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铁路GSM-R系统的施工与调试
第一章 GSM 系统的基础知识1. GSM 系统的起源和发展近十多年来，随着计算机、程控交换和数字通信技术的发展，移动通信汇集了有线通 信和无线通信的最新技术成果， 已成为现代通信的重要组成部分和未来个人通信的重要基 础。特别是蜂窝小区技术的迅速发展，为用户彻底摆脱终端设备的束缚、实现完整的个人 移动性提供了可靠的传输手段和接续方式。 目前， 无线通信已成为电信领域中最灵活方便、 最受人们欢迎、发展速度最快的先进通信技术的支柱之一。众所周知， 移动通信的主要目的是实现任何时间、 任何地点和任何通信对象之间的通 信。其基本是向用户提供一张象个人身份证一样的唯一的通信智能卡，无论在家中、办公 室或移动中，都能用这张智能卡借助各类固定的和移动的终端设备实现主叫或被叫的通 信，它是高级阶段的个人通信，将成为 21 世纪的主要通信手段之一。1.1. 移动通信系统的发展1.1.1. 第一代模拟蜂窝移动通信系统移动通信的发展，可以追溯到本世纪 20 年代。这个时期主要完成通信实验和电波传输实 验工作，在短波波段上实现了小容量专用移动通信系统。从 40 年代到 70 年代，各种移 动通信系统相继建立，在技术上实现了移动电话系统和公众电话网的连接。蜂窝组网原理是由美国贝尔实验室提出的，其目的是为了解决常规移动通信系统频谱匮 乏，容量小，服务质量差及频谱利用率低等问题。蜂窝网理论为移动通信技术的发展和新 一代多功能设备的产生奠定了基础。蜂窝移动通信利用了无线通信， 有线通信和计算机通信的最新技术成果， 是技术密集的新 的移动通信方式。80 年代初，以频率复用，多波道共用技术和全自动接入公共电话网的 小区制，大容量蜂窝式移动通信系统，在美国，日本，瑞典等国家先后投入使用。这些系 统被称为第一代蜂窝式移动通信系统。 AMPS(Advanced Mobile Phone Service) 1979 年，在美国芝加哥进行实验,并于 1983 年正式开通。TACS(Total Access Communication System) 1985 年,英国 NMT(Nordic Mobile Telephone),1981 年，北欧等国 HCMTS(High Capacity Telephone System), 日本1.1.2. 第二代蜂窝数字蜂窝移动通信系统虽然模拟移动通信系统发展很快，但其技术上存在局限性，容量小，难以提供非话业 务，语音质量不高，保密性差，难以和综合业务数字网（ISDN）互连，而且设备不能实 现小型化，制式不统一，特别是欧洲各国模拟制式很多。这些因素限制了模拟系统的进一 步发展，因此，一些发达国家 70 年代初就着手考虑数字移动系统的开发。1982 年，欧洲邮电管理委员会（CEPT）成立了一个在 ETSI（欧洲电信标准协会）下的 “移动特别小组” （Special Mobile Group） ，开发数字移动通信技术。1987 年，就泛欧 数字蜂窝系统的 GSM 规范达成一致意见， 1991 年，GSM 900MHz 数字蜂窝移动通信 系统在欧洲问世，从此，移动通信跨入了第二代。随着设备的开发和数字蜂窝通信网的建 立，GSM 逐渐成为欧洲蜂窝移动通信系统的代名词，即 Global System for Mobile Communications。GSM 的一个突出的特点是具有严密的接口技术规范，各种接口协议 明确。另一个特点是 GSM 的规范原则与 ISDN 的原则一致，保证了 ISDN 的互通。与模 拟系统相比，数字系统容量大，频谱利用率高，通信质量好，业务种类多，保密性高，终 端小巧轻便，成本低。除泛欧 GSM/DCS1800 以外，北美的 DAMPS 及 CDMA,日本的 PDC 等制式也同属第二 代蜂窝数字蜂窝移动通信系统。美国在数字蜂窝移动通信的起步较欧洲迟缓。除了制定了与欧洲类似的基于 TDMA 的 IS-54,IS-136 标准的数字网，美国 Qualcomm（高通）公司还提出了一种采用码分多址 CDMA 方式的技术方案。 1992 年， 高通公司提出了码分多址的数字蜂窝通信系统的建议 和标准，该建议于 1993 年被 CTIA 和 TIA 批准为 IS-95 标准。IS-95 也是双模制式，支 持与 FDMA 的模拟 AMPS 兼容。1996 年，CDMA 系统投入运营。CDMA 技术因其固有 的抗多径衰落的性能，并且具有软容量，软切换，系统容量大，可运用分集接受等先进技 术，使得 CDMA 系统在移动通信领域的应用倍受青睐。1.1.3. 第三代全球移动通信系统为了统一全球移动通信标准和频段，达到 3G 全球漫游的目的，提高移动通信的频谱利用率和数据业务传输速率， 并满足用户多媒体业务的需求， 是推动第三代移动通信系统发展 的主要动力。且第三代移动通信并不是横空出世的产物,而是在第二代移动通信标准上发 展起来的一种新技术。GSM 网络向第三代移动通信演进的策略，已经是十分紧迫的问题。GPRS“通用分组无线 业务”(General Packet Radio Service)是 GSM 向第三代移动通信系统演进的一个重要 环节， GPRS 对 GSM 及 3G 的前后向兼容性能够充分保护运营商和移动用户的利益。另 外，EDGE“GSM 增强数据率”(Enhanced Data rates for GSM Evolution)被看作是一 个可提供高速移动数据业务的过渡方案，它支持业务速率可达 384kbit/s。从 GSM 演进 到 UMTS，GPRS 和 EDGE 是一个非常关键的阶段，属二代半的系统。