（通信与信息系统专业论文）铁路数字移动通信技术研究与仿真.pdf

尹 西 南 交 通 大 学 研 究 生 学 位 论 文 abs tract . . 洲 t h i s m s c r e s e a r c h w o r k i n c l u d e s t w o m a j o r p a r t s . a c c o r d i n g t o o u r i n v e s t ig a t i o n o n t h e r a i l w a y d e m a n d s a n d n e w t e c h n o l o g i e s , th e f i r s t p a r t d e m o n s t r a t e s a n d d e t e r n i n e s t h e a p p r o p r i a t e d i g i t al m o b i l e c o m m u n i c a t io n t e c h n o l o g y t o b e u s e d i n c h in e s e r a i lw a y . b as e d o n t h e in v e s t i g a t i o n a n d a n a l y s i s , t h e s e c o n d p a rt d e al s w i t h t h e d e s i g n a n d r e al i z a t i o n o f i n t e g r a t e d wir e l e s s r a i l w a y d is p a t c h in g ( i wr d ) s i m u l a t i o n s y s t e m . b as e d o n t h e c o m p r e h e n s i v e i n v e s t i g a t i o n , t h e d e m a n d s f o r c h i n e s e r a il w a y m o b i l e c o m m u n ic a t io n s 哗 a n al y z e d , in c lu d in g th e w i re le s s t r a in d is p a t c h in g , in t e r - s ta t io n c o m m u n i c a t i o n s , s t a t i o n c o m m u n ic a t i o n s , c r o s s ro a d p re - a l e rt , a t p , a t c a n d s o o n . t h r o u g h o u r a n al y s i s , i t i s c o n c lu d e d t h a t a d i g it al p r o f e s s i o n al m o b i l e c o m m u n ic a t i o n t e c h n o l o g y s h o u l d b e a d o p t e d f o r c h i n e s e r a i lw a y . t e t r a a n d g s m - r a r e t h e m o s t c o m p e t i t i v e d i g it al p r o f e s s i o n al m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d s f o r r a i l w a y a p p l i c a t i o n . b y c o m p a r i n g t h e t w o s t a n d a r d s , i t i s c l a im e d t h a t g s m - r s a t is f ie s m o s t re q u i r e m e n t s o f c h i n e s e r a i l w a y a p p li c a t i o n s , b u t t h e fr e q u e n c y i s t h e u t m o s t b a r r ie r . o n t h e o t h e r h a n d , t e t r a h as t h e a d v a n t a g e s o f o p e n s t a n d a r d , h i g h fr e q u e n c y e ff i c i e n c y , h ig h d a t a r a t e , s e c u re c o m m u n i c a t i o n s , d i re c t m o d e o p e r a t i o n , f as t c al l s e t u p a n d s o o n . t h e r e f o r e , t e t r a t e c h n o lo g y c a n s a t i s f y t h e f u t u r e c h i n e s e r a i lw a y d e m a n d s . i n o r d e r t o f u r t h e r i n v e s t i g a t e t h e n e x t g e n e r a t i o n r a i l w a y m o b il e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , th e a u t h o r h a s d e s i g n e d a n d re al i z e d a s i m u l a t i o n s y s t e m , i .e . i wr d s y s t e m . t h e t h e s i s p re s e n t s t h e s y s t e m a r c h it e c t u r e , s y s t e m fu n c t i o n s a n d d a t a b as e s t r u c t u re s , a n d d e s c r i b e s t h e i m p l e m e n t a t i o n d e t a i l s o f t h e in d iv i d u al c al l , g ro u p c al l , b r o a d c a s t c a l l , d y n a m i c re g r o u p , re m o t e f o r b i d d e n , q u e u e u p o n b u s y , c al l d i v e r s i o n , i n c lu d in g c a l l , a n d s o on. t h e i wr d s i m u l a t i o n s y s t e m e m p l o y s p u ll - d o w n m e n u , a n d h as a fr i e n d l y c h i n e s e m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e w i t h s i m p l e o p e r a t i o n a n d d y n a m i c h in t s . i t c a n e x p o rt p o w e r f u l a n d fl e x i b l e r e p o r t s a c c o r d i n g u s e r s d e m a n d a t a n y t i m e . t h i s m u lt i m e d i a s y s t e m i s c o n c is e , in t u i t iv e a n d i n t e r a c t iv e . f in al l y , u s e r s in s t r u c t i o n s f o r i wr d s i m u l a t i o n s y s t e m a r e g i v e n . k e y wo r d s : r a i l w a y mo b i l e c o m m u n i c a t i o n , t e t r a , g s m- r , i wr d , d e m a n d s a n al y s i s 西 南 交 通 大 学 研 究 生 学 位 论 文 第一章引言 通信是社会发展的基础设施，铁路通信是指挥列车运行，组织运输生产，提高 效率，传输各种信息的重要设施。随着计算机和微电子技术的发展，各种有线和无 线通信技术不断涌现。铁路因其运输生产的 特点，对铁路移动通信提出了 更高的要 求。发展铁路数字移动通信系统，是新时期铁路无线通信的必由之路。 1 . 1国 外铁路移动通 信现状 随着电子技术的不断进步以及通信、控制与微计算机技术的紧密结合， 移动通 信取得了巨 大的 发 展。 铁路各部门 也相继采用了 移动通信作为行车指 挥、 调车作业、 维修作业以 及区间 通信的重要手段，一些国家还用移动通信为旅客提供信息服务。 目 前，国外在铁路上采用的移动通信种类很多。例如，在德国铁路上采用的移 动 通 信有 1 ) : 在 连 续 式 列 车自 动 控 制 系 统中( l z b ) ， 使 用一 种 独 特的 无 线电 技 术( 工 作 频 率 为3 6 / 5 6 k h z ) ， 用 来 在 地 面 和 烈 车 之 间 传 递 速 度 信 号 、 位 置 信 息 等 ; 在一般干线上采用 z b f - 7 0列车无线通信设备，作为行车调度员与列车司机的直 接通话，其工作频率为 4 6 0 m h z ;在编组站采用的调车无线工作频率为 8 0 / 4 5 0 mh z ; 汽车无线 ( 4 6 0 m h z ) ,隧道无线 ( 4 5 0 m h z ) 、维修无线 ( 1 6 0 m h z )等 系统。