GSM-R无线通信系统在铁路上的应用研究.doc

郑州铁路职业技术学院毕业论文论文题目：gsm-r无线通信系统在铁路上的应用研究 作者姓名： 王云奎 班级学号： 100473063 系 部： 电子工程系 专 业： 电子信息工程技术（城轨通信方向） 指导教师： 谢丹 2013 年 05 月 26 日3摘要铁路的高速发展给gsm-r带来了新的机遇。但同时铁路的高可靠性要求对作为列控信息承载平台的gsm-r无线通信系统提出了严峻挑战。无线接入部分是gsm-r系统中的薄弱环节，因此无线部分的可靠性将决定整个系统的可靠性。gsm-r （gsm for railway）是在 gsm 蜂窝系统上增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的要素组成，能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信要求的技术。gsm-r目前在我国铁路通信中的应用主要有：调度通信功能、车次号传输与列车停稳信息的传送功能、调度命令传送功能、列车尾部装置信息传送功能、调车机车信号和监控信息系统传输功能以及列车控制数据传输功能。 本次设计共分为五章，第一章是绪论，第二章gsm-r系统的解释，第三章gsm-r的业务，第四章 主要介绍gsm-r的应用，最后是结语1。关键词：无线通信； 业务； 传送；目录摘要1第一章绪论1第二章gsm-r系统的概述42.1 gsm与gsm-r的关系42.2 gsm-r系统的网络结构和功能42.2.1 我国gsm-r系统的构成42.2.2 gsm-r系统的网络结构52.2.3 我国铁路无线通信的现状11第三章gsm-r的业务143.1 gsm-r承载的铁路业务143.2 电路域业务143.3 分组域业务163.4 智能业务16第四章gsm-r的应用194.1 gsm-r在既有线上的应用194.1.1 调度通信194.1.2 车次号传输与列车停稳信息的传送214.1.3 调度命令传送224.1.4 列尾装置信息传送234.1.5 调车机车信号和监控信息系统244.1.6 机车同步控制传输264.1.7 ctcs 3级ctcs 4级274.1.7 区间移动公（工）务通信284.1.9 应急指挥通信语音和数据业务284.1.10旅客列车移动信息服务通道294.2 gsm-r在高铁上的应用29结束语：31致谢32主要参考文献：33第一章绪论铁路是我国国民经济的大动脉，铁路的运输能力直接影响我国国民经济的发展速度。跨入21世纪，随着铁路高速的发展，铁路通信系统也迎来了划时代的转变，近年来随着运输量的日益增长，使得列车重量加大，列车编组加长。gsm-r技术基于成熟、通用的公共移动无线通信系统gsm平台之上，专门为满足铁路应用而开发的数字式移动无线通信技术。在铁路通信中，它能够提供定制的附加功能，如优先级和强插功能、话音组呼及广播功能、位置寻址及功能寻址和安全数据通信等，是一种经济高效的综合数字移动通信系统。铁路无线全球通信系统gsm-r的建设和使用，表明中国铁路正不断吸取国外铁路的先进经验和成果，努力提升自身技术结构和规模水平，加快发展步伐，争取在较短时间内运输能力满足国民经济和社会发展的需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。 铁路通信的发展过程和现状新中国成立初期，铁路长途通信一直采用的是以架空明线和电缆为传输媒质的载波通信设备，电话交换大量发展步进制自动交换机及人工长途台，在专用通信方面，全路调度、各站、养路等通信系统改造为铁路支流脉冲选叫方式。进入70年代，随着国外铁路开始应用光纤技术，我国铁路光缆、数字通信也随之进入研究阶段；进入 80年代中后期，数字光纤通信已经在多条线上试用成功；90年代数字光纤通信已经在铁路通信中被广泛使用，这一时期除光缆建设迅速发展以外，其他数字通信建设也得到了相应的发展在交换方面大量采用程控交换设备。90年代末全路长途交换网基本形成，在数据交换方面根据铁路运输管理信息系统 （tmis）、客票预定和发售信息系统及铁路其他信息业务的需要，建设了铁路第一个分组交换数据网。在专用通信方面由于光数字分插设备的应用，区段通信电缆数大幅度增加，中间站通信条件大为提高。调度等共线电话也推广采用了程控共线设备。 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。 gsm-r的历史及技术特点，最初开发 gsm-r 的原因是无线频率的利用效率较低，铁路网络之间不同的通信系统的互操作性有限。1992 年，欧洲铁路的主管组织uic（国际铁路联盟）认为，gsm正在逐渐成为移动通信的实用标准，并发现gsm的功能能够为铁路的新型数字通信系统提供一个理想的平台。