沪宁城际高铁(南京至无锡段)GSM-R调度系统方案设计兼容.doc

沪宁城际高铁（南京至无锡段）GSM-R调度系统方案设计1 绪论1.1 GSM-R的发展历史1.2 GSM-R系统国内外进展 1.2.1 GSM-R国外进展 1.2.2 GSM-R国内进展 1.3 课题背景及其提出的意义2 GSM-R系统 2.1 GSM-R的基本原理 2.1.1 GSM-R网络概述 2.1.2 GSM-R中的各种关键技术（无线覆盖-主要是隧道覆盖、小区切换、信道编码、数据传输、信息处理等）2.2 GSM-R的功能 2.2.1 GSM-R的终端类型 2.2.2 GSM-R的基本业务 2.2.3 GSM-R在铁路中的十大应用 2.3 GSM-R的网络结构 2.3.1 网络组成 2.3.2 GSM-R的接口协议 2.3.3 网络互连 2.3.4各种数据管理（用户数据管理、移动性管理、无线资源管理、连接管理、安全性管理）3 沪宁高铁GSM-R调度系统方案设计 3.1沪宁高铁南京至无锡段沿线简介及地貌情况 3.2沪宁高铁对GSM-R调度系统设计 3.2.1 沪宁高铁GSM-R系统各种业务对场强覆盖的要求 3.2.2 呼叫建立时间 3.2.3 方案设计 3.2.4沪宁高铁GSM-R网络配备原则 3.3 车站、区间设备配置 3.4 沪宁高铁GSM-R调度系统的主要应用 3.5 GSM-R无线列调实现方案 3.5.1 无线列调实现的主要功能 3.5.2 及有无线列调业务与系统使用现状 3.5.3无线列调的主要通信过程和完成方式 3.5.4移动台呼叫模式3.5.5采用GSM-R网络实现无线列调的方案3.5.6沪宁高铁南京至无锡线GSM-R系统实现无线列调的方案 3.6 GSM-R网络同步 3.6.1 同步方式 3.6.2 交换局时钟的基本工作参数 3.6.3 时钟的可靠性要求 3.6.4 时钟接口3.7 GSM-R传输网络3.8 GSM-R交换网络3.9 网络管理 3.9.1无线网络管理子系统（OMC-R） 3.9.2 交换网络管理子系统(OMC-S)3.10 沪宁线GSM-R终端配置3.11 GSM-R与其它网络的互联 3.11.1与固定网PSTN/PDN的互联4 沪宁高铁GSM-R系统性能分析 4.1可靠性分析 4.1.1 设备冗余分析 4.1.2 传输网络可靠性分析 4.2 越区切换分析5 GSM-R展望 5.1 新技术 5.2 新业务 5.3 新成果 5.4 新挑战6 结束语1 绪论前沿：铁路是我国最主要的交通手段, 是国民经济的支柱产业, 它的发展极大地影响到国家经济建设的进程。我国的铁路建设取得了令世人瞩目的成就, 但是一直以来铁路通信系统的建设却相对落后, 这极大地制约了我国铁路的发展。如何才能突破这种制约, 构建适应铁路未来发展需要的综合数字移动通信网络?在这方面, 欧洲的经验值得我们学习和借鉴。随着欧洲铁路网络的迅速发展, 其通信系统的滞后问题也逐渐显现。国际铁路联盟U IC 为满足欧洲21 世纪铁路一体化进程推荐了欧洲铁路专用移动通信系统GSM-R(GSM for Railway)。GSM-R能将现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中, 降低运营成本。GSM-R基于GSM技术,这保证了GSM-R系统成熟可靠。作为面向铁路的移动通信平台,GSM-R可以实现现有无线列调的所有功能, 同时还增加了许多铁路调度管理所急需的附加功能,如: 优先级和强插功能、话音组呼及广播功能、列车位置跟踪、车次号的传输以及数据传输等。GSM-R是面向未来的技术。比如GSM新技术GPRS(通用分组线业务)的引入能使数字通信的速率由原来的9.6kb/s 提高至115kb/s。GPRS技术能很容易地移植到G SM-R系统中来,开发出各种针对铁路的服务。另外,智能网技术将使网络运营商可以通过GSM-R网络灵活的提供自己设计的服务。向UMTS（通用移动通信系统）的演进将提供新的业务和更加强大的无线系统,GSM-R据此可更大限度地引人新的业务。1997年,欧洲24 个国家的32个铁路组织签署协议, 承诺共同为发展GSM-R作为新一代的铁路无线通信系统而努力。1.1 GSM-R历史GSM-R的发展大致分为三个阶段：1.1.1 标准制定阶段1993年国际铁路联盟UIC与欧洲电信标准组织E T sl 协商, 提出了欧洲各国铁路下一代无线通信以GSM Phase 2+为标准的GSM-R技术,这一提议在1995年经U IC评估并最终确认。之后,UIC展开了一系列的标准制定和测试工作。首先,UIC建立了标准化组织EIRENE(欧洲集成铁路无线增强网),制定了一系列铁路需求规范, 涉及范围包括业务功能、调度台车载台需求、电磁环境等各项指标。其次还密切与欧洲电信联盟ETSI合作, 最终将其所提出的系列调度业务需求纳入到GSM Phase 2+规范中。1.1.2 系统试验阶段1997年,24个国家的32个铁路组织签署了GSM-R谅解备忘录,签字的铁路组织至少要将GSM-R用于过境运输通信。