日 本铁路无线电 话系统的 功能比 较齐全，如 列车无线电 话， 包括列车 调度 电话、客调电 话、业务电 话、乘务员电话、防护无线电 话等; 车站无线电 话，包 括站内 无线电 话、 调车无线电 话; 维修作业无线电 话。 这些无线通信系统都是针 对相应的具体任务设置的， 有着明 确的权限和责任， 系 统之间的 过渡很困 难， 或者 根本不能过渡。并且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 如瑞典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。 1 . 1 . 1瑞典g s m一 r 瑞典铁路已 有的无线通信系统是由多种简单对讲系统组成的， 不能适应瑞典铁 路的发展。因 此， 瑞典 铁路新一代无线 通信项目 采用了g s m - r技术 8 , 9 1 。 该系 统 西 南 交 通 大 学 研 究 生 学 位 论 文 所具备的功能，满足了 瑞典铁路对固定设备与移动设备之间， 移动设备与移动设备 之间，以及铁路上流动人员 之间的通信需求，同时也满足了瑞典铁路对无线通信应 具有紧急呼叫功能和用车次号进行呼叫通话的要求。 它可以 取代目 前正在瑞典铁路 上使用的所有移动无线电和移动电话系统，实现话音、文件以及数据通信。 瑞典g s m - r可为铁路提供绝大部分所需的功能: 无线列调通信 编组站调车作业通 信 区段养护维修作业通信 隧道通信 列车自 动控制 列车检测 列车定位 旅客通信、 旅客服务 ( 如时刻表信息、 订票) 车次号呼叫 g s m- r将瑞典现有的 铁路通信应用融合到了 单一的网络中， 减少了建设运行费 用。并且提供语音、数据服务以及其它铁路通信专用功能。 1 . 1 . 2韩国的高速铁路列车无线通信系统 韩国的高速铁路列车无线通信系统采用的是m o t o r o l a公司提供的以 智慧区 模拟 集群系统 和r d - l a p无 线 数 传系统 集 成的 高 速列 车 无 线 通 信系统【 1 4 ( 如图i - 1 ) .其业务范围包括系统提供的列车调度通信 ( 包括话音和数据传输) ;公安通信， 目 卜l翻田 高 诊 护 二 国 1门.份 早 吮 维修作业通信，站场调车通信以 及电话互联通信。 为实现调度以 车次号呼叫司机， 专门开发了mi n i -c a d软件，建立车次号与电台i d号的对应关系数据库，实现调 西 南 交 通 大 学 研 究 生 学 位 论 文 度对司机的个别选呼。 数 据传输采用r d - l a p 数传协议， 4 电 平f s k调制。 传送的 数据有车次号、机车号、发车、晚点、请求通话等短信p , ;在列车处于静止状态时， 可传送报文信息， 用于列车故障的维修， 一次 可最多 传 送4 0 0 0 个字符。 韩国高速列车无线通信系统由智慧区系统控制器， 音频交换机，电 话互联终端， 基站，数据传输网络控制器， 调度台和专门开发的m i n i -c a d软件系统组成。 智慧区集群系统的缺点是标准不公开，造价高。 1 .2国内 铁路移动通信现状 我国 铁路移动通信起步于列车无线调 度电 话 ( 无线列调) ，目 前设 备己 经 在全 路 普 及。 我国 铁路移 动通 信在发 展过程中 也曾 采用了 集 群 通信系统， 但在过去 却 没有 得到很好的发展。本小节将根据调研的结果简要介绍我国 铁路移动通信的现状及铁 路集群移动通信发展受阻的原因。 1 .2 . 1我国铁路移动通信概况 早在7 0 年代， 我国 铁路就采用了 用于 运输指 挥的 列车无线调度通信系统， 并 在 8 0年代后期作为安全 措施 在全路普及。 列车无 线调度通信系统大部分是简单的 常规 对讲系统。工务维修、电务维修和公安部门等都分别申 请了频点，建立了自己的常 规 对 讲 系 统 。 目 前 ， 全 路 a 普 及的 是 无 线 烈 调， 在 全 路乏 迈鱼da 里的 运 营 线 路 上 ， 无 线 列 调 的 装 备 率 己 达 y 9 1 0 0 % . 现 在 正 进 行 将 无 线 列 调 1 m m h z统 改 造 ) 4 5 0 m h z 系统的工作。利用无线列调实现机车联控，是铁路运输调度指挥系统不可缺少的安 全保证措施。 9 0年代， 我国开始发展铁路集群通信系统， 从最初北京局开通的诺基亚系统到 济 南 、 郑 州 、 成 都 和 柳 州 等 局 好u n id e n z 友 利 电 ) 系 统 ， 已 经 历 了 近1 0 年 的 历 程。 现已有近3 0 个基站， 3 0 0 多个信道， 3 0 0 0 多个移动用户， 但大都半死不活， 不 成系统， 构不 成完 整的 通 信网， 上不去， 下 不 来 【 6 1 . 济南局现有的集群系统是从 1 9 9 1年开始探讨并逐步建立起来的。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的集群移动通信系统。 