于是，作为eirene（欧洲统一铁路无线增强网络）项目的一部分，关于gsm-r 数字无线标准规范化的工作陆续展开。1995 年，morane（欧洲铁路移动无线电通信）项目启动，eirene制定的标准得到认可，开始生效。gsm-r是一种基于目前世界最成熟、最通用的公共无线通信系统gsm 平台上的、专门为满足铁路应用而开发的数字式的无线通信系统，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。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。第二章gsm-r系统的概述2.1 gsm与gsm-r的关系gsm：全球移动通信系统。gsm-r：全球铁路移动通信系统。gsm-r是铁路综合数字无线通信系统，通过无线通信方式实现移动话音和数据传输，是基于gsm而发展起来的一种数字传输技术体制。gps：全球定位系统，铁路上用于实现列车追踪控制。gprs：通用分组无线业务。in:智能网。(1)gsm-r理论建立在gsm理论基础之上。(2)gsm-r技术建立在gsm技术基础之上。(3)gsm-r工业以gsm工业为基础。(4)gsm-r工程建设以gsm工程经验为基础。(5)gsm-r应用开发吸收gsm成功经验。(6)gsm-r的市场铁路专用，gsm公众商用。gsm-r是专门为铁路通信设计，的综合专用数字移动通信系统，属于第二代铁路数字移动通信系统。2.2 gsm-r系统的网络结构和功能2.2.1 我国gsm-r系统的构成网络交换子系统(sss)、基站子系统(bss)、操作维护子系统(oss)、通用分组无线业务子系统(gprs)、智能网子系统(in)、固定接人交换子系统(fas)和无线终端系统。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(如信号专业的无线闭塞中心rbc)。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(如：gris接口服务器、信号专业ctc)。2.2.2 gsm-r系统的网络结构ms是接人gsm-r网络的用户终端，通过无线接口um接人到网络中。基站子系统bss由一个基站控制器bsc和若干个基站收发机bts组成，bts主要负责与一定覆盖区域内的移动台ms进行通信，并对空中接口进行管理。bts与bsc之间通过abis接口通信。bss中还可能存在编码速率适配单元trau，它实现gsm-r编码速率向标准的速率的转换。 abis接口属于私有协议，厂家自己定义，即bsc与bts一定要使用同一厂家的设备。bsc和bts连接的设置：35个bts环形组网，构成与bsc的链接。每个环使用2个2m传输通道2。（一）、bss基站子系统结构bss通过无线接口直接与移动台相连，负责无线发送接收和无线资源管理，通过a接口与nss相连，实现移动用户之间或移动用户与固定用bsc间的通信连接，并且传送系统信令和用户信息。在bss中，bts主要负责无线传输，bsc主要负责控制和管理，如果加入trua（速率适配单元），主要为了减少pcm链路数量。1bsc通用结构和功能bsc通用结构如图2-1所示。bsc主要提供在其覆盖区bsc的无线电资源管理与移动性管bts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 ,bss通过无线接口(um)与移动台( ms)、机车台等移动终端相连，负责无线发送接受和无线资源管理。通过a接口与sss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。o&mabis接口对bts无线资源管理区之间、小区之间越区切换通信信道安排bts之间的频率重新分配bts时间和频率同步控制频率跳变等等处理单元x25控制器交换矩阵pcm控制器pcm控制器btsa接口至网络子系统bsc2-1 bsc结构图2.bts通用结构和功能bts通用结构如图2-2所示。bts是网络固定部分与无线部分之间进行通信的中继，移动用户过空中接口与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。 trx是bts中最主要的设备。一台trx管理着一个tdma帧（8个时隙，8个物理信道），如图2-3所示。3trau通用结构和功能速率适配单元（trau）结构如图2-4所示。trau能够将13 kbit/s的话音（或数据）转换成标准的64 kbit/s的数据，实现编码速率转换，减少了bsc中pcm链路的数量。