同年, 为了验证GSM-R系统的可靠性、兼容性等指标,UIC还成立了另一个专门组织MORANE(欧洲铁路移动无线系统),它的主要成员包括铁路运营商、GSM-R制造商和研究机构。MORANE项目的重点放在测量高速环境的GSM-R特性上。从1997年至2000年间,MORANE组织分别在法国、意大利、德国开展了三个试验项目,对GSM-R系统进行了严格的测试。1.1.3 工程实施阶段1999年第一个GSM-R网络在连接瑞典到丹麦的Oresund大桥建成并投人运营。0resund大桥铁路线属于瑞典SIR/Banverket全国线路工程的一部分。总工程分为四期实施,全长7200km,2000年夏天完成第一期工程240km的设备安装、调试和验收, 现已投人商业运行。此项目共采用了260个BTS、6个BSC和1个MSC。随后,瑞士、德国、荷兰、法国、西班牙、匈牙利、美国等相继建设了自己的GSM-R网络。另外,芬兰、挪威、中国、印度、俄罗斯等国家也相继开始对GSM-R进行招标和商业咨询。1.2 GSM-R系统国内外进展 1.2.1 GSM-R国外的进展情况 GSM-R在国外的进展情况如表1所示。在实施GSM-R时,各国铁路部门考虑的重点不同。例如瑞典、德国铁路首先考虑的是话音通信,用GSM-R取代目前的各种落后的互不兼容的模拟设备;而瑞士铁路是为实现高速双线客货混用;西班牙铁路为全国高速铁路线线做前期准备。瑞士SBB ETCS试验线：设在洛桑至乌尔特之间的35km区段上,主要完成二级E TCS对覆盖和服务质量的测试。它是世界上第一个基于GSM-R传输平台的无线列车控制系统试验段,为双线客货混用,最高时速达160km。德国DB国家线：全国GSM一R第一阶段商用网线路总长2700km,计划采用7个MSC60个BSC、2700个BTS、l个IN,目前已经配备了1600个BTS德国铁路部门在2000年试运行了这条线路,2001年正式投人商业运行。西班牙：2000年10月GIF开始实施Madrid-Lleida高速新线项目,它属于欧盟的泛欧高速铁路计划的一部分,全长486km,目前已经投人运行。主要应用是列车无线通信、ETCS、高可靠性网路覆盖(双层覆盖)。此项目将为GSM-R扩展至全国高速线路打好基础,目前已经完成线路的QOS测试。荷兰：NS一RIB线路由荷兰铁路权威部门NSRIB于2000年9月开始建设,2002年部分投人运营。线路全长3000km,其中包括两段ETCS试验线共93km。主要应用是列车无线通信,ETCS和采用准确位置数据库(TRALIUS)的基于位置寻址,并采用GPRS与NSRIB的企业内部网相连提供数据业务。目前已经完成ETCS测试和全国网络的铺设。国家项目名称起始时间运营时间设备状况线路全长（km）瑞士SBB ETCS试验线1998年底1999年夏6BTS、1BSC/TRAU、1MSC/VLR/HLR/AC35SBB 全国线路2003年2008年800-1200BTS、10-20BSC、2MSC3000德国GTS试验线1998年7月2000年9月18BTS、2BSC/TRAU、1MSC/VLR/HLR/AC79DB国家线2001年2004年2600BTS、64BSC、1IN、7MSC24500(第一期)西班牙GIF高速线2000年10月2003年3月100BTS、2BSC/TRAU、2MSC/VLR、IN、语音信箱、短消息中心486荷兰NS-RIB全国线2000年底2002年底300BTS、4BSC/TRAU、1MSC/VLR/HLR/AC、1SGSN、1GGSN、IN、微波设备两段ETCS试验线共93km，全国2800km表1 GSM-R在国外的进展情况1.2.2 GSM-R国内进展我国铁路移动通信从20世纪的60年代开始,设备不断发展,制式不断完善,至今已形成铁路全网的规模,成为保障铁路运输安全生产的重要手段。截至2002年底，我国铁路营运里程已达71500km,位居世界第三位。预计到2020年,全国铁路营业里程达到90000km左右。在这样庞大的铁路交通运输网中,要想大幅度提高铁路复线率、电气化率、自动闭塞比重, 实现主要繁忙干线客货分线运输,原有铁路模拟通信制式已经远远不能满足需要,选择一种新的铁路数字移动通信技术势在必行。我国从1994年就开始对专用移动通信技术跟踪研究,当时的重点是对GSM-R 和TETRA(陆上集群无线电通信)系统进行比较,经过专家们的论证认为GSM-R具有更适应铁路运输特点的功能优势, 更成熟的技术优势以及更符合通信信号一体化技术发展的需要,更重要的是GSM-R支持铁路移动通信的可持续发展 。2001年11月,中国铁路高级代表团访问了国际铁路联盟和西班牙、意大利,重点考察GSM-R技术及其发展,确定了在中国铁路发展GSM-R。随后铁道部科技司进行科研立项, 开始对GSM-R进行研究开发。此项目最终目标是研制具有我国独立知识产权的GSM-R系统设备,并通过现场实验。