第三代移动通信是近 20 年来现代移动通信技术发展和实践的总结，是实现任何人 (Whoever)在任何时间(Whenever),任何地点(Wherever),能够向任何其他人(Whomever) 传送任何信息(Whatever)的通信。1985 年 ITU TG8／1 成立时，当时昂贵的第一代模拟 移动通信系统在全世界仅有几十万用户， 没想到二十多年后， 移动通信竟成为通信领域中 的主流。1996 年，ITU（国际电信联盟）正式确认使用 IMT－2000 这个名称,1997 年， 确定了基本要求和征求 RTT 建议。IMT-2000 是为满足无线通信的近期目标进行设计的，以无线媒质作为接入和传输手段 的移动通信网络,包括地面和卫星移动通信的综合移动通信系统，在 ITU，即称第三代网 络为 IMT-2000，在欧洲，则称为 UMTS（Universal Mobile Telecommunication System）,IMT-2000 中主要的目标无线接入技术有：IMT-DS, 又称 UMTS FDD IMT-TC, 又称 UMTS TDD IMT-MC, 又称 CDMA2000W-CDMA 接入技术 (Direct Sequence) W-CDMA+TDMA (Time Code)W-CDMA 接入技术 (Multi Carrier) (Sigle Carrier)IMT-SC, (UWC-136 TDMA) EDGE/TDMA 技术IMT-2000 空中接口的主要目标为实现：全球覆盖和移动，比特率为 144kbit/s，最高比特率为 384kbit/s； 有限覆盖和移动，比特率为 2Mbit/s； 与现有系统相比，有更高的频谱利用率； 可很灵活地引入新的多媒体业务。欧洲第三代移动通信所确定的技术标准格局， 体现了一致性以便实现不同网络间漫游的初 衷， 同时也照顾到不同运营商向第三代系统演进的个性， 是一个技术和市场需求相结合的 方案，为第三代系统在全球的顺利构筑提供了基础。1.2. GSM 的发展史GSM 数字移动通信系统史源于欧洲。早在 1982 年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动通信系 统在运营。当时的欧洲共有以下一些无线移动系统：NMT/450（北欧移动电话） 丹麦，芬兰、挪威， ： NMT /900（1981） ： NMT/450-兼容系统： NMT/450 的类似系统： TACS（全接入通信系统） ： 瑞典，西班牙，冰岛 荷兰，比利时，卢森堡 奥地利 UK（United Kingdom） Eire（1985） ，奥地利 NET-C 系统： FRG（Federal Republic of Germany） （1985） ，德联邦共和国 Radiocom 2000 系统： RTMS 系统： 法国（1985） 意大利（1987）这些系统均为国内系统，它要求使用指定的移动台，互不兼容。其致命弱点是： 1) 2) 3) 4) 各系统间没有公开接口； 无法与固定网迅速向数字化推进相适应，数据的承载业务很难开展； 频谱利用率低，无法适应大容量的需要； 安全保密性差，易被窃听，易做假机。所以，这些系统均只能在本系统中使用。为了方便全欧洲能统一使用移动电话，北欧国家 于 1982 年向 CEPT（Conference of European Posts and Telecommunication：欧 洲邮政电信管理部门会议）提交了一份建议书，要求制定 900MHz 频段的公共欧洲电信 业务规范。在这次大会上成立了一个在 ETSI（欧洲电信标准协会）下的“移动特别小组” （Group Special Mobile） ，简称“GSM” ，开始制定使用于各国的一种数字移动通信系 统的技术规范。1986 年在巴黎， 该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的 8 个建议系统 进行了现场实验。1987 年 9 月 7 日， 来自欧洲 17 个国家的运营者和管理者在哥本哈根签署了一项关于在 1991 年实现泛欧 900MHz 数字蜂窝移动通信标准的谅解备忘录（MOU） ，随后成立了 MOU 组织，其作用是：1)入网许可：GSM 网中使用的移动设备都应进行入网许可， 这是为了保证 GSM 的安全性， 防止用户之 间的无线电频谱干扰。因此，GSM MOU 组织与 CEPT 达成协议，所有的移动设备要按统 一的标准进行检测。设备只要通过“入网许可” ，那么所有运营 GSM 网的成员国的运营 者都应认可。 同时还成立了入网检测部门， 负责检测咨询和授权对全欧所有型号的设备进 行检测。通过统一标准，为运营者公布新入网的设备型号，并允许“入网许可”的移动设 备在欧洲范围内所有成员国的 GSM 网运营者中自由销售和使用。2)保密管理：GSM 系统对话音和数据都可加密，MOU 组织负责管理和提供加密算法， 防止用于其他目 的。GSM 网络运营者一旦选用了加密算法，就应在 MOU 组织的监督下，负责对算法保 密， 防止 GSM 网中的非法盗用。 另外， MOU 组织还成立了一个数据小组， 负责研究 GSM 有关数据加密方面的问题，这包括数据保护等问题。3)漫游测试：规定联网国家之间的国际漫游测试规范，使漫游用户在 GSM 网访问地可做被叫和发起呼 叫。另外，MOU 组织还规定，在任何运营 GSM 的国家，GSM 漫游应是自动的而不应人 为限制。4)计费方面：统一计费原则。考虑到竞争，不应试图统一资费标准，但重要的是在 GSM 网运营者中有 共同的原则，即使用户短暂使用其他运营者 GSM 网，某些信息也应该是连续的。计费数据互换的商务安排。包括明确结算费率和税率、争议的处理、在有效时限内将用户 的帐单有效交换至归属地的频次、推荐运营者之间结算格式。