天线与每个小区的接收发信机之间的接口-编码、加密、调制、然后将射频信号送给天线-将信号解密、均衡、然后解调-上行链路信道测量-定时提前量-调频bsc-将语音和用户数据信道合成后送给bsc-将信令信道合成以后送给bsc天线bcf(基站公共功能)发射耦合器接受耦合器trx(收发信机)耦合系统双工器abis接口bts2-2 bts结构2-3 trx功能msct1中继线=24用户信道e1中继器线120路用户信道编译码器控制器编译码器外部pcm接口bsce1中继线=31路用户信道a接口t1中继线92路用户和控制信道将13kbit/gsm语音帧格式转换成64kbit/se1pcm-律或e1pcma律帧合适将用户数据流路由至相应的互联功能atrr接口 2-4 trau结构图（二）网络交换子系统(nss)一般由6个功能实体组成，分别是移动交换中心(msc)，拜访位置寄存器(vlr)，归属位置寄存器(hlr)，鉴权中心(auc)，设备识别寄存器(eir)，互连功能单位（iwf）。nss中还可以实现语音组呼和语音广播的实体组呼寄存器（gcr）。nss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。msc是nss的核心，msc的核心是交换功能，它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；它与其他网络互联时可以采用el中继线，提供30路用户信道，或采用t1中继线，提供24路用户信道。gmsc为叫关msc，具有路由功能，作为固定网络和移动网络之间的一个接入单元，提供业务和功能接人。网络可以在全部msc中选出一些msc作为gmsc。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；一个vlr可以管理一个或多个msc。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；一个gsm-r网络中可以不止有一个hlr，它的数量决定用户的数量和系统容量。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；设备识别寄存器( eir)可用可不用，互连功能单位(iwf)能够提供不同网络与gsm-r网络之间的协议转换。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。gsm-r采用no.7信令系统，是一种公共信令。1hlr存储管理部门用于移动用户管理的数据。每个移动用户都应在其归属位置寄存器(hlr)注册登记，它主要存储两类信息：一是有关移动用户的参数，包括移动用户识别号码、访问能力、用户类别和补充业务等数据。二是有关移动用户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，例如msc.vlr地址等。归属位置寄存器（hlr）功能如图2-5所示。永久记录-msisdn-imsi用户业务-功能号 临时记录-vlr地址-加密参数（kc，sres，rand）用户管理中心hlr2-5 hlr功能2认证中心auc属于hlr的一个功能单元部分，专门用于gsm系统的安全性管理。鉴权中心产生鉴权三参数组（随机数rand、符号响应sres、加密键kc），用来鉴权用户身份的合法性以及对无线接8-31的话音、数据、信令信号进行加密，防止无权用户接人和保证移动用户通信的安全，如图2-6所示。3拜访位置寄存器vlr通常与msc合设，其中存储msc所管辖区域中的移动台（称拜访客户）的相关用户数据，包括：用户号码、移动台的位置区信息、用户状态和用户可获得的服务等参数。 vlr是一个动态用户数据库。vlr从移动用户的归属位置寄存器（hlr）处获取并存储必要的数据，一旦移动用户离开该vlr的控制区域，则重新在另一个vlr登记，原vlr将取消该移动用户的数据记录。加密a3，a8算法randkiaucsres,kc,rand加密参数hlr请求imsiauc提供2-6 认证中心（三）操作维护子系统(oss)一般分为对应nss的操作维护中心omc-s及对应bss的操作维护中心omc-r，另外根据铁路应用，还有对应gprs的操作维护中心omc-d，对应fas的操作维护中心omc-f，光纤直放站的操作维护中心omc-t等。oss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，完成了包括移动用户管理、移动设备管理及网络操作维护等功能。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。系统的每个组成部分都可以通过特有的网络连接至omc，从而实现集中维护。（四）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(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3。