GSM-R 移动通信系统.doc

第三十四讲GSM-R 移动通信系统主 讲 人 郭 俊 丽电 务 处二一年二月二十一日提纲一、GSM-R系统概述二、GSM-R系统功能三、GSM-R系统的组成及应用四、我局GSM-R网络现状一、GSM-R系统概述1基本概念：GSM-R：铁路专用移动通信系统GSM： (Global System for Mobile communication )全球移动通信系统R： (Railway) 铁路2GSM-R的发展过程首先关注全球铁路移动通信的发展。早在1992年，欧洲的铁路通信标准机构EIRENE，为满足欧洲数字集群系统要求，开始了将公共GSM平台移植为铁路应用的研究，即对GSM-R(Railway)的研究。从1992年开始研究，到1997年，在法国、德国和意大利建立了3个试验网，并进行了大量的系统试验验证。2000年第一个GSM-R网络在瑞典建成并投入商业运行。到目前为止，已有多个国家的GSM-R网络投入运用，其中覆盖线路最长的国家是德国，近4万公里。我国是从1994年开始对此进行技术跟踪研究，认为GSM-R具有适应铁路运输特点的功能优势，符合通信信号一体化技术发展的需要，更重要的是GSM-R能够支持铁路移动通信的可持续发展。到2000年底正式确定将GSM-R作为我国铁路移动通信的发展方向。2004年分别在大秦线、青藏线和胶济线开展试验线建设，2005年完成测试，并于2006年开始相继正式投入运用。在三条试验线建设过程中，积累了大量的经验，并且取得了很大的成功，继而铁道部在全路对GSM-R网络进行了规划，随后开始了大面积的推广。3GSM-R在我国的规划规划图如下：汇接点 3个移动交换中心 19个TMSC：汇接移动交换中心。现已建成2个：北京、武汉。MSC：移动交换中心。现已建成9个：北京、武汉、西安、济南、南昌、广州、太原、拉萨、西宁。 规划时，铁道部提出了三个同步：与铁路信息化建设同步，提供综合移动信息传输平台；与铁路CTC（调度集中，干线）、CTCS（列车运行控制系统，3级以上）建设同步，提供综合移动话音通信业务，提供通用数据列控数据传输通道；与新建铁路同步，不再重复投资建设区间通信电缆、无线列调、站场无线通信等系统。我局目前还没有建成交换中心，但是考虑到建设G网交换中心对通信事业发展的意义，我局的有关领导经过积极的努力，终于将呼和局的G网中心列入到张唐线的建设项目中，并且铁道部已经同意呼局的G网中心提前建设。4GSM-R系统介绍（1）GSM-R系统很多技术借鉴了公网的GSM技术，保留了GSM的大体结构，使得从一开始GSM-R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过检验。由于GSM-R采用的是国际标准，可以实现跨越国界的高速铁路和一般列车之间的通信，能将现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中，以减少集成和运行费用，而且GSM-R系统硬件是由已经标准化的设备改进而成，GSM平台上已经提供了大量的业务，因而引入铁路专用的功能时只需最低限度地改动，故能保证价格低廉、性能可靠地实现和运行。（2）基站的间距为510km，这个间距能保证高速运行时的通信质量，能满足最大500km/h速度时的各种性能以及列控的需求。（3）GSM-R在我国使用的频率：上行885889 MHz，下行930934MHz。共4M频率带宽，双工收发频率间隔45 MHz，相邻频道间隔为200K Hz。该频段在隧道内的传播性能好，特别是在新建的混凝土或钢构的隧道中，比450MHz和1800MHz好。铁路电气化干扰对900 MHz附近的通信频段几乎没有影响。二、GSM-R系统功能GSM-R系统的功能有两大部分：语音功能和数据功能。1语音功能：（1）个别呼叫、通话：最常规的通话方式，实现点对点个别呼叫、建立通话。（2）语音组呼（VGCS）：预先设置业务用户组，主呼用户可以按组呼叫。所有业务用户在组呼进行当中只占用一个业务信道，且在同一时间只能由一个业务用户讲话。（3）语音广播（VBS）：与VGCS具有相似的业务功能，可以呼叫覆盖范围内的所有用户，只是业务用户没有讲话的权力。（4）多优先级与强拆：对各种铁路业务预先定义成7个业务等级A、B、0、1、2、3、4级，并将设置存放在HLR中。