计费数据交换。漫游用户的费用累计在被访局，由归属局向用户收费。但重要的是要有标 准统一的结算设备。MOU 组织开发了统一的技术标准用户运营者之间的计费系统。5)服务：在 GSM 服务方面， 许多工作是制定相关规定和商务协调， 诸如业务要求和业务实施进度。 该组织已有相关手册来描述这些用户关心的内容。6)MOU 成员：具有运营 GSM 900MHz－GSM 业务执照的网络运营者和欧洲电信管理者都可以成为其 成员，但要承担资金赞助的义务。加入该组织的程序是由 MOU 主席提名，全体大会表决 通过。目前，宣布采用 GSM 系统并参加 MOU 的国家已经不限于欧洲。至 1995 年初，全世界 共有 69 个国家约 118 个经营者参加了 MOU，其中有一半是亚非国家。中国电信总局代 表下的各省邮电管理局，在 1995 年 2 月南非开普敦召开的第 30 次 GSM MOU 全体会 议上，加入了该组织。 随着设备的开发和数字蜂窝移动通信网的建立， GSM 逐步成为欧洲移动通信网的代名词， 欧洲的专家们将 GSM 重新命名为“Global System for Mobile Communication” ，变 成了“全球移动通信系统”的简称。而将原来 GSM 有关的技术职能交给了 ETSI。ETSI 是欧洲电信标准协会， 其职责是开发所有电信领域的新标准。 鉴于数字移动业务的蓬勃发 展，其标准制定也愈显其重要性。为此，ETSI 在众多的技术委员会（TC）中，增设了“特 别移动小组” （TC－SMG） ，用以负责有关数字移动业务标准的制定，SMG GSM900 和 DCS1800 标准的制定，并负责 GSM 的技术规范；而 GSM 的 MOU 将转向商务方面，如 计费、 漫游的协调、 业务开始的时间计划等等。 SMG 共分为 9 个分技术委员会， 包括 GSM 标准的所有技术方面。SMG1/2/3/4 和 SMG9 五个分技术委员会处理 GSM 全系统的核 心规范；SMG7 和 SMG8 处理测试方面的规范；SMG7 也是 MS 能够得到型号批准的基 础；SMG6 规范用于处理 GSM 网的操作和维护功能。1.3. GSM 系统的主要特点GSM 的主要特点如下： 1) 频谱效率高由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和话音编码技术等，使系统具有高的频谱 效率。2)容量大由于每个信道传输带宽增加，使同频复用载干比要求降低至 9dB，故 GSM 系统的同频复 用模式可以缩小到 4/12 或 3/9 甚至更小（模拟系统为 7/21） ；加上半速率话音编码的 引入和自动话务分配以减小越区切换的次数，使 GSM 系统的容量效率（每兆赫每小区道 数）比 TACS 系统提高了 3~5 倍。3)话音质量与无线传输质量无关在 900MHZ 频带中，使用 TDMA（时分复用多路接入）的全数字的方式工作。 鉴于数字传输技术的特点以及 GSM 规范中有关空中接口和话音编码的定义，在门限值以 上时，话音质量总是与无线传输质量无关。4)开放的接口GSM 标准所提供的开放性接口，不仅限于空中接口，而且包括网络之间以及网络中各设 备实体之间，例如 A 接口。5)安全性好通过鉴权、加密和 TMSI 号码的使用，达到安全目的。鉴权用来证实用户的入网权利。其实现方式是从网络向 MS 发出一个质疑信号，然后 MS 端的 SIM 卡按照其密钥 Ki 计算出一个签字响应 SRES 发回给鉴权中心，网络鉴权中心比 较两个签字响应 SRES，若一致则通过，否则取消。 可与 ISDN、PSTN 等网络互连6)与其它网络的互连通常利用现有的标准，如 ISUP 或 TUP 等。7)在 SIM 卡基础上实现漫游在国家网内和跨国界间的通信中，该系统能提供自动漫游（泛欧漫游） 。漫游是移动通信 的重要特征，它使得用户可以从一个网络自动进入另一个网络。对于 GSM 标准，它可以 提供全球漫游，当然，网络经营者之间的某些协议还是必须的，例如为了计费，可通过 MOU 协调。在 GSM 系统中，漫游是在 SIM 卡识别号以及被称为 IMSI 的国际移动用户识别号的基础 上实现的。这意味着用户不必带着终端设备而只需带其 SIM 卡进入其它国家即可。终端设备可以租借，仍可达到用户号码不变，计费帐号不变的目的。8)能自动选择路由对一个移动用户发起一次呼叫的用户将不需要知道移动用户的位置， 因为呼叫将被自动选 路到合适的移动设备。9)能最大灵活地在线提供由 ISDN 提供的业务，易于升级10) 能提供 ISDN 综合业务1.5. GSM 系统的主要性能参数1.5.1. 工作频段陆地公用蜂窝数字移动通信网 GSM 通信系统采用 900MHZ、1800MHZ 频段。其中：900MHZ 频段为：890~915（移动台发，基站收） 935~960（基站发，移动台收）1800MHZ 频段为： （移动台发、基站收） （基站发、移动台收）1.5.2. 频道间隔相邻两频道间隔为 200KHZ。每个频道采用时分多址接入（TDMA）方式，分为 8 个信 道（全速率） 。1.5.3. 频道配置采用等间隔频道配置方法，频道序号为 1~124，共 124 个频点。频道序号和频点标中心 频率的关系为：f1（n）＝890.2MHZ＋（n－1）＊0.2MHZ 即 890～915（移动台发、基站收） fh（n）＝f1（n）+45MHZ 935～960 基站发，移动台收n＝1~124 频道（或称为频点，载频）保护带宽400KHZ 当一个地区数字移动通信系统与模拟移动系统共存时，两系统之间（频道中心频率之间） 应有约 400KHZ 的保护带宽，通常是模拟网预留。