在审议 时，有关领导和专家普遍认为，集群通信系统可以 适应铁路通信发展的需要， 应大 力推广。 济南局建成了 集群通信基站9 个， 信道5 5 个， 此后却没有进一步的 发展. 当时，全路的集群通信系统基本都是采用的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，却 无法实 现联网漫游。虽然 u n i d e n 公司承诺开发e s a s 系统， 解决联网漫游问题， 但没有成功。 从成都局后来使用e s a s 系统的情况来看， 2 - 3个基站联网是可以的， 但基站多了 就有问题。这也影响了济 西 南 交 通 大 学 研 究 生 学 位 论 文 南局集群通信系统的进一步发展。 成都局于 1 9 9 4年 3月开始建设集群通信系统，最初采用的也是美国 u n i d e n 公 司 的l t r 系 统， 1 9 %年 升 级 为e s a s - ,* , 统( 扩 充 亚 音 频 信 令 ) 。 由 于 使 用 中 联 网 漫游存在问题，因此，今年成都局选用台 湾东讯 集团的t c m - ! 系统。目 前基站建设 己经完工。 自1 9 9 8 年全路电务工作会议以后， 铁路已 经开始有步 骤的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 湘桂线柳州 一 南宁的m p t 1 3 2 7 多基站 模拟集群通信系统和陇海线天水一 兰州 c 十 t系统等重点工程。 此外， 铁道部还在积 极筹划湘黔线怀化枢纽，陇海线徐州一 连云港、成昆 线成都一 燕岗、京广线郑州一 小 商桥和京九线等集群通信系统项目 。1 9 9 9 年 1 1 月 5日， 利用世界银行第六批贷款 建设的 柳州至南宁集群无线通信 采购合同已 正式签定。 设各总 投资 近 2 9 0万美元。 该项目 的集群设备及附属设备均由 芬兰诺基亚公司提供。 柳州至南宁集群无线通信 工程建成投入使用后将在铁路列车调度、 大站客货运、公安 保卫 和工务、电务、电 力的工程施工以及抢险救灾等方面发挥重要作用。 这将为铁路集群无线通信在施工 建设和在铁路运输生产、 行车指挥上的 应用积累经验，改普 和提高铁路各专业移动 通信的装备水平。 1 .2 .2 我国铁路集群通信发展受阻 原因 铁路集群通信发展缓慢， 究 其原因，主 要有以 下几方面【 2 ,4 5 , 5 1 - 5 4 , 6 1 : 定位不当:将集群系统当作公用移动通信的补充。由 于各部门初建集群系 统时，主要供领导和管理千部使用，是以电话互联为主的双工通信，很少用于一线 的生产调度。1 9 9 21 9 9 4年公众蜂窝移动通信发展初期，由 于蜂窝手机价格昂贵， 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 称竺 二a f 太” ， 步入误区。 虽然短期内 集群通信得到了发展， 但随着蜂窝通信网的扩容和降价， 集群很快被淘汰了。这样，使用定位的不当就造成 “ 二哥大”网逐渐处于瘫痪状态， 也严重阻碍了集群通信系统的发展。 制式不一:铁路最初所建的 集群网大部分都想用于经营，多由 通信公司出 面筹建，而不是立足于生产指挥等用途，再加上缺乏统一规划， 标准、制式不统一， 致使全路到目 前为止至少 有4 , 5 家公司的 产品在使用， 信令也 有3 , 4 种，形 成七 国八制的局面。这不利于跨地区网络的互连互通，不利于移动用户跨地区的漫游， 因此，集群通信系统没有真正发挥其作用，也就得不到推广。 各自 为 政 : 建 网 部 门 各 自 为 政 ， 分 散 建 网 ， 使 得 挂 网 所 需 的 基 站 设 备 费 用 ， 基 建 费 角 丁 曹 禽点 租 用 费 等 相 当 高 ， 而 且 所 需 的 信 道 数 多 ， 但 用 户 数 却 很 少， 因 而 不能发挥 “ 集群”系统的真正作用， 造成财力资源和频率资 源上的极大浪费。 铁路集群系统没有得到进一步的发展，并不是因为集群系统不好，不适应铁路 西 南 交 通 大 学 研 究 生 学 位 论 文 移动通信发展需求，相反，集群系统特别适合铁路移动通信系统发展的需要 1 0 , 1 1 , 1 3 , 1 51 7 ,4 3 .建5- i mv 命 行车调度，即无线列调问题; 4 公、拾、法部门的移动通信、 法部门各自 建立了 单信道的、 。若采用集群，则可动态重组， 解决区间通信，取代区间通话柱; 现有通话柱维修困难， 质量差， 成本高。 解决工务、电务、电力 等部门 工 作人员的 工 作移动通信; v 解决抢险救灾、事故处理等应急通信;、， 解决旅客列车工作人员间的通话;j 解决无线移动台和有线电 话间的工务通信; 解决数据传输，实现列车运行控制系统所需列车位置、列车速度等数据信息 的准确、可靠传输。丫 命令令令冷令命 口甩， 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 3 j . ， 由 此 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， “ 铁路呼唤集群” ! 