研究GSM-R在中国铁路上的使用方法,为在铁路上最终推广GSM-R系统、完善铁路系统的通讯系统和调度以及信息化积累经验。2002年10月26日,铁道部在北京交通大学投资建成了第一个正式的GSM-R科研实验室GSM-R研究与应用模拟系统实验室,实验室由北京交通大学和西门子联合萨基姆、Kapsch、中铁等公司共同建设和研究,并得到国家教育部的全力支持。此实验室负责对既有线提速、客运专线、青藏线建设和高速铁路等各种无线通信需求的研究。实验室成立至今,已经开发出功能寻址、基于位置的寻址、无线列车调度通信(包括“大三角”通信和“小三角”通信)、区间移动通信、尾部风压检测、车次号传递、列车位置跟踪、短消息业务、高速传真、接近连续式的无线机车信号等。目前已经完成CTCS(中国铁路控制系统)三级的研究,以及通信协议软件,GSM-R无线网络测试系统,机车同步操控系统等的开发。经过实验室的验证和研究证明,中国铁路采用GSM-R系统完全符合发展需要。铁道部非常重视G SM-R网络的建设,在2002年中期确定了首期GSM-R试验网络建设目标,一共有两条线路即青藏线和大秦线。其中青藏线GSM-R试验网由北电网络承建。试验网将覆盖长达180多km的铁路线,采用同址双基站冗余覆盖结构。试验包括两个阶段：第一阶段测试内容包括GSM-R的业务、功能、接口、网络性能、编号方案、网络规划与无线覆盖,、管理与维护等内容；第二阶段测试内容为铁路特定应用的测试, 主要包括无线列调功能测试、列车尾部风压检测和控制指令传输、调度指令传输、区间移动通信、电子路签或无线机车信号信息传输。大秦线GSM-R网络将由华为公司承建。大秦线是中国铁路实现跨越式发展的标志性工程,现代化重载煤运专线的示范性工程。改造后的大秦线将实现铁路机车、通信的现代化。华为承建的GSM-R网络将为全长600余km的晋煤东运的主干线提供综合通信服务保障。1.1.3总结 通过上述分析我们可以看到,GSM-R建立在GSM基础之上,发展前景广阔。支持G SM的国内外厂家众多,我们可以利用GSM的成熟技术和良好的市场效应来解决铁路的问题,有利于降低成本, 提高效益。GSM-R的研究与应用在国外尤其是欧洲正是蓬勃发展时期,而中国对铁路专用移动通信的研究刚刚起步。与其他国家相比,中国铁路运输无论在运输模式、客货运输量和周转量、行车指挥和控制方式以及在国民经济中所处的地位等方面,都存在不同程度的差别。这样决定了为其服务和作为其传输基础设施的GSM-R必须进行适应性改造。因此,为了加快发展速度, 我国铁路应在GSM-R标准基础上,吸收欧洲各国铁路的成功经验,走引进、消化吸收、二次开发的道路,形成能够满足中国铁路实际需要的网络标准,使中国铁路综合数字移动通信网络的规化、设计、建设、维护、持续发展能够健康地进行下去。通过GSM-R工程的建设,无疑会加快实现铁路各信息系统的移动信息资源采集、传输、综合利用, 建设起覆盖全路范围的铁路移动信息基础设施,形成现代化的调度、指挥、控制、通信工具,使铁路各级生产和管理人员通过铁路移动信息系统能够实时共享全路范围内生产和管理领域的信息,并且向社会实时提供铁路客货运及其他服务的信息。综上所述,采用GSM-R综合数字移动通信系统, 是中国铁路信息化的需求,也是世界铁路发展的趋势。有理由相信GSM-R综合数字移动通信系统一定会为铁路现代化奠定坚实的基础。2 GSM-R系统GSM-R（Global System For Mobile Communications For Railway）基于公网GSM基础和高级语音呼叫业务，增加铁路需要的组呼、广播、多优先级和紧急呼叫等业务，使铁路多种业务在GSM-R平台上实现信息共享，是专门用于铁路移动通信的综合数字移动通信系统。2.1 GSM-R系统构成与功能目前，我国GSM-R数字移动通信系统由七个子系统构成：（1）网络交换子系统（SSS）（2）基站子系统（BSS）（3）操作维护子系统（OSS）（4）通用分组无线业务子系统（GPRS）（5）智能网子系统（IN）（6）固定接入交换子系统（FAS）（7）终端子系统GSM-R系统通过交换子系统（SSS）中的网关移动交换中心（GMSC）实现与其他通信网络的电路域业务的互联互通，通过通用分组无线业务系统（GPRS）中的网关GPRS业务支持节点（GGSN）实现与其他数据信息网络的分组域业务的互联互通。基本结构如图1所示。图1 GSM-R网络基本结构2.1.1网络交换子系统网络交换子系统（SSS）一般由6个功能实体组成，分别是移动交换中心（MSC）、访问位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）、组呼寄存器（GCR）、设备识别寄存器（EIR）。SSS主要负责端到端的呼叫、用户数据管理、移动性管理和固定网络的连接。