中国移动公司与中国联通公司的数字 移动通信系统之间也应有 400KHZ 的保护带宽，即它们之间用一个频道，或由中国移动 公司一方预留，或由中国联通公司一方预留。铁路无线通信系统使用的单信道模拟制式无线通信设备主要是为满足话音通信设计 的，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， 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。铁路无线通信系统枢纽地区干扰严重不具备 网络能力，移动终端对讲距离受限，邻站交界区易发生业务中断，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，无线、有线调度网基本独立，无法形 成有机融合的整体。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。 随着我国铁路信息化建设的不断发展，铁路数据信息业务量的多样化和高速率，使得 GSM-R 系统在国内有着广阔的发展空间，GSM-R 技术也正是顺应时代的发展，利用其固 有的 GSM-R 网络特性，为铁路信息化和自动化发展奠定良好的基础，利用通信的手段实 现铁路移动设施和固定设施的无缝连接,确保列车平稳高速、安全地运行。3.GSM-R 系统的介绍GSM-R(GSM for Railway) 中文全称为铁路移动通信系统标准， 和我国现在覆盖最大的 GSM 网络标准相仿，是中国首次从欧洲引进的移动通信铁路专用系统。随着 GSM 的技术 日趋成熟，使用范围迅速扩大，造价逐渐下降，并且又由于在用户迅速扩展的情况下，集 群移动通信解决方案所存在的问题日趋突出，欧洲的铁路移动通信系统最后定位于 GSM 的方式， 也就是在 GSM 标准上加入了一些适合高速移动环境使用的要素， 该项技术在 GSM的发起地区欧洲得到了推崇，德国和法国、荷兰、瑞士等国家已在铁路沿线进行了 GSM-R 的放号。 GSM-R 是一种专门为铁路设计的专业无线数字通信系统，基于 GSM 系统技术平台， 针对铁路通信列车调度、列车控制、支持高速列车等特点，为铁路运营提供定制的附加功 能的一种经济高效的综合无线通信系统，并将铁路移动通信所具有的特色（群呼、组呼、 优先级别、强插、强拆等功能）加进去，构成 GSMR 用于铁路的全球移动通信系统的解决 方案。从集群通信的角度来看，GSM-R 是一种数字式的集群系统，能提供无线列调、编组 调车通信、应急通信、养护维修组通信等语音通信功能。GSM-R 能满足列车运行速度为 0-500km／小时的无线通信要求，安全性好。GSM-R 可作为信号及列控系统的良好传输平 台，正在试验中的 ETCS 欧洲列车控制系统(也称 FZB)和另一种用于 160 公里以下的低成 本的列车控制系统(FFB)，都是将 GSM-R 作为传输平台。 2002 年以来铁道部经过几年的论证、 研究， 决定借鉴欧洲先进国家铁路通信在 GSM-R 系统上成功经验，决定在国内选择 GSM-R 作为铁路专用移动通信系统，替代原有的模拟 通信系统，支持铁路跨越式发展，首批试点线路为青藏线、大秦线和胶济线，并在实验成 功的基础上逐步在全国各条铁路干线和新建城际客运专线上推广使用。 既有的 GSM-R 通信系统主要由 BSS（基站子系统） 、NSS（交换子系统） 、OSS（管理 子系统）三大部分组成，根据业务的需要，增加了智能业务和 GPRS 分组数据业务功能单 元，我国目前在青藏、大秦、胶济线试用的 GSM-R 系统基本上可以满足铁路运输信息业 务十大功能：机车同步操作控制系统的信息传输、 列车控制系统的信息传输、调度通信、 无线车次号信息、CTC 调度命令的传送、列车尾部风压信息传送、机车综合监测信息传送 （弓况、工况、轴温等） 、客车运行安全监测系统（TCDS）信息传送、旅客移动信息服务 系统的信息传送、大型编组场/车站综合移动信息服务系统的信息传送、区间移动通信与公 务移动通信。 GSM－ 3.1 GSM－R 系统组成 GSM-R 综合数字移动通信系统是欧洲在 GSM 系统标准基础上增加铁路特定的调度功能 和业务需求而形成的专门应用于铁路行车指挥的一个系统。系统组成 1.1 系统组成GSM-R 网由 GSM-R 数字移动通信系统（以下简称 GSM-R 系统）和中继传输电路组成。 GSM-R 系统包括网络子系统（NSS） 、基站子系统（BSS） 、运行与支持子系统（OSS）和终端设备等 四个部分。其中，网络子系统包括移动交换子系统（SSS） 、移动智能网（IN）子系统和通用分组无线 业务（GPRS）子系统。GSM-R 系统结构及主要接口如图 2.1 所示：SSS 电路域数字 应用系统 SMSC DSS1 No.7 MSC/VLR E/G HLR/AuC C/D AC L No.7 TCP/IP IN SCP SMP SCEP其他通信网 No.7GMSCMSC/VLR/GCR/IWFSSPSMAP IPA DSS1 BSS TRAU Ater CBC BSC Abis BTS 调度交换机 UmGr GPRS SGSN Gn Gb Gb PCU BTS 铁路应用系统 GGSN Gi GRISOSS 调度台 车站台 无线固定台 车载台 无线终端 手持台 OMC 有线终端 用户管理 系统图 2.1 GSM-R 系统构成示意图移动交换子系统（SSS） 1.1.1 移动交换子系统（SSS）SSS 主要完成用户的业务交换功能以及用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。 SSS 由一系列功能实体构成，包括 MSC、VLR 和 HLR 等。