，这在某种程度上可以