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。2.2.3 我国铁路无线通信的现状（一）既有铁路无线通信系统存在许多问题功能单一、系统分散、相互间无法互通、维护成本高。1各分散系统主要有：无线列调、站场调车、客运、货运、列检、商检、车号、公务维修，公安等；功能：主要为语音业务，少量数据业务。这些系统均为自行投资建设、独立使用，分散维护，造成设备型号各异，种类繁多，相互间无法互通，维护运营成本较高。2频点固定分配、信道固定使用，频率利用率低，容量有限。铁路无线通信系统主要使用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。如北京、徐州等枢纽等地已无频点可供申请使用。既有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，其他用户只能等待。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。3.话音、数据业务争抢信道，传输可靠性低，数据传输能力差。经测算，在tdcs和ctc区段，当列车运行时速超过250 km对，综合考虑调度命令行、车凭证、车次号、进路预告等数据信息传送和车机联控话音通信需求时，业务密度加大，碰撞概率很大。基于无线列调系统的数据传输速率仅达到1.2 kbit/s。4枢纽地区干扰严重。枢纽站往往是多条线路的交汇处，通话的无序性，使各个机车台终端会对无线列调信道进行争抢造成“大信号抑制小信号”的后果。目前，在枢纽车站设置多套车站电台（每条线1套），其中部分车站台使用同频工作，这些电台在车站附近形成一个大范围内的同频干扰，降低了车站值班员的行车指挥效率。5既有铁路无线通信不具备网络能力。既有铁路移动终端对讲距离受限。铁路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。铁路无线、有线调度网基本独立，无法形成有机融合的整体。6开放系统，不具保密性。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。此外，公安系统对保密性的要求出很高，现有系统无法达到。（二）铁路新业务对铁路通信新的业务需求1客运专线的业务需求（对通信系统在高速情况下的安全性、可靠性、实时性、便捷程度提出了更高的要求）。话音类：调度通信、区间通信。数据类：列控信息传送、调度指挥信息传送、行车安全监控信息的传送、旅客综合服务信息的传送等。2机车同步控制传输（重载货运专线）的需求。重载运输中为了实现牵引过程中多个机车头的同时加速、减速、制动，主控机车和从控机之间通过gsm-r霜线镶旗塞时传递控制命令，这就是机车同步操控信息传送业务。通过采用多机车牵引模式，实现机车间的同步操控，达到单列运量2万吨，使用3-4个机车头进行牵引。如果牵引机车操作不同步，就会造成车箱间的挤压或者拉钩现象，影响运输安全，降低运输效率。为了保证操作的可靠性，利用gsm-r网络提供可靠的数据传输通道，采用无线通信的方式来实现机车间的同步操控.3车地信息化数据传输的需求。列车与地面之间的无线通信一直是信息化发展中的最薄弱环节。随着铁路的发展，铁路信息化要求的无线数据传输内容越来越多，一方面，列车运行控制、列车安全监控、诊断以及承载货物等实时信息需要传送到地面上来，为实现列车信息实时追踪、客票发售、货运计划、货车追踪、集装箱追踪等提供基础信息，满足铁路路网移动体（机车、车辆等）实时动态跟踪信息传输的需要；另一方面，以旅客为主体的移动信息，需要在车地之间实时进行传送，为旅客提供多方位的综合信息服务。4有线、无线调度业务融合的需求。（三）铁路通信采用gsm-r系统的优势。gsm-r足通过无线通信方式实现移动话音和数据传输的一种技术体制。它是基于gsm，并在功能上有所超越的成熟技术，是专门针对铁路对移动通信的需求而推出的专用系统。它可以满足铁路的特殊需求。(1)高级语音呼叫，包括：组呼、群呼、增强多优先级与强拆。(2)功能寻址、基于位置的寻址。(3)高速情况下的数据、语音业务的准确传输。(4)数据业务需求。(5)其系统标准公开，可互联互通；欧洲有成功的标准、工程、试验经验可借鉴。无需从头研发，节约了时间，且支持的厂家为多家，有利于形成良好的竞争局面。第三章gsm-r的业务3.1 gsm-r承载的铁路业务gsm -r除支持所有的gsm电信业务和承载业务外，为了满足铁路指挥调度的需求，增加了集群通信功能，在gsm标准中定义为高级语音呼叫项目，即asci( advanced speech call ltem)功能。