其中MSC是NSS的核心，用于建立业务信道和在MSC之间或与其他网络之间交换信令消息；与MSC相连的是VLR，VLR管理在一个MSC区内漫游移动用户信息的动态数据库；HLR存储的是在网络中永久注册的移动用户的静态信息，如用户信息、承载和定制的用户信息等；AUC完成对用户的鉴权及为移动台与网络之间的无线通信加密；作为GSM-R网络的特有组件GCR，用于存储移动用户的组ID、移动台发起语音组呼（VGCS）和语音广播（VBS）参考的小区信息及发起呼叫的MSC是否负责处理呼叫的指示。2.1.2基站子系统 基站子系统（BSS）由基站控制器（BSC）、基站收发信机（BTS）以及码型转换和速率适配单元（TRAU）组成。BTS在网络的固定部分和无线部分之间提供中继，移动用户通过空中接口Um与BTS连接。BTS能够进行语音、数据和短消息的传输，并完成信号处理、无线测量预处理、切换、功率控制等基于无线接口的功能；BSC主要提供在其覆盖区域内的无线电资源管理与移动性管理的功能，以及提供无线网络的运营与维护功能。一台BSC可以管理一个或多达几十个BTS。TRAU能够将13kbit/s的话音（或数据）转换成标准的64kbit/s的数据，实现编码速率统一，减少了BSC中PCM链路的数量。BSS通过A接口与NSS相连，实现移动用户之间与固定网用户之间的通信连接，并且传送系统信令和用户信息。2.1.3操作维护子系统 操作维护子系统（OMS）是操作人员与系统设备之间的中介，它实现了系统的集中操作与维护，完成包括移动用户管理、移动设备管理及网络维护等功能。它的一侧与设备相连，另一侧是作为人机接口的计算机工作站。这些专门用于操作维护的设备被称为操作维护中心OMC。OMC通常由四个功能单元构成，即OMC-S（操作维护中心-系统部分）、OMC-R（操作维护中心-无线部分）、OMC-G（操作维护中心-GPRS部分）和OMC-F（操作维护中心-固定接入部分）。OMC-S用于MSC、HLR、VLR等交换子系统各功能实体的维护和操作，OMC-R用于实现整个BSS系统的操作与维护。2.1.4通用分组无线业务子系统 通用分组无线业务子系统（GPRS）需在GSM系统中引入3个主要组件，这3个主要组件是：业务支持节点（SGSN）、网关支持节点（GGSN）和分组控制单元（PCU）；除此之外，还需对GSM系统中的相关部件（如MSC/VLR、HLR、BTS等）进行软件升级，以支持GPRS的移动性管理、路由管理及用户数据传送等。SGSN的功能与MSC/VLR类似，具有网络接入控制、路由选择和转发、移动性管理、计费信息的收集等功能； GGSN的主要功能是网络接入控制、移动性管理和边界管理等，支持与外部网络的透明和不透明连接；PCU处理从话音业务中分离出的数据业务，控制无线信道的分配。GPRS是一种基于包的无线通讯服务，使得用户能够在端到端的分组传输模式下发送和接收数据，并且只在有数据需要传送时才会占用频宽，在GSM-R中引入GPRS技术不仅能满足铁路发展的需要，从而提供更多的服务，提高铁路服务质量。目前铁路上使用GPRS传输调度命令、车次号信息、列尾风压和列车启动停稳信息等。2.1.5智能网子系统 智能网子系统（IN）主要由业务控制点（SCP）、业务交换点（SSP）、智能外设（IP）、业务管理系统（SMS）、业务生成环境（SCE）等部分组成。SCP是智能网的核心功能，它存储用户数据和业务逻辑，实现业务控制功能（SCF）和业务数据功能（SDF）；GSM-R使用的SCP一般由大、中型计算机和大型实时高速数据库构成，是基于工作站平台的数据库系统。SSP是受SCP指令控制起接续作用的功能实体，可以提供呼叫控制功能（CCF）和业务交换功能（SSF）；SSP以MSC/GGSN（具有CCF功能）为基础，再配以必要的软硬件以及No.7公共信道信令系统接口集成SSF功能；现在常采用嵌入式软件方式，SSP和MSC/GGSN公用一套硬件。智能网是一种业务网，它是建立在原有通信网络基础上，为提供新业务而设置的附加网络结构。在GSM-R网络中，智能网主要用于铁路专用通信中特有的调度业务。由于GSM-R建立在GSM网络的基础之上，不需要做较大的改动就能灵活实现各种铁路特殊业务。目前在GSM-R智能网的基本业务有以下几个方面：（1）功能寻址:该功能是智能网系统提供的最基本语音业务。铁路用户根据不同的角色发起或接收呼叫，网络基于功能号进行寻址。发起功能号呼叫时，MSC进行号码分析，对于呼叫类型CT=2，3，4，6，91的呼叫，MSC会把号码发给SCP，由SCP根据功能号注册数据库，将功能号翻译成MSISDN回送给MSC，MSC根据MSISDN继续进行呼叫路由；（2）位置寻址:本功能主要用于解决移动用户呼叫有线用户，包括司机（机车台）和手持台呼叫调度员、当前值班员等。用户使用短号码进行通信。短号码的呼叫类型为1，在呼叫时MSC通过对被叫号码的分析，短码会作为MSC的一个触发条件，BSC将对应的CGI送给MSC，然后MSC把CGI和短码送给SCP，SCP会根据此小区信息在数据库中查找此区域对应的调度员和车站值班员，然后将其MSISDN/ISDN返回MSC，进行呼叫路由；（3）接入矩阵:智能网可以实现功能寻址和位置寻址的呼叫限制，根据SCP接入矩阵规定的功能职务号码和短号码提供灵活的主被叫映射关系，检查各功能职务之间的呼叫能否建立，以实现灵活的呼叫限制。