1 . 3铁路移动通信的 若干问 题与发展方向 1 .3 . 1 建设我国 铁路集群通信的 若干问 题 集群移动通信是先进的调度通信方式，是铁路移动通信的发展方向，是无线列 调的高级发展阶段， 它的建设是铁路现代化发展的需要。但在目 前建设铁路集群通 信系 统， 仍 然存 在 大 量的问 题需 要 考虑 和 解决 6 1 . 1 , 愈丝c j 2 的 素 质 有 待 于 提 高 。 从 以 往 的 经 验 看 ， 手 持 台 的 损 坏 率 特 别 高 ， 比如有时员工心情不好，就有用榔头敲击键盘的情况，使得人为损坏频繁。另一方 面， 集群手持台的价格相对较高，若将这么贵的手机发给工务维修、电 务维修等人 员使用，其费用太高，维护也较困难。 解决的方法可考虑两点:一是 提高工人素质， 加强教育与管理: 二是针对不同 部门， 设计制 造不同功能的手机， 使手 机功能 简洁， 使用方便，以降低造价。 么虽 然 -y = _ m 各 种 分 散 投 资 矽 简 单 对 讲 系 统 加 起 来 ， 其 总 造 价 肯 定 比 建 设 一 个集群系统造价高，但在目 前尚能够使用的情况下，各部门对重新投资建设一个集 群系统的必要性还存在不同的认识。主要原因是:现在部局资金比较紧张，而建设 西 南 交 通 大 学 研 究 生 学 位 论 文 一个集群系统是为整个生产调度服务的， 投资 回收期长，不能马上见效益。目 前应 当利用国家对铁路的投资机遇， 充分发挥部局两方而的优势，集中财力在主要千线 上投资建设，在选型、施工等方面充分调动各方面积极性。 3 、铁路现有运输状况和制度也制约着集群的发展。我国的铁路调度制度采用的 是分散管理模式，一般由车站值班员、司机和运营车长 构成的小三角来保证列车的 运营安全，由 调度员、车站值班员和司机构成大三角来提高运营效率，因 此，目 前 大三角通信不是铁路运输的必要条件。 从某种意义上 来说 ， 若这种调度机制不改 变， 则利用集群系统来完成大三角通信是没有多大效益的。 4 、数/ 模选择及兼容问题。数字集群容量较模拟集群容量大， 信道利用率高， 功率低、体积小、抗干扰能力强， 可靠性高， 接续速度快， 话务负荷可以 均衡，服 务 质 量 高 ， 可 以 进 行 空 中 加 密， 有 利 于 专 网 中 所 需 的 某 些 私 密 传 输 需 求。 在 铁 路 专 用移动通信中，模拟系统传话音可以， 但传数据时误差和速率都不能满足运输对铁 路移动通信的需求。而数字集群可以 较好的 解决列车速度、列车位置等信息的传送。 随 着在专用调度通信中， 非话业务的 不断增加， 只有数字集群才能担负起这种不断 增加的新业务。但就投入产出比来说，当前数字集群在短期内 很难与模拟集群相比， 因而当前上部分模拟集群试验段是必要的，也是重要的，不可缺少的，但今后的发 展方向一定是数字集群。目 前宜采用模拟集群的原因是:一、投资少。用大量资金 投入集群，在铁道上还不可能;二、 模拟集群的功能在目 前尚能满足当前铁路移动 通信需要;三、数字集群目 前还没有成熟的产品。因而宜采用模拟集群进行实验， 获取经验，以推动全路数字集群建设。 另外还要注意数模兼容问题。目前我国铁路系统已经投入了大量资金建设铁路 模拟集群通信系统，并且还将投入部分资金建设模拟集群通信系统。因此，以后在 研究和发展数字集群移动通信系统时，一定要注意数模兼容问 题。目 前铁路模拟集 群通信系统有3 0 0多 个信道， 如果按每个信道投资 1 万美圆， 那么已 经投资了3 0 0 多万美圆，且这部分系统使用时间还太短，因此， 在数字集群发展过程中必须考虑 充分利用这部分模拟系统， 做到模拟系统平稳向数字系统过渡。 5 、信令是移动台与交换系统之间、 交换系统与交换系统之间相互传送的地址信 息、管理信息 ( 包括呼叫建立、信道分配、保持信息、拆线信息、计费信息等)以 及其他交换信息，它是建立通话所必需的非话音信号。因此，信令的选择对于整个 网络的互连有很重要的作用。目 前有多种信令: 模拟的m p t 1 3 2 7 ， 数字的a p c o - 2 5 , t e t r a p o l , e d a c s , i d r a , d i n r s 等。 我国 在模拟阶段宜采用m p t 1 3 2 7 ，数字 阶段宜采用t e t r a 。因为它们结构开放， 标准公开且已 经发表，这有利于生产和利 用，也有利于连网，实现全路一网。 信令标准的开放性，还可以引入厂商的竞争， 在价格和服务质量上都将有利可图。 6 , 频 翅缪问 题 : 建 设 铁 路 集 群 通 信 系 统 应 充 分 考 虑 现 有4 0 0 m h z 无 线 列 调 资 源，搞好4 0 0 mh z 和8 0 0 mh z 的规划。在铁路沿线采用4 0 0 m h z 系统， 在枢纽地区 西 南 交 通 大 学 研 究 生 学 位 论 文 采用4 0 0 mh z 和 8 0 0 mh z 相结合的 方式。同时也应该考虑与现有模拟集群的频率兼 容，提高频率利用率。 集群是一种先进的专用无线调度通信系统， 它处理业务能力强，频率利用率高。 