它包括三种业务：优先级业务emlpp( enhanced multi level pre-cedence and preeruption)、语音组呼业务(voice group call service)和语音广播业务(voice broadcast service)。除了包含这三种业务外，为了实现铁路运营应用gsm -r还包含另外一些铁路所特有的功能，即功能寻址、基于位置的寻址等。3.2 电路域业务目前，高铁gsm-r系统所承载的电路域数据业务主要有ctcs-3列控及调度语音业务。电路域业务又分为电路域数据业务和电路域话音业务。电路域数据业务：列车控制信息（ctcs-3列控业务）。电路域话音业务：调度移动通信语音（基础语音）业务、高级语音业务。gsm-r除了提供基础语音通话功能外，还具备较高级的语音功能，如：优先级与强拆（emlpp）、语音组呼（vgsc）、语音广播（vbs）。优先级与强拆：包括两个方面，优先级和资源抢占。优先级址指在呼叫建立时给该呼叫指配一个优先级，该呼叫可以此级参与网络资源的竞争和调配。资源抢占是指当网络中没有空闲资源可用时，具有较高优先级的用户可以抢占强拆低优先级的用户的信道资源进行通信。emlpp业务规定了在呼叫建立或越区切换时呼叫接续的不同优先级，以及资源不足时的资源抢占能力。这种业务提供了一种强制能力，符合列车调度通信的调度特点。语音组呼业务( vgcs)是指一种由多方参加（gsm-r移动台或同网电话）的语音通信方式，其中一人讲话、多方聆听，当发起人停止讲话，某个人需要讲时，需要先进行申请，同意后也可以讲话,工作于半双工模式下，发起vgcs呼叫时，可用一个组功能码（组id）来呼叫所有该组成员。一个特定的vgcs通信由组功能码（简称组id）和组呼区域唯一确定。组id标识该组的功能，即由哪些身份的成员参加；组呼区域是指vgcs通信所覆盖的地理范围，以无线蜂窝小区为基本单位。组id与组呼区域的结合称作组呼参考，即组呼参考唯一的确定一个vgcs通信。呼叫建立之后，讲话人可以改变，一旦vgcs发起人停止讲话，系统示意其释放上行信道，所有的组内成vgcs接到通知，如果其他人想成为下一个讲话人，可使用ptt功能来申请上行信道。vgcs业务突破了gsm网络点对点通信的局限性，能够以简捷的方式建立组呼叫，实现调度指挥、紧急通知等特定功能，尤其适用于铁路的行车指挥调度部门。 语音广播：语音广播呼叫允许一个业务用户，将语音或者其他用话音编码传输的信号发送到某一个预先定义的地理区域内的所有用户或者用户组。显然，他工作于单工模式下。vbs中的讲话者没有像vgcs中的角色转换，就是说，讲话者（发起者）只能讲，听话者（接收者）只能听，没有讲话的权利，因而可以看作是vgcs的最简单形式。它也是用组功能码（组id）来呼叫所有该组成员。同vgcs一样，语音广播呼叫也提供了点对多点呼叫的能力，适用于铁路的行车调度。 语音组呼和语音广播可以用于实现调度的指挥、紧急通知等，尤其适用于铁路的行车指挥调度部门。电路域业务主要针对于那些对实时性要求较高，又要十分准确的传递信息，具有最高或者较高的优先级的业务。一般用于列车控制，调度语音指挥行车，铁路应急指挥通信等重要的业务。采用电路交换数据传输方式，配置固定信道，无法和其他信道共享，以此来保证保证传输的实时性和准确性。电路交换数据传输通过占用一条话音信道提供端到端的数据传输。建立完成后，每条链路数据独占一个时隙（即一个信道），数据传输速率最高为9.6 kbit/s。3.3 分组域业务目前，一般高铁线路gsm-r系统所承载的分组域数据业务主要有无线车次号信息、调度命令、近路预告信息。分组域数据业务主要针对于那些对实时性要求较低（与电路域业务相比），突发性强，有一定的数据量的业务。采用分组交换技术，可以高效传输数据和信令，只有当传输数据时才占用网络资源。优化了对网络资源和无线资源的利用，同时提高了传输的速率。无线资源中的一个频点即一个tdma帧可分配1到8个无线接口时隙。这些时隙能为用户所共享，且上行链路和下行链路的分配是独立的。可以同时使用8个时隙进行数据传输，最高速率可达171.2 kbit/s（理论值）。我国铁路发展基于gsm-r的gprs业务，是根据我f叫铁路运输对通信、业务需求量大、但频率资源紧张的实际情况而进行的技术决策。为提高有限的频率资源利用率而引用的（在我国铁路gsm-r系统可以使用的频率只有4m）。(gsm-r系统内加入gprs，把一些特定的铁路业务来通过gprs进行分组传输，以提高频率的利用率。3.4 智能业务1功能号注册、注销与管理业务利用智能网数据库管理功能实现机车功能号注册、注销以及管理。2增强型接人矩阵业务根据主、被叫的身份进行呼叫裁决，判断是否允许呼叫继续。3.功能寻址业务根据被叫用户所承担的功能来发起呼叫，而不是根据被叫用户的号码来寻址。主要用于解决固定用户呼叫移动用户，及调度员和车站值班员呼叫机车司机或手持台用户。