各功能实体之间通过 No.7 信令协议互相 通信，各功能实体如下：移动业务交换中心（MSC） 1.1.1.1 移动业务交换中心（MSC）MSC 是网络的核心，负责用户的移动性管理和呼叫控制。 GMSC 是 GSM-R 网与其他通信网互联互通的关口局。拜访位置寄存器（VLR） 1.1.1.2 拜访位置寄存器（VLR）VLR 是一个动态数据库，负责存储进入该控制区域内已登记用户的相关信息，为移动用户提供呼叫 接续的必要数据。当 MS 漫游到一个新的 VLR 区域后，该 VLR 向 HLR 发起位置登记，并获取必要的用户数据；当 MS 漫游出控制范围后，需要删除该用户数据。VLR 存有用户所属组的 ID 列表。当用户 漫游时，这些信息从 HLR 中获得。归属位置寄存器（HLR） 1.1.1.3 归属位置寄存器（HLR）HLR 为 CS 域和 PS 域共用设备，是一个负责管理移动用户的数据库。HLR 存储本归属区的所有移动 用户数据，如识别标志、位置信息、签约业务等。当用户漫游时，HLR 接收新位置信息，并要求前 VLR 删除用户所有数据。当用户被叫时，HLR 提供路由信息。鉴权中心（AuC） 1.1.1.4 鉴权中心（AuC）AuC 为 CS 域和 PS 域共用设备，是存储用户鉴权算法和加密密钥的实体。AuC 将鉴权和加密数据通 过 HLR 发往 VLR、MSC 以及 SGSN，保证通信的合法和安全。每个 AuC 和对应的 HLR 关联，只通过 HLR 和其他网络实体通信。互连功能单元（IWF） 1.1.1.5 互连功能单元（IWF）IWF 负责在 GSM-R 网与固定网络的数据终端之间提供速率和协议的转换，具体功能决定于互连的业 务和网络类型。组呼寄存器（GCR） 1.1.1.6 组呼寄存器（GCR）用于存储移动用户的组 ID、移动台利用语音组呼（VGCS）参考和语音广播（VBS）参考发起呼叫的 小区信息，以及发起呼叫的 MSC 是否负责处理呼叫的指示。短消息服务中心（SMSC） 1.1.1.7 短消息服务中心（SMSC）负责向 MSC 传送短消息信息。确认中心（AC） 1.1.1.8 确认中心（AC）用于对铁路紧急呼叫相关信息进行记录、存储。移动智能网（IN） 1.1.2 移动智能网（IN）子系统IN子系统是在SSS中引入的智能网功能实体，将网络交换功能和业务控制功能相分离，实现对呼叫 的智能控制。 GSM-R智能网由GSM业务交换点（gsmSSP）、GPRS业务交换点（gprsSSP）、智能外设（IP）、 业务控制点（SCP）、业务管理点（SMP）、业务管理接入点（SMAP）以及业务环境接入点（SCEP） 等设备组成。1.1.2.1 GSM 业务交换点（gsmSSP） 业务交换点（gsmSSP）具有业务交换功能，作为MSC与SCP之间的接口，可检测出GSM-R智能业务的请求，并与SCP进行 通信，对SCP的请求作出响应，允许SCP中的业务逻辑影响呼叫处理。业务交换节点（gprsSSP） 1.1.2.2 GPRS 业务交换节点（gprsSSP）具有业务交换功能，作为SGSN与SCP之间的接口，可检测出GPRS智能业务的请求，并与SCP进行 通信，对SCP的请求作出响应，允许SCP中的业务逻辑影响呼叫处理。1.1.2.3 业务控制点（SCP） 业务控制点（SCP）具有业务控制功能，包含GSM-R智能网的业务逻辑，通过对SSP发出的指令，完成对智能网业务接 续和计费的控制，以实现部分铁路特定的业务。同时还具有业务数据功能，包含用户数据和网络数据， 以供业务控制功能在执行GSM-R智能网业务时实时提取。智能外设（IP） 1.1.2.4 智能外设（IP）在SCP的控制下提供业务逻辑程序所指定的各种专用资源，包括DTMF接收器、信号音发生器、录 音通知等。业务管理点（SMP） 1.1.2.5 业务管理点（SMP）能配置和提供GSM-R智能网业务， 它包括对SCP中业务逻辑的管理， 用户业务数据的增删、 修改等， 也可以管理和修改在SSP（IP）中的有关业务信息。业务管理接入点（SMAP） 1.1.2.6 业务管理接入点（SMAP）具有业务管理接入功能，为业务管理员提供接入到SMP的能力，并通过SMP来修改、增删用户数据 和业务性能等。业务生成环境点（SCEP） 1.1.2.7 业务生成环境点（SCEP）用于开发、生成 GSM-R 智能网业务并对这些业务进行测试和验证，并将验证后的智能网业务的业务 逻辑、管理逻辑和业务数据等信息输入到 SMP 中。通用分组无线业务 GPRS） 线业务（ 1.1.3 通用分组无线业务（GPRS）子系统GPRS 子系统负责为无线用户提供分组数据承载业务。 GPRS 子系统包括核心层和无线接入层。 核心层由 SGSN、GGSN、DNS、RADIUS 等功能实体组成。 无线接入层由 PCU、基站、终端等组成。GPRS 无线接入层组网应充分利用 GSM-R 系统的设备资源， 保护投资；与 GSM-R 系统共用频率资源；利用 GSM-R 系统的基站实现无线覆盖，不单独增加 GPRS系统基站。支持节点（SGSN） 1.1.3.1 服务 GPRS 支持节点（SGSN）为 MS 服务的 GPRS 支持节点，包括移动性管理、寻路等功能。支持节点（GGSN） 1.1.3.2 网关 GPRS 支持节点（GGSN）为 GPRS 网与外部数据网络相连的网关。实现路由选择、与外部网络协议转换等功能。域名服务器（DNS） 1.1.3.3 域名服务器（DNS）负责提供 GPRS 网内部 SGSN、GGSN 等网络节点的域名解析等。认证服务器（RADIUS） 1.1.3.4 认证服务器（RADIUS）负责存储用户的身份信息，并完成用户的认证和鉴权等功能。分组控制单元（PCU） 1.1.3.5 分组控制单元（PCU）负责数据分组、无线信道管理、错误发送检测和自动重发。