目 前，世界上以 t e t r a为代表的数字集群通信设备正在开始实用化，许多国家、 部门开始采用t e t r a设备建设集群移动通信网， 如英国去年年底就确定采用t e t r a 作为国内 警察和紧急服务通信系统的标准。此外，建立在 g s m 基础上，用于欧洲 铁路控制系统 e t s c的铁路专用数字通信 g s m - r也取得了 较大进展。我国应尽快 解决好以上问题，适应我国铁路运输自 动化的需要，加速进行铁路数字移动通信体 制和规划的 研究， 确定 铁路集群移动通信的发展战略 3 0 1 .3 .2铁路移动通信发展方向 铁路移动通信包括列车无线调度、站场无线通信、旅客无线电话、铁路公安无 线电话等，其中，行进中的列车司机与所在区段地面调度员尤为重要。目 前， 世界上地面对列车的移动通信大 都还停留 在基于国 际 铁路 联盟u i c 7 5 1 - 3 o r i 标准的 传统模式上。7 5 1 - 3 o r 标准是国际铁路联盟 u i c于一九七一年制定的。一九八四 年， u i c颁布了7 5 1 - 3 o r i 标准的第三版，一九八八年又 进一步作了 修订补充， 并 于一九九0 年重新印刷。 7 5 1 - 3 o r 标准的 技术要点为: 采用单工和半 双工方式与 司机通话， 可提供选择 呼叫、群呼叫和紧急呼叫等功能;也可进行简单数据 ( 电 报) 传输:地面和列车的 标称辐射功率为5 w;接收机在0 .3 - 3 k h z 话带内的 接收信号电 平必须高于干扰信号 2 0 d b以上 ( 假定采用输入阻抗为5 0 欧姆的a / 4 全向 天线，并安装于距铁轨4 m高 的 列 车 顶 部 ) ; 系 统 采 用 模 拟 调 频( f m ) 方 式 ， 最 大 频 偏 额 定 值 为 2 .2 5 k h z ( 话 音 ) 和 1 卫必z ( 控 制 信 令 ) ; 系 统 工 作 频 段 为 : 4 5 7 .4 0 - 4 5 8 .4 5 m h z ( 移 动 站 ) ， 4 6 7 .4 0 - 竺 叼s m h z ( 地 面 站a频 段 ) ,4 4 7 .4 0 -4 4 8 .4 5 m h z ( 地 面 站b 频 段 作 备 用) : 信 道 之间 的 频率间隔为2 5 k h z ，发射频率与接收频率之间 ( 双工间隔) 为i o m h z ;单工和双工 信道的频率编排需符合规定的四频组配置标准，以降低干扰，避免混淆;主要的单 音信令控制信号有信道空闲 ( 2 .2 8 k h z ) 、 监听( 1 .9 6 k h z ) 、导频( 2 .8 k h z ) 及告警 ( 1 .5 2 k h z ) 等: 数据传输 采 用 双 音 移 频 键 控f s k方式， 传 输 速 率为6 0 0 b p s . 1 .7 k h z 表示“ 0 , 1 .3 k h z 表示“ 1 ” ， 频偏3 .5 k h z ; 数据传输格式为:1 2 比 特同步字 ( 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 ) . 2 4 比 特车次号 ( 6 位数， 用b c d码表示) 、 8 比 特信息 位 ( 用于表示紧 急停车、增减速度、测试等有限 信息) 及7 比 特冗余校验位。 一九九八年修订后的 7 5 1 - 3 o r i 标准还包括了信息长度不受限的全双工数据传 输， 调 制方 式为 快 速移 频 键 控f f s k ， 速 率1 2 0 0 b p s , 1 .8 k h z 表 示“ 0 , 1 .2 k h z 表 示“ i , , 频偏为2 .5 k h z ， 修订后的 标准还包括全双工 话音通信， 同 一无线区段内 不 同列车司机之间的单工通话及自 动识别主呼方等功能。 西 南 交 通 大 学 研 究 生 学 位 论 文 随着现代化高速列车的发展，以 7 5 1 - 3 o r i 标准为基础的现有铁路移动通信系 统无论从服务质量和服务种类都己经不能适应现代常规和高速铁路对话音和数据传 输的要求。因此，在铁路移动通信领域内产生了采用集群方式的通信系统。集群通 信分为模拟集群和数字集群。模拟集群以m p t 1 3 2 7为代表， 数字集群中t e t r a , g s m - r是目 前铁路数字专用移动通信系统中 最具竞争力的 两个 标准。 模拟集群mp t 1 3 2 7“ 开放式空中接口标准”是这样产生的:1 9 8 1 年英国邮电部 ( mp t )向英国议会提交了 绿皮书， 准备着手集群通信系 统的标准化工作。随后， 由 几个著名的国际无线电 厂商会同英国的工业和贸易部联合组成了委员会，进行制 定适合于无线集群规范的工作，其目 标是制定出一个能提供给用户透明的 “ 开放” 的 无线电 系统的 规范。 结果， 就产生了m p t 1 3 2 7 。 接着在相关的m p t 1 3 4 3 和m p t 1 3 5 2 规范中 进一步确定了 移动设 备的 最低性能 和兼容性。 1 9 8 6年，第一个实用的 mp t 1 3 2 7信令系统在伦敦开 始运行。