该功能可以按照用户要求自由定制接入与禁止呼叫的建立。2.1.6 固定接入交换子系统 固定接入交换子系统系统（FAS）是一个高度独立的专用广域ISDN网络。既可以独立运行，提供固定终端用户之间的各种调度、专用通信、站场通信、站间通信等业务；又可以与GSM-R网络互联，提供固定终端用户与移动终端用户之间的各种调度、专用通信、站场通信等业务。FAS交换机通过PRI接口与MSC连接。2.1.7终端子系统 终端子系统分为固定终端和移动终端两个部分。其中固定终端通过FAS进行数据交换，分为调度台、车站值班台、专用值班台等。移动终端是移动通信网络的无线接入部分，是用户最直接感受网络质量的部分，是铁路通信业务实现的重要载体，主要有机车台和手持台两种。机车台目前是通过机车综合无线通信设备来实现，手持台就是指具有GSM-R特有功能的手机，目前有GPH、OPH等型号。2.2 GSM-R无线网络的频率规划无线网络规划的目标就是在一定的成本下，在满足网络服务质量的一前提下，建设一个容量尽可能大，覆盖尽可能好的无线网络，并能适应未来网络发展和扩容的要求。铁路环境下的GSM-R无线规划又有其特殊之处。GSM-R是常规GSM技术应用到铁路系统的技术延伸，沿袭了GSM基本功能。由于遵照GSM制式，因而GSM-R除了可以完成GSM的基本功能外，还增加了一些集群调度功能，与传统的GSM网络规划相比，由于GSM-R服务于铁路系统中，必须考虑列车高速行驶带来的信号快速衰落和频移现象，以及列车经过隧道和山谷等特殊地形下的覆盖，同时尽可能减少切换次数以保证系统效率。GSM-R覆盖不同于公网覆盖，需要满足快速切换和严格的电波覆盖需求。目前国内通过青藏线和大秦线等线路的GSM-R网络建设和优化，对于铁路环境下的无线规划已经积累了一些宝贵的实践经验和设计准则。但是上述线路都属于低速线路，其列车运行速度大都在20Okm/h以下，而对于运营时速在300km/h左右的高速线路，国内目前尚无可供参考的实际运营线路，国外尽管有实际运营的高速线路，但由于实际环境的不同也不可完全照搬。为了确保高速环境下列控通信的可靠性，ERTMS提出了严格的无线覆盖要求和QOS指标，而如何针对这些指标进行无线系统规划以满足这些需求尚无统一的理论和经验可循，因此，研究高速环境下GSM-R的无线规划便成为工程设计中的迫切需要。2.2.1 GSM-R工作频段及频率分配和规划原则 1工作频率 采用900MHz工作频段，885MHz889MHz（移动台发，基站收、930MHz934MHz（基站发，移动台收）。共4MHz频率带宽。双工收发频率间隔45MHz，相邻频道间隔为200kHz。按等间隔频道配置的方法，共有21个载频。频道序号从9991019，扣除低端999和高端1019作为隔离保护，实际可用频道19个，频道序号为10001018。频道序号和频道标称中心频率的关系为: fl(n)=890.000MHz+(n-1024)fL(n)=890.000MHz+(n-1024)0.200MHz（移动台发，基站收）fH(n)=fL(n)+45MHz（基站发，移动台收） n=9991019 2频率分配原则 频道分配应考虑同频道干扰、邻频道干扰和互调干扰等因素，并使载干比满足以下要求：（1）同频道载干比：控制信道及列控业务信道C/I12dB，其他业务信道所在频率的C/I9dB。（2）邻频道载干比：C/I-6dB。（3）偏离载波400kHz时的干扰保护比：C/I-38dB。3频率规划基本原则 良好的网络结构是一个良好频率计划的基础。在进行一定区域内的频率规划时，一般采用地理分片的方式进行，但需要在分片交界处预留一定频点（频率足够使用时）或进行频点划分。交界处的选择尽量避开热点地区或组网复杂区。不管采用何种方式进行频率规划，一般需要遵循以下原则：（1）同基站内不允许存在同频频点；（2）同一小区内BCCH和TCH的频率间隔最好在400k以上；（3）没有采用跳频时，同一小区的TCH间的频率间隔最好在400k以上；（4）非13复用方式下，直接邻近的基站避免同频（即使其天线主瓣方向不同，旁瓣及背瓣的影响也会因天线及环境的原因而难以预测）；（5）考虑到天线挂高和传播环境的复杂性，距离较近的基站应尽量避免同频相对。2.2.2 频率复用距离计算 蜂窝系统容量受无线带宽的限制，频率必须进行复用才能满足一定区域内的容量需求。在同等区域内，频率复用距离越宽松，同邻频干扰越小，但容量也小；频率复用越紧密，虽然容量得到一定的提升，但随之带来了同邻频干扰的上升。控制复用频点的相互干扰是频率规划中的关键。频率复用距离可根据GSM-R系统的载干比要求进行分析计算。 