边界网关（BG） 1.1.3.6 边界网关（BG）用于不同 GPRS 网的互连， 它应具有基本的安全功能， 此外还可根据网络之间的漫游协议增加相关功 能。计费网关（CG） 1.1.3.7 计费网关（CG）实时采集各 GPRS 支持节点的话单记录，存储/备份/合并话单，并向计费中心传送话单文件。基站子系统（BSS） 1.1.4 基站子系统（BSS）BSS 通过无线接口直接与移动台相接，负责无线信号发送接收和无线资源管理；与 MSC 相连，实现 移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。 BSS 由基站控制器（BSC） 、编译码和速率适配单元（TRAU） 、小区广播短消息中心（CBC） 、基站 收发信机（BTS） 、弱场设备等功能实体构成。基站控制器（BSC） 1.1.4.1 基站控制器（BSC）BSC 是 BSS 的控制部分，负责各种接口的管理，承担无线资源和无线参数的管理，负责呼叫建立的 信令处理以及小区中的信道的分配。1.1.4.2 编译码和速率适配单元（TRAU） 编译码和速率适配单元（ TRAU）负责在 BSC 和 MSC 之间提供语音编码和速率适配功能，将 16kbit/s 的话音或数据转换为 64kbit/s 的 数据。小区广播短消息中心（CBC） 1.1.4.3 小区广播短消息中心（CBC）CBC 负责负责管理小区广播短消息业务。基站收发信机（BTS） 1.1.4.4 基站收发信机（BTS）BTS 是由 BSC 控制、服务于某个小区的无线收发信设备，完成 BSC 与无线信道之间的转换，并通过 空中接口，实现 BSC 与 MS 之间的无线传输及相关的控制功能。BTS 具有速率匹配、信道编码/译码、 调制/解调等空中接口物理层功能。运行与支持子系统（OSS） 1.1.5 运行与支持子系统（OSS）OSS 包括网络设备维护管理系统（以下简称“网络管理系统” ）和用户管理系统。 1.1.5.1.1 网络管理系统：为操作人员提供对系统设备的维护接口，收集、监视网络的运行信息和状 况，并能够按照操作人员的要求生成系统运行报告，为网络规划和调整提供依据。包括操作维护中 心（OMC）和网络管理中心（NMC）等。按专业可分为交换、分组、智能网、无线（含基站和弱 场设备）等网管系统。 1.1.5.1.2 用户管理系统：负责管理本网内用户的相关数据，提供开户、销户以及用户业务权限更改 等操作功能，以支撑业务的正常运行，包括 SIM 卡管理系统以及计费、结算、营帐和客服系统等。 1.1.6 终端终端是供 GSM-R 系统用户直接操作、使用，用来接入 GSM-R 网的设备，包括移动台和无线固定台。 1.1.7 移动台包括（机车、汽车）车载台，手持台、列控数据传输设备、列尾信息传输设备和防灾检 测信息传输、车辆安全检测信息传输终端等。 1.1.8 1.1.9 移动台由移动设备和 SIM 卡组成。 无线固定台为非移动状态下使用的无线终端，具备与移动台相同的业务功能。1.2 业务GSM-R 网提供的业务包括话音业务、数据业务、与呼叫相关的业务和铁路特定业务，并可在上述业 务的基础上扩展新的应用。 基于上述业务，目前已经实现的铁路应用业务有：列车无线调度通信，列车运行控制信息传送，机车 同步操控信息传送，列车无线车次号校核信息传送，调度命令信息传送，应急语音通信，区间、站场移 动通信，公务移动通信。能够实现的业务：调车机车信号和监控信息传送、列尾装置信息传送。GSM3.2 GSM-R 工作频率 GSM-R 系统可以在 876～960MHz 整个频率范围内工作， CEPT(欧洲邮政与电信会议 ) 但 为欧洲国家的铁路通信系统指定了一个专用频带， 也即 UIC(国际铁路联盟)的 GSM-R 频带： 移动站到基站(上行链路)为 876～880MHz，基站到移动站(下行链路 )为 921～925MHz。 GSM-R 选择工作在 900MHz 频带有如下的理由： 适合 500km/h 高速移动体的通信 (最大多普 勒频移为 415Hz)；抗电气化铁道电火花干扰(电火花的频率多集中在 400～800MHz)；典型 覆盖距离约为 5～10 公里，对高速列车来说这是保证系统容量和服务质量的最小范围；更 适于隧道内通信 (相对 450MHz 和 1800MHz 频带)。 GSM3.3 GSM-R 系统结构与覆盖 GSM-R 可以构成既含有面状覆盖又含有链状覆盖的网络，既可用于地区性的覆盖也可 用于全国性的覆盖。例如，沿铁路线采用链状覆盖，车站及枢纽地区采用面状覆盖。为了 满足铁路对传输的高可靠性， 链状覆盖一般采用双重冗余的重叠小区结构， 2 个基站(BTS) 每 重叠覆盖一个小区(cell)；面状覆盖采用多小区 (或多扇区)蜂窝结构，每个基站(BTS)覆 盖一个小区(cell)，当然也可以采用重叠覆盖小区结构。 GSM3.4 GSM-R 功能特点 GSM-R 以 GSM 平台为基础，因此除了 GSM 所具有的越区切换、漫游等特性外，GSM-R 还具有如下专有的特性： 功能寻址(Functional Addressing，FA)：便于固定 (移动)用户拨号呼叫列车上移动 用户的一种方式。 基于位置的寻址(Location Dependent Addressing，LDA)：便于列车上移动用户(如火 车司机)呼叫固定用户 (调度员)的一种方式。例如当火车司机呼叫固定用户(调度员)时， 系统依据移动用户(火车司机)的当前位置(所在控制区/小区)对固定用户(调度员)进行寻 址，自动地将呼叫转接到列车当前所在控制区的调度员。 