目 前，mp t 1 3 2 7 标准己 被c c i tt 正式向 各国 推荐， 被大量的厂商和世界范围内 的管理部门 采纳作为 “ 事实上”的 标准。 m p t 1 3 2 7 成为 世界上 应用最广泛的开 放式专 用移动通信标准， 它定义了集群系统的开放式空中接口，因而可在同一系统中使用不同 厂家的无线移 动设 备。 典 型的m p t 1 3 2 7 专 用模 拟 移 动 通信 系统有 新西 兰 大吉 ( t a i t ) 公司的t a i t , 芬兰诺基亚 ( n o k i a )的a c t i o n e t 等。 m p t 1 3 2 7 标准的 技术要点为: 采用1 2 0 0 b it/ s 信号 和快速频移键控( f f s k ) 副载波 调制方式， 设计用于移频半双工无线单元和全双工t s c 。 系 统 包含 1 0 3 6 8 0 0 个地址 数，1 0 2 4个信道号，3 2 7 6 8个系统识别号;具有话音呼叫、数据呼叫、紧急呼叫、 加入呼叫等用户呼叫功能; 用户台 间 及用户台 与控制器间 可以 传 送3 2 条状态 信息， 长度不超过1 8 4 b i t s 的短数据。 m p t 1 3 2 7信令自8 0年代推出以 来， 最先是在英国 投入 使用， 继而在整个欧洲 及英联邦国家，如德国、荷兰、西班牙、波兰、比 利时、 芬兰、澳大利亚。目 前， 世界各大洲的许多国 家都在广泛使用该标准的 集群通信系统。 我国铁路专用移动调 度通信在建设初期也采用了m p t 1 3 2 7集群通信网。 但是， 在铁路专用移动通信中， 模拟系统传话音可以， 但传数据时误差和速率都不能满足运输对铁路移动通信的需 求。因此，人们开始考虑利用数字集群来实现铁路专用移动通信。 1 9 8 8 年， c e p t( 欧 洲邮电 部长会议) 成立了 专门 小组r e s 6 研究欧洲集群系统 的发展问题。1 9 8 8 年底e t s i ( 欧洲电 信标准协会) 成立， c e p t把r e s 6 小组移交 给 e t s i . r e s 6的目 标是建立数字化集群通信系统， 形成欧 洲统一的制式标准， 实 现跨地区跨国界漫游。 经过艰苦地努力，1 9 9 2 年基本完成无线技术研究，1 9 9 4 年完 成系统体系结构及功能，1 9 9 5年 t e t r a主体标准发表，基本系统投入试验，1 9 9 7 年完 成3 8 0 - 4 0 0 m h z 频段 系 统。 1 9 9 92 0 0 0 年 扩展 频段， 完 善 功能 4 7 ,4 8 ,5 9 - 6 1 . t e t r a的技术要点如下: 频率分配 西 南 交 通 大 学 研 究 生 学 位 论 文 3 8 0 - 3 8 3 / 3 9 0 - 3 9 3 mh z . 3 8 33 8 5 / 3 9 3 - 3 9 5 m h z( 公安) 3 8 5 - - 3 9 0 / 3 9 54 0 0 mh z , 4 1 0 - 4 2 0 / 4 2 0 - 4 3 0 mh z( 民用) 4 5 0 - - 4 6 0 / 4 6 0 - 4 7 0 mh z . 8 7 0 - 8 8 8 / 9 1 5 - 9 3 3 mh z( 民用) 传输双工方式: t d m a / f d d 调 制方式:二 / 4 d q p s k ,。 = 0 .3 5 载波通过速率: 3 6 k b / s 信道间隔: 2 5 k h z , 4 信道/ 载波 话音编码速率: 4 . 8 k b / s , a c e l p 单信道速率: 7 .2 k b / s / 时隙 可调数据速率: 1 4 - 2 8 . 8 k b / s 存取协议: 分片a l o h a 加密方式:空中加密，端到端加密 t e t r a经过几年的发展， 己被大多数国家所接受， 并逐渐向世界标准迈进. 1 9 9 9 年 1 0 月1 9日 ， 在阿 姆斯 特丹召 开了 第 二 届t e t r a世界 大会【 6 2 ,6 5 。 大 约 有5 5 0 多名代表参加了这次大会， 6 0 多位来至世界各国的专家发表了 演讲，1 8 家厂商展示 了 其t e t r a系统设备、测试设备和各种配套设备。t e t r a标准的开放性， 赢得了 全球各国的广泛关注，合同从欧洲、亚洲、远东、新西兰等地纷沓而至。 澳大利亚、 非 洲、 北美等 也 对 t e t r a发 生了 浓 厚的 兴 趣. 著名公司 摩 托罗 拉、 诺 基亚、 马 可 尼等都按t e t r a标准开发生产t e t r a数字集群系统，并且开始在一些地区投入运 行。 我国在制定数字集群标准的时候也采用了t e t r a标准的空中接口 部分。 t e t r a 得到市场和制造商的 支持， 将成为数字 集群移动通信的主流。 与t e t r a分庭抗礼的是国际 铁路联盟制定的g s m - r . 1 9 9 2 年， 国际 铁路联盟 组织了e i r e n e工作组， 研究开发新一 代铁路综合移动通信系统标准 8 ,9 ,4 9 1 . 