假设C是信号有用功率，I是干扰信号的功率，在一个系统中，同频干扰可能有多个，先假设共有K个干扰源，每个干扰用IK表示，K的取值从1K，那么同频信号的载干比就可以表示为：（1）按照无线信号传播理论，信号的功率随着接收位置到发射位置距离的幂指数下降，假设天线的辐射功率为PT，在距离发射天线位置d处接收到平均信号功率Pd可以由下面公式表示：（2）A为一个常数；n为传播指数，取值范围在24之间，随着环境不同取值不同。服务基站的干扰I都是其余同频基站信号的总和，在PT取值都一定的情况下，式（1）中干扰信号强度Ik都可用式（3）表示：（3）而服务基站服务范围有用信号应该以服务小区半径边缘来表示，即C可以表示为：（4）根据以上分析C/I可以用距离参数进行归一化表示：（5）根据GSM-R小区线状覆盖的不同方案可根据式（5）导出不同的计算公式。1单小区单方向覆盖方案单小区单方向和正常的GSM网络基站没有区别，就是一个小区一个方向，例如某处需要两个小区，两个方向应用各自的天线，馈线等天馈合路系统，如图1所示。该方案主要会造成系统切换次数的增加，切换次数的增加就意味着系统性能将受到影响。图1单小区单方向示意图假设在GSMR系统中，相隔N个基站可以复用同一频点，基站间的距离d可表示为：（6）其中dh为切换距离，其值大小取决切换时间和列车的最高时速要求。将式（6）代入式（5），则：（7）2功分器单小区双方向覆盖方案单小区双方向就是一个小区分裂为两个方向，不同方向用不同天馈，在数据配置上为一个小区，实现单小区双方向需要增加外置设备功分器，功分器可以使一个小区的信号均匀地分开通过不同馈线连接到不同方向的天线上，如图2所示。采用单小区双方向可以消除相同基站内的切换，但是由于功分器会带来3dB的衰减，会使基站覆盖距离减小。图2单小区双方向示意图单小区双方向的覆盖方案相当于两个同基站的小区使用同一组频点，其频率复用间距可由式（8）进行计算。（8）在通常情况下，由式（7）计算可得，N=2，即单小区单方向的复用距离为4R，其频率复用模式为2x2，由式（8）计算可得，N=3，即单小区双方向的复用距离为6R，其频率复用模式为3x1，可见单小区双方向可以使用更紧的频率复用模式，为讨论方便，下面所涉及的都假定小区为单小区单方向。2.2.3 不同GSM-R组网方案的频率规划为了满足铁路对系统安全性、可用性、可靠性和可维护性方面的要求，GSM-R在网络覆盖上需要冗余重叠覆盖，目前常用的有三种组网方式：1单网交织冗余覆盖网络单网交织冗余覆盖（如图3所示）是指铁路沿线由一层无线网络进行覆盖，但在系统设计时通过加密基站，使线路上的某个地点的基站出现故障时，该地点的场强仍能通过相邻基站得到保证，使沿线的业务应用不会因个别无线设备的故障而中断。图3单网交织冗余覆盖网络单层交织冗余覆盖网络所需的小区数在原有的单层网络上增加了一倍，使原先使用2x2频率复用模式的变为4x2的复用模式，因此对GSM-R的19个频点可做如表1所示的分组，共分8组，由于实际应用中可能有一些特殊站型和特殊环境的应用，预留三个频点1001、1010、和1017号频点作为整个网络调整使用。表1频率分组表频率分配的秩序可以按1、3、5、7、2、4、6、8的秩序进行，其每小区的最大配置为2载频，可保证同一小区和邻小区的频点不相邻，如重叠覆盖小区实行负荷分担，则等效每小区的最大容量为4载频。2同站址无线双层网络 同站址无线双层网络是指2个基站并列设在同一站点，形成了铁路沿线的2个无线网络层。如图4所示，同一站点的2个基站安装在同一个机房内，有类似的覆盖区域。这种方式易于安装，还可降低安装成本，但没有考虑容灾问题。如果某地发生灾害（火灾、洪水、闪电等），同一站点的2个基站都会损坏，造成在某一路段内同时失去2层网络的覆盖。图4同站址无线双层网络同站址无线双层网络的频率分配可在表1频率分组的基础上，对频率分组进行重新组合，见表2所示。表2频率分组组合表 同站址两个基站的频率配置（网络A，网络B）可按秩序（1，3）、（5，7）、（2，4）、（6，8）进行，其等效的最大小区配置仍为四载频。3交织站址无线双层网络 与同站址方式不同，交织站址无线双层网络中的第二层基站位于一层2个连续的基站之间。如图5所示，每个基站有独立的机房和天馈系统。其优点是如果某地发生灾害，只有其中一个层失去覆盖，另外一层的服务不受影响。但与此同时也带来了小区规划复杂以及基站站址和安装成本增加等问题。图5交织站址无线双层网络对于图5所示网络的频率规划既可按单网交织冗余覆盖网络方式进行，也可按同站址无线双层网络的方式进行，其等效的最大小区配置也是四载频。2.3 GSM-R系统接口与协议GSM-R系统是由多个功能单元通过接口相互连接构成的。接口就是各组成单元之间物理上和逻辑上遵守一定协议的连接。GSM-R系统在制定技术规范时对其子系统之间及各功能实体之间的接口和协议给出了比较具体的定义，这样就使不同供应商提供的GSM-R系统基础设备能够达到互通和组网的目的。GSM-R系统测试的主要应用到的接口有Um接口、Abis接口、A接口、PRI接口等。2.3.1 Um接口 Um是MS与BTS之间的通信接口，又称为空中接口（airinterface），用于移动台与GSM-R系统固定部分之间的通信，其物理连接通过无线链路实现，它的特性是完全标准化。