功能寻址是指用户可以由它们当时所担当的功能角色，而不是他们所使用的终端设备的号码寻址。在同一时刻，至少可以为一个用户分配若干功能地址，但只能将一个功能地址分配给一个用户。用户可以向网络注册和注销功能地址。例如，可以给每列正在运行的列车司机分配一个功能号，结构为车次号+司机功能代码（设为01）。于是，t13次列车司机的功能号为t1301。当某位司机驾驶t13次列车从起点站出发时，他都必须向网络注册该功能号，网络负责将该功能号与他当时所使用的机车电台的真实号码对应起来。当调度员或是车站值班员要呼叫t13次列车的司机时，可以不必知道该司机姓名，也不必知道该司机使用的机车台的号码，只要向网络请求“我要呼叫t1301”，网络查询其数据库，将t1301对应到一个真实的电话号码，并建立该呼叫。这种功能简化了呼叫的操作，能够提高铁路工作人员的工作效率5。4.位置寻址业务将移动用户发起的呼叫，路由到一个与该用户当前所处位置相关的目的地址，正确的调度员或车站值班员由主叫移动用户当时所处的位置来确定。这个功能主要用于解决移动用户呼叫固定用户，包括司机或运营手持台用户呼叫调度员和当前车站值班员等。如列车调度中的“大三角”通信，移动台要呼叫的调度员取决于移动用户当前所处的位置。以北京调度所为例，当列车运行到北京调度所管辖车站范围内的时候，司机需要呼叫北京站调度员时，他并不需要知道调度员的完整的电话号码，只需要呼叫代表调度员身份的短号码（如1200）向网络发起呼叫请求。网络识别该短号码并将其路由到北京调度所的调度员。这种功能用于移动用户呼叫特定的固定用户（调度员和车站值班员）。列车调度的语音通信需求可以归结为：点对点通信、多方通信、语音组呼、语音广播呼叫。点对点通信，移动台呼叫固定台，即从移动台到固定台的寻址，由于固定台位置是不动的，故可以采用基于位置的寻址；固定台到移动台，移动台处于不断移动的状态，故不能采用基于位置的寻址，而采用功能寻址。对于数据通信，采用isdn的电路数据交换。isdn和gsm -r网络都具有数据传输的能力，isdn终端可以提供低于128 kbi/s的传输能力，gsm -r可以提供2.4 kbi/s、 4.8 kbi/s和9.6 kbi/s能力，可以在调度所、车站和机车三者之间传送数据；isdn的uusi补充业务，也能够在呼叫建立之前提供一定能力的数据传输功能。另外也可以利用cprs实现分组数据传输。对于基于位置的寻址，涉及一个小区规划的问题。由于gsm-r网络的最小定位范围是小区，即当列车呼叫车站值班员的时候，如果一个小区覆盖多个车站，那么呼叫将被路由到多个车站值班员。因此，gsm-r小区最大设置为覆盖一个车站。面对于车次功能号，由于gsm -r的标准中，只包含有0 9数字车次号，而国的车次号中包含字母，所以，需要建立一个从字母到数字的映射表，使得移动台的mmi可以将用户输入的含有字母的车次号转换为只包含数字的车次功能号，反之也是如此。第四章gsm-r的应用4.1 gsm-r在既有线上的应用4.1.1 调度通信调度通信系统业务包括列车调度通信、货运调度通信、牵引变电调度通信、其他调度及专用通信、站场通信、应急通信、施工养护通信和道口通信等。利用gsm-r进行调度通信系统组网，既可以完全利用无线方式，也可以同有线方式结合起来，共同完成调度通信任务。实际上，在铁路上的有线通信已经比较完善，因此可以完全利现在的有线资源，构成gsm-r+fas(固定用户接入交换机)的无线/有限混合网络。这种混合网络的系统主要由nss（包括msc、hlr、auc、vlr、gcr等）、bss(包括sc、bts)、oss、固定用户接入交换（fas）、调度台、机车综合通信设备、作业手持台（oph）及其他固定终端等构成。铁路沿线采用无线覆盖，机车上采用无线终端，即机车综合通信设备，而车站台和调度台都是有线终端。采用有限/无线组网方式。在铁道部、铁路局设置fas，就近与msc连接；沿线车站根据需要设置fas，接入局fas，既有线干调网、数字区段调度应改造升级后接入gsm-r网络，其中车站台和调度台通过fas连接到gsm-r msc上，从而实现有线和无线用户的通信。下面以列车调度功能为主，介绍其实如何采用gsm-r来实现的。1. 列车调度通信概述列车调度通信是重要的铁路行车通信系统，负责列车的位置和运行方向，其主要用户包括列车调度员、车站（场）值班员、机车司机、运转车长、助理值班员、机务段（折返段）调度员、列车段（车务段、客运段）值班员、机车调度员、电力牵引变电所值班员、救援列车主任以及其他相关人员。10 列车调度通信系统的主要问题是解决“大三角”和“小三角”通信，“大三角”通信是指列车调度员、车站值班员和机车司机之间的通信；“小三角”通信是指车站值班员、机车司机和运转车长之间的通信。