当网络出现无空闲业务信道状态时，高优先级呼叫可立即打断低优先级呼叫。（5）区间移动通信（代替区间通话柱，满足应急抢险、紧急救援、区间人员作业等）。（6）旅客业务等。2数据功能包括无线车次号传送、列尾信息传送、多机车牵引同步操控、调度命令传送、CTC列控信息传送、图像传送等等。三、GSM-R系统的组成及应用1系统组成：移动终端设备交换中心机房机车CIR如图，GSM-R系统包括网络子系统（NSS）、通用分组无线业务子系统（GPRS）、运行与支持子系统（OSS）、基站子系统（BSS）和终端设备等五个部分。NSS是整个系统的核心部分，负责全网的交换与控制。GPRS是专门负责数据业务的子系统。OSS是用于对整个网络进行管理、功能设定、运行维护等操作的子系统，包括服务器和网管终端等。BSS有两部分，一部分是安装在铁路线就近的有人通信机房的基站控制器（BSC），另一部分是连接到BSC上的、分布在铁路沿线的基站。每一座铁塔下都有一套基站设备，连同塔上的天馈线等组成一个完整的基站。基站沿铁路线链状排开，对线路的场强实现无缝覆盖。每个BSC可以管理200个基站。移动终端设备主要包括机车上的G网设备和移动手机。机车上的G网设备就是机车CIR(Cab Integrated Railway-机车综合无线通信设备)，它能够向下兼容无线列调的功能，可以在G网和无线列调两种模式下切换使用。GSM-R系统致力于要建成一个功能完善、运行可靠、承载业务齐全的数字化网络平台，在GSM-R这个大的平台上可实现铁路所需要的各种功能，实现不同的功能时，核心设备不变，只是在终端设备、接入条件方面有所不同。2基站的无线覆盖方案：根据列车运行的时速，铁路线路被划分为不同的等级，为了适应各种等级线路对于通信系统可靠性的要求，基站一般有三种覆盖方案：普通单网、交织单网、共站址双网。（1）普通单网：普通单网是一般无线网络中较常采用的、常规的网络覆盖方式，即按照需要覆盖的区域来设置基站，两相邻基站之间有少量重叠覆盖区域，用于保证切换的顺利进行。这种无线网络结构下，工程实施容易，投资小，频率利用率高；但容灾性能差，当BSC或基站故障时将出现覆盖盲区，系统可靠性低；而且系统抗干扰能力比较弱。（2）交织单网交织单网是指铁路沿线由一层无线网络进行覆盖，但在系统设计时加密基站，使得两相邻基站的场强相互覆盖到对方站址，这样可保证在非连续基站故障的情况下，GSM-R网络仍能够正常工作。这种无线网络结构下，基站单点故障时不会出现覆盖盲区，只有连续基站故障或BSC故障时才会影响覆盖，因而系统可靠性较高；同时由于基站加密，覆盖电平较高，抗干扰能力也较强。缺点是小区规划比较复杂，频率规划难度较大，而且由于增加了基站数，投资也相应较大；并且由于小区加密使得通信过程中的小区切换次数增加，对服务质量有一定的影响。（3）共站址双网共站址双网在同一站址设置两套独立基站（天馈线采用独立或共用方式均可），分别接入不同的基站控制器BSC，形成双层网络。共站址双网的两层网络覆盖区域基本重叠，每一层网络的覆盖方式、覆盖电平等与普通单网类似，抗干扰能力较差。双层网络一般采用主备用的工作方式，即双层网络中的一层作为主用层，另一层作为备用层。正常情况下，网络业务由主用层提供；在主用层故障（降级模式下）或业务拥塞时，由备用层来提供服务，因而系统可靠性较高。根据列控对无线通道的高可靠要求及国外高速铁路的建设方案，我国时速300公里以上的高速铁路采用交织单网的覆盖方案。时速200公里以下的线路由于不涉及为列控提供无线传输通道，按普通单网设计。大秦线：666公里，货运专线，同站址双网，同MSC青藏线：1142公里，新建线路，同站址双网，异MSC胶济线：473公里，客货混运线路，普通单网云岗线 ：34公里，货运专线，交织单网，同MSC北同蒲（北周庄韩家岭区段）: 58公里，货运专线，交织单网，同MSC合宁客运专线: 166公里，客货混运线路，普通单网武广高铁：1068公里，客运专线，交织单网，同MSC3系统应用：（1）调度通信系统构成如下图：右面部分为GSM-R无线网络系统，来实现基站与机车CIR、基站与移动手机之间所有的业务。左面部分是我们既有的调度系统，它在有线通信数调系统中实现。这两部分网络，即有线和无线网络通过特定的Fa接口相连，实现互联互通，共同完成调度指挥功能。