Um接口上的协议可以分为3层：（1）物理层（PHL）：支持TDMA帧、FDMA和逻辑信道复用。提供无线链路的传输通道，为高层提供不同功能的逻辑信道，如业务信道与控制信道。物理层在MAC层的控制下，负责数据或数据分组的收发；（2）链路层：包括介质接入控制层MAC和数据链路控制层（DLC）。前者通过形成多种逻辑信道为高层提供不同的业务，后者为网络层提供非常可靠的数据链路。为内部控制信令和有限数量的用户信息提供非常可靠的传输链路；（3）网络层：主要是信令层，包括连接管理（CM）、移动性管理（MM）、无线资源管理（RM）。确定了用于链路控制、呼叫控制、附加业务、面向连接的消息业务、无连接的消息业务等各种功能。2.3.2 Abis接口 Abis接口是BSS子系统的2个功能实体BSC与BTS之间的通信接口，用于BSC和BTS之间的远端互连方式。Abis接口支持系统向移动台提供的所有业务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。由于Abis是BSS的内部接口，所以它是一个部分标准化接口，可由各设备厂商自行定义。BSC和BTS之间交换的消息包括业务交换、呼叫建立和BTS操作与维护的信令。Abis接口上的协议可以分为3层：（1）PCM传输层：对于语音，其编码速率是16kbit/s，复用后在64kbit/s的时隙上传输对于数据的速率是同步的并可以调节；（2）LAPDm协议：标准的HDLC，包括无线信令链路和操作维护链路；（3）应用协议：包括无线子系统管理和操作与维护过程。2.3.3 A接口 A接口位于MSC和BSS（TRAU）之间，它的特性是完全标准化，即任何厂商的设备可以互连。A接口基于2Mb/s的数字接口，主要传递呼叫处理、移动性管理、移动台管理和基站管理等信息。A接口的协议分为4层：（1）物理层：2048kbit/s的数字传输；（2）链路层：基于No.7信令系统MTP2；（3）网络层：由MTP3和SCCP共同组成。SCCP是用户部分的一个补充功能级，也为MTP提供数据的无连接和面向连接业务；（4）应用层：在用户部分上传输基站子系统应用层BSSAP协议和Um3层信令。2.3.4 PRI接口 PRI是ISDN 基群速率接口, 负责MSC和固定交换机FAS之间的数据传输, 传输速率为2048kbit/s。PRI 接口结构包括物理层、链路层和网络层3 层。物理层采用PCM 系统协议；链路层采用LAPD 接入协议；网络层采用Q.931 分组格式。通常把ISDN 的链路层和网络层协议一起称为D通路协议,国际电联称为No.1 数字用户信令(DSS1)。2.4 铁路特殊业务及应用2.4.1 GSM-R铁路特殊业务GSM-R专用于铁路移动通信，它基于GSM的基础并提供的高级语音呼叫业务，其中包括：1增强多优先级与强拆（eMLPP）：在铁路紧急呼叫或列车自动控制等许多通信应用中，都要求网络无论处于何种负载状况下均能迅速建立呼叫。如果在一个小区发生拥塞(所有频率和业务信道均被占用)，eMLPP可立即切断低优先权的呼叫而优先建立高优先权的呼叫；2语音组呼服务（VGCS）：移动或固定用户拨打组呼ID号，可与指定区域内的小组成员建立呼叫。该组内所有成员均可通过同一业务信道进行接听；该小组的成员也可通过按键讲话(PTT)方式发出通话请求，系统依据“先请求先服务”的原则建立一个上行链路来提供通话服务；3语音广播服务（VBS）：可用来在指定区域(可跨多个小区)内广播消息或发布紧急呼叫(一点对多点的呼叫，主呼者讲话而众多的被呼方只能收听)。广播区域和组呼区域一样，必须在网络中预定义。GSM-R还通过智能网提供铁路特有的调度业务，包括：功能寻址、功能号表示、接入矩阵和基于位置的寻址，并以此作为信息化平台，使铁路部门可以在此信息平台上开发各种应用。2.4.2 GSM-R目前在我国的主要应用1调度通信功能；2车次号传输与列车停稳信息的传送功能；3调度命令传送功能；4列车尾部装置信息传送功能；5调车机车信号和监控信息系统传输功能；6列车控制数据传输功能。3 高速对GSM-R无线网络的影响随着城市经济的快速发展，铁路运输系统承担起越来越多的客流运送任务。2007 年4 月中国铁道部进行了第6 次列车提速。我国多条干线运行了高速铁路列车（CRH）。该型列车分为CRH1、CRH2、CRH3 和CRH5共4个种类，其中CRH1、CRH2、CRH5均为200km级别（营运速度200 km/h，最高速度250 km/h）。CRH3为300km级别（营运速度330 km/h，最高速度380 km/h）。而CRH2具有提升至300 km/h 级别的能力。3.1 高速环境下无线通信的特点3.1.1 多普勒效应多普勒效应是指随着移动物体与基站距离的变化合成频率与中心频率之间产生偏移的现象。所谓多普勒频移是指在发射的射频(RF)载波和来自运动目标的反射回波之间的频率偏移，导致基站和手机的相关解调性能降低，直接影响到小区选择、小区重选、切换等性能。