2采用gsm -r网络实现列车调度通信功能gsm -r除支持所有的gsm电信业务和承载业务外，为了满足铁路指挥调度的需求，增加了集群通信功能，在gsm标准中定义为高级语音呼叫项目，即asci( advanced speech call ltem)功能。它包括三种业务：优先级业务emlpp( enhanced multi level pre-cedence and preeruption)、语音组呼业务(voice group call service)和语音广播业务(voice broadcast service)。除了包含这三种业务外，为了实现铁路运营应用gsm -r还包含另外一些铁路所特有的功能，即功能寻址、基于位置的寻址等6。 列车调度的语音通信需求可以归结为：点对点通信、多方通信、语音组呼、语音广播呼叫。点对点通信，移动台呼叫固定台，即从移动台到固定台的寻址，由于固定台位置是不动的，故可以采用基于位置的寻址；固定台到移动台，移动台处于不断移动的状态，故不能采用基于位置的寻址，而采用功能寻址7。对于数据通信，采用isdn的电路数据交换。isdn和gsm-r网络都具有数据传输的能力，isdn终端可以提供低于128 kbi/s的传输能力，gsm -r可以提供2.4 kbi/s、 4.8 kbi/s和9.6 kbi/s能力，可以在调度所、车站和机车三者之间传送数据；isdn的uusi补充业务，也能够在呼叫建立之前提供一定能力的数据传输功能。另外也可以利用cprs实现分组数据传输。对于基于位置的寻址，涉及一个小区规划的问题。由于gsm-r网络的最小定位范围是小区，即当列车呼叫车站值班员的时候，如果一个小区覆盖多个车站，那么呼叫将被路由到多个车站值班员。因此，gsm-r小区最大设置为覆盖一个车站。面对于车次功能号，由于gsm -r的标准中，只包含有0 9数字车次号，而国的车次号中包含字母，所以，需要建立一个从字母到数字的映射表，使得移动台的mmi可以将用户输入的含有字母的车次号转换为只包含数字的车次功能号，反之也是如此。4.1.2 车次号传输与列车停稳信息的传送gsm-r车次号传输与列车停稳信息对铁路运输管理和行车安全具有重要的意义，它可以通过基于gsm-r电路交换技术的数据采集传输应用系统来实现数据传输，也可以采用gprs（通用分组无线业务）方式（用户数据报udp协议）来实现。系统由gsm-r网络（叠加gprs）、监控数据采集处理装置（以下简称采集处理装置）、gsm-r机车综合通信设备、tdcs(列车调度指挥系统)/ctc(调度集中)设备等组成。系统构成见图4-1。当通信方式为gprs方式时，该系统可实现车次号传送的目的ip地址自动更新，按要求进行车次号信息和列车停稳信息传送，能对发送的车次号信息、列车停稳信息进行存储，tdcs/ctc可向采集处理装置查询车次号信息。通信过程如下：采集处理装置在安装前需要进行归属目的ip地址的设置。采集处理装置开机后与gsm -r机车综合通信设备握手，按照设置的归属目的ip地址向tdcsctc申请车次号传送的当前目的ip地址。当tdcs判断运行列车即将离开管辖区时，将接管辖区的目的ip地址发送给运行列车的采集处理装置，采集处理装置则根据该信息进行目的ip地址的更新。采集处理装置接收机车安全信息综合监测装置（以下简称监测装置）广播的信息，并对信息进行实时分析，数据内容符合以下条件之一时则通过gsm -r机车综合通信设备发送一次车次号信息： a列车进入新的闭塞分区、进站、出站； b在非监控状态下速度由0变为5 km/h； c司机操作运行记录器“开车”键时。列车停稳时采集处理装置向ctc发送一次列车停稳信息。发送车次号或列车停稳信息的同时向操作显示终端发送一次相同信息。tdcs/ctc根据需要可向运行列车上的采集处理装置查询车次号信息。需要查寻机车ip地址时，tdcs可利用机车号向gsm -r网络的域名服务器( dns)进行域名查址获得对应关系。采集处理装置根据需要向gsm -r机车综合通信设备查询有关位置信息（gps信息等）。um以太网tdcs行车调度台tdcs通信服务器tdcs车站设备tdcs车站设备gsm-r网络机车综合通信设备采集处理装置rs-422 4-1 gsm-r车次号传输系统的结构示意图4.1.3 调度命令传送铁路的调度命令是调度所里的调度员向司机下达的书面命令，它是列车行车安全的重要保障。调度员通过向列车司机发出调度命令对行车、调度和事故进行指挥控制，是实施铁路运输管理的重要手段8。采用车地数据通道传输调度命令无疑将加速调度命令的传递过程，提高工作效率。调度员可以通过计算机编辑调度命令，而司机也是通过计算机接收调度命令，这样就可以把调度命令保存在计算机的磁盘中，用于事故分析和明确责任；而且双方可以用打印机打印成书面文件，其优点显而易见。调度命令子系统包括列车机车台和列车调度台，以及它们各自连接的用于打印调度命令的打印机设备。