语音广播服务(Voice Broadcast Service，VBS)：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)。区域的定义和选择可动态设定，从而具有极大的灵活性。语音组呼服务(Voice Group Call Service，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。 增强的多级优先与强占权(Enhanced M ulti-Level Precedence and Pre-emption， eMLPP) ：铁路紧急呼叫或列车自动控制等许多通信应用，都要求网络无论处于何种负载状 况下均能迅速建立呼叫。 如果在一个无线电小区发生拥塞(所有无线电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。 GSM3.5 GSM-R 更适合铁路通信 GSM-R 除上述的功能特点外，还表现在如下的铁路业务应用之中。 列车控制系统(Train Control System，TCS)：是以 GSM-R 作为传输手段的列车自动 防护/列车自动控制系统，甚至可以实现列车自动操作(驾驶)。 铁路维护通信：利用 GSM-R 建立铁路沿线维护人员的业务联络通信(新的路边电话和 隧道电话)并能够根据维护人员的职能和所在的场所很快地确定他们的位置。 列车诊断：如果列车发生故障，诊断数据将通过 GSM-R 传输到下一个维修中心。使维 修站能够及时为维修做好相关准备，因而大大缩短维修时间。 旅客服务：包括列车时刻信息、在线售票(订座)服务。基于列车自动控制和 GSM-R 的 列车时刻信息服务，能够随时为旅客和乘客提供列车的动态位置和时刻信息；基于 GSM-R 连接的售票机可提供在线售票(订座)服务。 货运跟踪服务：利用一个带有 GPS 接收器的简单 GSM 模块，可指示该货车(集装箱)的 精确位置，可实时掌握所运货物的确切位置，并可将这一数据发送给其客户。 GSM3.6 GSM-R 关键技术 工作频段的分配、时分多址(TDMA)技术、时分多址帧结构、空间分集、时间色散和均 衡、基站与移动台间的时间调整、 话音编码、信道编码、交织技术、跳频技术、保密措施 等。我国 GSM-R 除了具备 GSM-R 现有的功能特性，还应有无线列调功能、按近连续式机车 信号传输、区间移动人员通信，以及根据我国的铁路的地理位置进行合理的 GSM-R 系统区 间的场强覆盖。 GSM3.7 GSM-R 主要系统性能评估 网络布局的评估 覆盖评估 语音质量评估：主观和客观 MOS 评估 干扰评估 语音业务评估：接入失败率、掉话率、切换成功率、位置更新成功率、语音断续率、 回声及背景噪声率、串话率 铁路通信专用功能实现评估：如无线列调功能、群呼、组呼、插呼、优先级保证等。 GSM3.8 GSM-R 网络优化策略GSM 网络优化解决的主要问题有：信道拥塞率高、呼叫成功率低；越区切换失败率高，掉话严重；通话质量低、有 串音；移动台占用话音信道后呼叫释放、出现振铃后无通话、移动台接通后单边通话；设备完好率较低；中继电路的配 置与实际话务不相符、电路群的每线话务量差别较大等。 目前，铁路 GSM-R 网络建设基本还处于方案设计阶段，如何在 GSM-R 网络规划建设时就能减少这些问题出现的概 率， 为今后运营和服务打下良好的基础， 这对于提高投资效率是很有意义的事情。 在此结合网络优化理论， 提出以下 GSM-R 网络设计和优化策略。4.GSM4.GSM-R 技术在我国铁路通信中的应用4.1 青藏铁路：我国在青藏铁路通信中采用了专用的 GSM-R 系统，解决了冻土地带信号传输问题，减少了维护工作 量；创造性的采用双交换机、同站址双基站无线覆盖方式，使 GSM-R 网络达到了可靠性、有效性、可维护性、安全性等 技术指标要求。 4.2 大秦重载铁路：大秦线是重载运输专线，山区多、隧道多、曲线多。铁道部针对大秦线的技术难点，组织多方 力量集中攻关，在 GSM-R 网络电路交换业务的基础上，自主研发了机车同步操控地面应用节点、车载通信单元和管理维 护设备，为实现多种编程方式 2 万吨重载组合列车同步操控提供了可靠的网络条件；同时采用同站址双基站和基站交织 两种无线覆盖方式混合组网，满足了不同地理环境的网络可靠性需求；在机车同步操控系统通信平台的基础上进行系统 功能升级，自主研发了可控列尾主机和控制盒，从而节省了机车使用数量，提高了经济效益。4.3 胶济线提速工程： 胶济线地处我国经济发达地区， 是客货混运线路， 运输非常繁忙， 电磁环境复杂。 围绕 200KM/H 干线铁路建设和发展的需要，铁道部组织多家单位积极开展 GSM-R 应用创新，协调移动运营商进行 GSM 电磁环境清理， 克服了外界干扰，优化了 GSM-R 无线基站分布，创造了在繁忙干线运营 GSM-R 的新经验。 4.4 合宁客运专线：进入 2008 年，我国铁路 GSM-R 通信系统进入全面建设和使用阶段，安徽省内合宁高速客运专 线铁路建设完工并投入运营，合宁客运专线全长 166 公里，其中客车运行期间为合肥站至南京站，同时组织部分跨线客 车，货车运行期间为合肥东站至南京东站，因此合宁线 GSM-R 网络覆盖合肥、合肥东至南京、南京东站。合宁 GSM-R 系 统设置基站子系统的基站控制器、编码器和速率适配单元、PCU 设备，根据场强覆盖的需要在铁路沿线设置基站设备和 弱区覆盖设备，动车组和机车配备机车综合通信设备，相关移动，工作人员配置手持终端。5.GSM5.GSM-R 技术的发展方向我国 GSM-R 系统发展的现状与欧洲差异： 1）欧洲国家网络规模小，欧洲国家网络规模小，而我国网络规模大，应采取全网统一规划、分布实施建网策略，因此，在建网前期，需要规定框架性的要求，指导全网的建设、 发展与规划；2）欧洲各国GSM-R 核心网大多采用一家设备，智能网采用厂家内部私有协议。