随着车速的不断提高，多普勒频移的影响也越来越明显。高速铁路的无线传播环境多为乡村开放环境，反射体较少，直射路径占优，多普勒效应比较严重，对移动终端和基站的性能有较大影响。多普勒频移会给基站解调信号造成较大困难，导致误码率的上升，对通信的可靠性造成不利影响。对于90OMHz频段，当列车速度为300km/h和500Kn习h时，最大多普勒频移分别可达到25OHz和417Hz。3.1.2 快速切换在高速环境下，移动终端高速移动导致自身穿越切换区的时间变短。当终端移动速度足够快以至于穿越切换区的时间小于系统处理切换的最小时延，则切换流程无法完成，会导致通信中断，严重时可导致列车紧急制动，从而影响列车正常运营。若GSM一R小区覆盖还按照常规设计，则由于小区的切换带较小且距离基站较近，将引发频繁的切换失败3.1.3 无线覆盖铁路环境下的无线覆盖范围是沿铁轨的线状覆盖而不是面覆盖，这一点与公网是不同的。在铁路环境下，列车要经常通过隧道、路堑和深沟，在这些环境下的衰耗是非常大的，因此经常会在这些地带出现弱场区，容易导致通信中断现象的发生。因此，能够解决弱场区覆盖，提供足够高的电平，对于GSM-R无线通信的可靠性有重大影响。但是高速铁路环境对于无线通信也有有利的一面，主要是路径弯曲程度比普通铁路要小，环境更为开阔，而且列车的行驶路径也是提前可预知的，这些都是对无线规划有利的一面。3.1.4 高衰耗高速列车的车体有金属车窗和面板组成，由于高速行驶的要求，使得车体必须完全封闭。这样一个封闭的车厢可以看作一个法拉第金属盒，这将导致额外的路径损耗，大约20dB。这样大的额外路径损耗对于一般的通信系统来说是不能满足要求的。因此在高铁无线网络设计中，首先要对各列车类型做相关的穿透损耗测试，以穿透损耗最大的车种作为设计基础，来确保在各种车型中都可以获得正常的电平值。目前我国的高速铁路都为CRH列车，其采用密闭式厢体设计。与普通列车相比，车体的穿透损耗很大。各种类型的CRH列车具有不同的穿透损耗，对各类型车厢的穿透损耗的测试结果如表3.1。表3.1 各类型车厢穿透损耗车型运营速度最高速度载客人数列车长度综合考虑的衰减值（dB）CHR1200Km/h250Km/h670213.524CHR2200Km/h250Km/h610201.310CHR3300Km/h380Km/h610201.320CHR5200Km/h250Km/h604205.224在进行覆盖设计时，必须以最大穿透损耗的车型作为覆盖优化的目标。由于以上测试为列车静态状态下的测试结果，列车在运行途中，衰减会更大，需要加上校正因子，目前在国内运行的和谐号列车，多为庞巴迪列车，其校正因子为5dBm，如果要确保车内的正常通话，我们按最高24dB损耗来算，我们至少要确保车外有信号强度为70dB以上。3.1.5 无线信道特征目前，国内外对于铁路环境下的电波传播研究较少。对于铁路环境下无线传播的预测主要还是根据常见的电波传播模型来进行的。根据国外相关文献对高速铁路环境下的无线电波传播的研究，在900MHz下的测试结果表明铁路无线信道具有以下典型特征:（1）多径效应要弱于公众GSM网络;（2）较低的延迟扩展;（3）存在占主导地位的视距路径;（4）隧道中的莱斯参数在10dB-20dB;（5）隧道对于无线传输比较有利，具有明显的波导效应。上述特征表明高速铁路对于无线电波的传输有其有利的一面。3.2 多普勒频移效应高速运动的移动台会发生多普勒频移现象，这是因为移动台在高速运动时接收和发送信号，将导致信号频率将发生偏移而引起干扰。3.2.1多普勒频移数学模型多普勒频移的数学计算公式如下： （式3.1）图3.1 多普勒频移示意图其中： 为终端移动方向和信号传播方向的角度；是终端运动速度；为电磁波传播速度;为载波频率。 从公式中可以看出，用户移动方向和电磁波传播的方向相同时，多普勒频移最大；完全垂直时，没有多普勒频移。表3.2显示典型情况下的最大多普勒频移（即假设用户移动方向和电磁波传播的方向相同，即=0）。表3.2典型情况下的最大多普勒频移值速度（）速度（） 20055.6166.725069.4208.330083.3250.0400111.1333.3450125.0375.0500138.9416.7由于多普勒频移对移动通信系统的影响最大是2fd，因此当列车速度达到500km/h，频移的最大影响是833.4Hz(中心频率为900MHz)。3.2.2多普勒效应的应对措施1 多普勒效应的影响因素根据多普勒频移的计算公式，从接收机侧观察到的多谱勒频移取决于以下两个因素:（l)终端移动速度: MS与BTS的相对速度；（2)环境因素: MS与BTS的距离；BTS与轨道间的距离。从上面两个因素可以得出如下结论:（1）最大的多普勒频移出现在小区边界处；（2）最大的多普勒频移与环境因素密切相关，BTS距离铁轨越近频移越大；（3）高速运动中的列车会频繁改变与基站之间的距离，频移现象比较严重，必