1 9 9 7 年，欧洲 2 4个国家的3 2个铁路组织与其签署协议， 承诺共同为g s m - r作为新一 代的铁路无线通信设备进行努力。 g s m - r标准采用了己 有的数字移动通信系统标准 g s m作为 研究基础， 对g s m系统不具备的 功能 和不符合 铁路移动通信要求的技术 指标进行扩充和修改，即群呼、 广播式呼叫、 优先级呼叫、间接编号寻址，快速呼 叫建立等。其基本设想是利用先进技术开发满足欧洲铁路移动通信需要的欧洲铁路 移动通信系统，并成为未来铁路运用和业务发展的方向。该系统包括传输话音和数 据通信的轨道一列车无线;用于列车控制系统的数据传输:以及服务、维修无线; 调车无线; 满足铁路站、 段、车间 和管 理人员间 通信的无线系统。 g s m - r的引 入， 使得铁路运营可以由 一个完整的网络来为其提供各种服务。 g s m - r的 扩展功能可为列车提供点 对点的 数据传输通道， 传送数字 信息， 如轨 道电路编码号 i d ，距前方列车的开通区间数，列车位置，列车速度等;可以实现列 车自 动控制 ( a t c ) ，列车自 动保护 ( a t p )和列车远端控制;而且还能提供列车调 度，紧急呼叫，编组站调车，区间无线，站场无线等铁路专用调度通信。除此之外， 西 南 交 通 大 学 研 究 生 学 位 论 文 g s m- r还可提供旅客通信业务，包括话音通信， 数据通信及传真业务。 目 前，g s m - r系统尚未开发完善， 但由于近年来 g s m技术飞速发展，欧洲许 多国家与国际铁路联盟 u i c ，签署了共同致力于 g s m- r系统发展的备忘录，希望 用这种先进的通信网络代替目 前使用的铁路无线通信系统， 因此， g s m- r前景可观。 我国铁路无线列调设备己 经普及，无线平面调车系统也在不断完善。铁路移动 通信发展很快，目 前己 建设 s o o m h z 移动通信系统 2 3个， 近3 0 0 个信道; 铁路车 辆、 工务、 运输、公安等业务部门 普遍建 立了 常规无线通信系统， 用于运输生产组 织和维修作业的各个环节。其它如 4 0 0 mh z集群通信系统、列车防护报警、道口 报 警、 旅客列车公安报警、 尾部风压监视报警等系统设备的 研制也 取得了 较大进步。 但目 前的每个无线通信系统都是针对相应的任务而设置的， 各系统之间的过渡 很困 难， 或 者 根 本 就 不 能 过 渡， 而 且 频 率 资 源 浪 费 ， 信 道 利 用 率 低 。 为 了 进 一 步 提 高频谱利用率以适应大容量的需求， 为了开展数据承载业务， 适应列车提速后对列 车位置、列车速度等数据信息的传输需求，铁路移动通信必须由 模拟通信向数字通 信过渡。同时为了节约频率资源，提高信道利用率，用户也应由 单一部门向多个部 门发展，实现共同建网、 共用频率、 共用设施、共享覆盖区、 共享通信业务、共同 负担费 用， 提高服务质量 1 ,4 ,5 . 随着中国 铁路运输事业的迅速发 展，高 速、 准高速的 铁路 会越来越多， 对列车 设施方面的要求会越来越高。这必然要求调度对列车上各种设施运行的情况进行更 及时、更全面的掌握和了 解。数字集群系统将会是承担这些数据传输任务的理想工 具。 t e t r a是铁路移动通信系统中令人瞩目 的 新型系统之一。它结构开放，标准公 开，支持厂商众多，并具有先进的直接方式通信，数据和语音同时传送，分组数据 通信， 灵活的 速率分配， 高效的 频带利用率， 固 有的群呼叫 / ( t 先呼叫 峡速呼叫， 强 有力的加密功能，以及支持信息集群、 传输集群和准传输集群等特点，是我国未来 铁路数字专用移动通信的首选标准。 1 .4本文的主要研究内 容和思路 本文将根据我国铁路的实际情况， 进行用户需求分析， 研究与 铁路相关的通信 技术: ( 1 ) 用户需求分析 本 文 案 三 覃 蒋 粮 据 调 研 结 果 ， 从 地 面 对 列 车 的 移 动 通 信 、 区 间 通 信 、 站 场 通 信 以 及列车自 动保护、速度控制、道口 预鳌、列车自 动控制等方面对铁路进行中长期 功能需求分析。 ( 2 ) 铁 路 移 a 通 体 v 研 究 本文第三章将在对现有数字式移动通信标准 ( g s m - r , t e t r a , i d e n , f h ma 西 南 交 通 大 学 研 究 生 学 位 论 文 等 ) 的 熟 悉 基 础 上 ， 重 点 对 g s m - r 和 t e t r a 进 行 系 统 的 分 析 和 比 较 ， 选 择 我 们 认 为适合我国国情的移动通信标准。 ( 3 ) 综 合 无 线 铁 路 调 度( i w r d ) 仿 真 系 统 设 计 本文第四、五两章将以wi n d o w s 9 5 / 9 8 / n t为平台，设计i wr i ) 软件。通过该软 件模拟铁路集群通信系统对用户的管理以及各种调度功能。主要完成以下几项任务: 个 移动用户登记:完成移动用户的信息登记，并确定移动用户的呼叫权限，优 先级、时间限制等。 个 动态重组:完成移动用户的重组及恢复功能。 令 调度呼叫:完成集群所提供的单呼、组呼，群呼、广