而我国 GSM-R 核心网为多厂家组网环境，对于智能业务，需要统一规范业务的实现流程；3） 欧洲应用范围小， 移动通信业务简单， 主要承载列车调度通信和列控信息传输业务。在我国， GSM-R 网除了上述两项主要业务外， 还需引入 GPRS 系统， 承载调度命令、 车次号、 调车监控信号等信息传送，此外，由于运输指挥作业方式不同，列车调度通信具体要求也 有所不同； 4）欧洲 GSM-R 系统设备供货厂家有北电、西门子，在我国，除了上述两个厂家外， 还有华为公司，需要解决 3 家设备之间互联互通问题，因此，需要制定接口技术要求和测 试规范。 基于此上，对于我国铁路通信 GSM-R 技术发展有以下几点考虑： GSM5.1 加强 GSM-R 理论研究 我国对 GSM-R 技术的研究始于上个世纪末，虽然我国 GSM-R 发展到今天，突破了 很多难关，但仍有不少理论难点还未攻克。近年来，GSM-R 网络中 GPRS 应用中取得了很 多理论和实践突破。比如根据我国铁路实际情况，运输对通信业务需求量大，但频率资源紧张的实际情况， 采用 GPRS 这种分组数据传输方式作为一些非安全数据信息的传输平台， 以更好的利用频率资源，为铁路信息化建设提供传输平台。我国铁路已先于欧洲发展基于 GSM-R 的 GPRS 业务是一项开拓性的工作。 5.2 推动互联互通现场测试工作 我们在进行铁路通信 GSM 网络大规模建设时，为保护工程投资，应考虑解决 GSM-R 系统的开放性和不同厂家设备之间的互联互通问题。进行互联互通工作有利于 GSM-R 更 好地服务于中国铁路，有利于设备供货市场形成良好竞争局面，保护工程投资，降低风险; 有利于形成全程全网的解决方案，按照目标网进行网络规划和建设，最大限度发挥总体效 益；有利于网络长远发展，对 GSM-R 技术在中国推广起到积极的推动作用。我国互联互 通工作于 2006 年 3 月开始提上议事日程， 测试工作分两个阶段， 第一个阶段是在实验室环 境下的测试，第二个阶段是现场测试。第一阶段的主要任务是进行电信业务的互联互通测 试以及接口的一致性测试，保证各个厂家的主要网元之间能够实现互换。 5.3 改进信息传输安全平台的设计 GSM-R 在铁路通信的应用中，从实用、安全、可靠的角度出发，今后需要不断改进铁 路移动信息传输安全平台的设计方案，设计公用网与铁路专用网安全互联、移动设备与地 面网络可靠互通的铁路移动信息传输安全平台。铁路移动信息传输安全平台应有完善的硬 件系统和软件系统组成。平台硬件系统应该由内外网通信服务器、行车监控及业务系统设 备为主的时实监控和传输设施组成，平台软件系统主要由外网传输处理子系统、内网传输 处理子系统、管理监视子系统构成。将 GPRS 数据接人点部署在铁路局，每个铁路局设立 统一的外网通信服务器，作为各个业务系统地面数据处理中心，承担所有应用系统车、地 间和内、外网间的数据交换任务，使各应用系统中所有从 GPRS 下载的实时信息统一由铁 路局外网通信服务器接收，再经网络安全传输平台进人铁路运输生产系统。 5.4 处理好 GSM-R 与 3G 的关系 GSM-R 的基础 GSM 系统已经在全世界 130 多个国家和地区得到部署和应用，无论是 网络设备、终端还是业务应用等等都已经非常成熟。GSM-R 能够满足铁路应用对可靠性、 可用性、可维护性和安全性的苛刻要求。目前 3G 规范中还未考虑铁路特色业务，其应用 在我国也尚未开展。但是，GSM-R 与固定通信网的发展是紧密关联的，与先进的网络技术是同步发展的，与 3G 移动通信有着良好的后向兼容性。因此，如同 GSM 可以向 WCDMA 平滑演进一样， GSM-R 也可以向 WCDMA-R 平滑演进。 因此， 我们在大力建设我国 GSM-R 网络的同时，应该积极探讨 GSM-R 网络向 3G 的演进方案，包括网络自身的演进、应用业 务的演进以及各个应用接口的演进等等。 5.5 注意 GSM-R 的电磁环境 GSM-R 干扰源主要分为系统内部干扰和系统外部干扰。系统内部干扰主要是由频率规 划和小区规划不当等自身原因造成的同频、邻频干扰等。外部干扰又分为来自中国移动 GSM 网的干扰，CDMA 基站下行链路对 GSM-R 上行链路的干扰，全频段或部分频段人为 故意大信号堵塞干扰等。 排除自身因素和人为因素， GSM-R 的干扰主要来源于与其共享频 率资源的中国移动 GSM-R 网络。在如此复杂的电磁环境中，应对 GSM -R 网络进行“无 线空中管制” ，为列车控制系统创造无“污染”的通信天空。采用何种方案来与中国移动等 单位进行协调，从而保证 GSM-R 正常的无线通信环境，将是铁路面临的一个紧迫而重要 的问题。GSM5.6 尽快完善适合我国铁路应用的 GSM-R 技术规范体系通过制定标准与规范，一方面为网络规划、建设和运维管理提供技术依据，确保网络 完整、统一和安全可靠，提高服务质量、合理地利用频谱、码号等资源；另一方面，也为 各厂家平等接入提供可循的技术依据，为网络设备质量认证和监督的提供依据。此外，通 过参与标准研究工作，还可以有效地提高人才的业务素质，为我国 GSM-R 健康发展打下 坚实的技术基础。 铁道部从 2003 年开始组织路内外科研院校及相关单位组织制定了一系列 技术规范，对于大秦、青藏、胶济 3 条线 GSM-R 系统工程建设起到了很好的指导作用。 但既有规范尚需进一步完善。此外，还需组织制定其他相关技术规范，建立健全适合我国 铁路应用的 GSM-R 技术规范体系，满足我国铁路发展的需要。
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