连接左、右两部分的设备是FAS（固定用户接入交换机），我局所使用的FAS是和数调集成在一起的，合称为FAS系统。FAS为调度员提供调度台，为车站值班员提供车站台，我们将调度台和车站台统称为操作台。（2）无线车次号校核信息传送系统构成如下图：在GSM-R工作模式下，系统由GSM-R数字移动通信网络（以下简称GSM-R网络）、CTC/TDCS设备（含CTC/TDCS中心设备、CTC/TDCS车站设备）、CIR、GRIS、HGS、机车数据采集编码器、机车安全信息综合监测装置（以下简称监测装置）等组成。CTC/TDCS中心设备由CTC/TDCS通信服务器、CTC/TDCS列车调度台、GSM-R通信服务器等组成。无线车次号可由机车传送到就近的基站，由GSM-R系统直接回送到CTC/TDCS中心，不再需要车站设备来转接，提高了数据传送的可靠性。（3）列车尾部安全防护装置信息传送系统构成如下图：列车尾部安全防护装置信息传送系统由通用分组无线业务网络（简称“GPRS网络”）、机车综合无线通信设备（CIR）、列车尾部安全防护装置主机和确认仪组成。确认仪是列尾专用管理设备，具有向列尾主机输入机车号和发送关机指令等功能。大秦线利用它的数据传输功能，实现了可控列尾，有效提高了重载列车的制动效果。（4）调度命令信息无线传送系统构成如下图：GSM-R网络CTC/TDCS列车调度台1调度命令机车装置CTC/TDCS通讯服务器GRISGSM-R工作模式CTC/TDCS列车调度台2CTC/TDCS列车调度台NCTC/TDCS车站设备2CTC/TDCS车站设备1车站数据接收解码器车站数据接收解码器调度命令无线传送车站转接器调度命令无线传送车站转接器无线列调车站台无线列调车站台CTC/TDCS车站设备1CTC/TDCS车站设备2GSM-R通讯服务器450MHz工作模式UmRS485CTC/TDCS中心设备HGS采集编码器数字或模拟监测装置调度命令机车装置主要由主机、操作显示终端（简称MMI）、打印终端、连接电缆等组成。实现了调度员对机车乘务员直接下达调度命令，可以大幅度提高调度指挥的效率和命令传达的可靠性。（5）机车同步操控信息传送系统构成如下图：机车同步操控信息传送系统由车载通信单元（OCU）、地面应用节点（AN）和GSM-R网络组成。注：虚线框表示CIOM（通信输入输出单元）不是机车同步操控信息传送系统的组成部分。同步操控功能的实现，运用的主要是G网的“数据会议功能”。OCU通过注册和注销操作来加入和退出某个数据会议组。所有参与同一列车牵引的机车，加入到某个会议组。在已经建立好的数据会议组中，如果主控机车没有退出，其它成员也不应退出该组。在已经组成的会议组中，系统将主控机车发送的数据同时转发到该组内所有的从控机车，将从控机车发送的数据转发到该组内的主控机车。从控机车之间不能相互传送数据。不同数据会议组的机车之间不能相互传送数据。由于G网基站的分布，场强能够做到无缝覆盖、信息传递可靠。4用户编号：（1）国内移动用户号码国内有效移动用户电话号码：NDCSN，共计11位。NDC （N1N2N3）为GSM-R国内目的代码，暂定为149。SN（用户号码）结构，暂定为8位：HLR识别号H0H1H2移动用户号码ABCDEH0H1H2为HLR的识别号，其中H0CT8，代表移动用户。H1H2与呼和专网自动电话的区号081一致，为81。ABCDE与专网自动电话的编号方案基本一致，尾号E位分别定义为不同专业的用户。因此，我局所有的移动用户号码均为：149881XXXXX。（2）国内固定用户号码固定用户终端都是由FAS系统提供的，FAS中SN号码长度暂定为8位，结构如下：FAS识别号H0H1H2FAS用户号码ABCDEH0H1H2为FAS的识别号，其中H0CT7，代表固定用户。H1H2与呼和专网自动电话的区号081一致，为81。ABCDE与专网自动电话的编号方案基本一致，尾号E位分别定义为不同专业的用户。因此，我局所有的固定用户号码均为：781XXXXX。四、我局GSM-R网络现状1我局GSM-R网络设备现状我局在新建包西线项目中建设的GSM-R设备主要是基站子系统，在东胜西通信楼安装了基站控制器（BSC）、在包头站至罕台川北站之间安装了15个基站。而核心的网络子系统、数据子系统、运行与维护子系统由于我局还没有建设，都是接入到北京交换中心。进入包西线的机车都必须安装机车CIR设