描述了基于csm -r电路交换技术的列车调度系统。调度命令子系统。图中gdt( generaj data transceiver)指通用传输电台。调度命令数据传输也可采用gprs分组交换通信办式（udp协议）。系统由gsm-r网络（叠加gprs）、gsm -r机车综合通信设备（含操作显示终端、打印终端）、tdcs设备等组成7。 通信过程如下：tdcs通过车次号信息建立运行区段机车号对应的ip地址档案，列车离开本区段时将档案拆除。调度员和车站值班员可在终端上编辑调度命令（系统根据车次号自动将相应的机车号填人），当按下调度命令发送键，tdcs根据调度命令中的机车号查找相对应的目的ip地址并将调度命令发送。司机可通过操作显示终端接收并处理调度命令。tdcs收到确认信息要在调度命令发送方显示。4.1.4 列尾装置信息传送 将尾部风压数据反馈传输通道纳入gsm -r，可避免单独投资及单独组网建设，同时利用gsm-r强大的网络功能，克服了原有的抗干扰性差、信息无法共享等各种缺点。它具有以下优势： a尾部风压状态随时通过车尾装置传输； b机车司机随时可以查询、反馈车尾工作状态； c在复线区段或临线，追踪列车之间不会相互干扰； d在隧道内也能传输。利用gsm-r网络电路交换的数据通信功能，可以方便地解决尾部风压数据传输问题。图4-2为按需建立电路连接的方式的尾部风压检测系统结构。 在车头的司机查询装置和车尾的风压检测装置上分别安装gsm -r通信模块，两者就可以利用gsm -r的电路数据功能传输风压数据。当司机查询尾部风压时，车头通信模块首先与车尾通信模块建立电路连接，然后向车尾的模块发送查询数据包，在收到该数据包后，车尾模块检测风压并封装在数据包中发给车头装置。同时，若风压超过告警界限，车尾模块也将首先与车头模块建立数据链路，然后向车头显示器友送数据包以报告险情。概括起来，无论是司机主动查询风压，还是车尾自动报警，本方的通信模块都要首先与对方建立通信电路，然后再进行数据包的交互，待所有事务都结束后，再挂断通信连接。一般情况下，通信电路连接的建立时间为5 s左右。与前面所述的几种数据传输类似，列尾装置信息也可以通过gprs方式进行传输，此时，列尾主机要注册其ip地址，并建立列尾主机与机车综合通信设备的唯一对应关系。风压数据数据通道车头风压查询装置车尾风压监测装置图4-2 数据通信传输方式的尾部风压监测系统4.1.5 调车机车信号和监控信息系统调车机车信号和监控信息系统主要功能是提供调车机车信号和监控信息传输通道，实现地面设备和多台车载设备间的数据传输，并能够存储进入和退出调车模式的有关信息。多台调车机车同时作业时，地面设备使用连选功能，与每台车载设备分别建立电路连接。 csm -r调车机车信号与监控信息系统构成见图4-3，包括调车机车信号和监控车载设备（简称车载设备）、调车机车信号和监控地面设备（简称地面设备）、gsm -r网络和gsm -r机车综合通信设备。为保证可靠性，系统通信方式采用点对点电路连接，当gsm-r机车综合通信设备接收到车载设备发送的进入调车监控模式命令时，自动按分配给地癣设备的功能号进行基于位置的呼叫。gsm-r网络接收到功能号呼叫后将路由指向对应的地面设备，在地面设备与车载设备之间建立一条电路链路，同时操作显示终端提示处于调车监控模式。地面设备发送数据时根据信息内容中的机车号选择对应的端口将数据转发，gsm-r机车综合通信设备接收到数据后按照目的端口码转发给车载设备。车载设备将数据通过以建立的数据链路发送给csm -r机车综合通信设备，gsm -r机车综合通信设备再把数据通过链路发送到地面设备。当gsm -r机车综合通信设备接收到车载设备发送的退出调车监控模式命令时，csm -r机车综合通信链路设备则释放电路链路9。 rs-422um地面设备gsm-r机车综合通信设备1gsm-r机车综合通信设备2车载设备1车载设备2gsm-r网络rs-422um图4-3 gsm-r调车机车信号与监控信息系统构成图4.1.6 机车同步控制传输铁路运输对于需要采用多机车牵引模式、机车间的同步操作格外重要，如各机车的启动、加速、减速、制动等。如果牵引机车操作不同步，就会造成车厢间的挤压或者拉钩现象，影响运输安全，降低运输效率。为了保证操作的可靠性，可以利用gsm-r网络提供可靠的数据传输通道，采用无线通信方式来实现机车间的同步操作控。机车同步操作控制系统由地面设备和机车车载设备组成，如图4-4所示。其中，地面设备由locotrol应用节点（以下简称应用节点）组成，与外部gsm-r网络采用标准的pri(30b +d)接口相连；机车车载设备包括locotrol车载控制模块（简称locotrol）和gsm-r车载通信单元（简称通信单元）。locotrol与通信单元采用rs - 232或rs - 422接口方式。gsm-r车载通信单元l