（通信与信息系统专业论文）gsmr铁路平面调车通信手持终端设计.pdf

中文摘要 编组站是中国铁路货运中非常重要的组成部分，平面调车无线通信是铁路无 线通信中一项重要而繁忙的业务。目前平面调车无线通信还是建立在模拟集群的 基础上，通信效率低、可靠性低，不适应当前编组站的发展，成为限制编组站提 高工作效率，扩大规模的瓶颈之一。 g s m r 是目前国际上先进的专为铁路通信设计的无线通信系统，以技术成 熟的g s m 系统为基础，增加了调度通信等功能。我国已经在2 0 0 0 年底正式确 定将g s m r 作为铁路未来发展的方向。 将编组站通信移植到g s m r 系统平台，不仅能够非常顺利地解决当前模拟 集群所难于解决的平调通信问题，也使得平调通信和列调通信，这两个铁路非常 重要的铁路无线通信业务能够相互融合，构成一个整体。 中国的编组站的业务流程和欧洲有较大区别，移植工作需要有全新的解决方 案。本文在介绍了g s m r 和当前编组站通信现状等情况后，提出具有创新性的 系统解决方案，能够较好地解决中国编组站无线通信，尤其是平面调车通信的需 求。 由于手持终端的设计是移植工作的关键，课题研究的重点是手持终端的设 计。首先根据系统方案和业务需求，总结出手持终端的技术条件。根据系统方案 和技术条件，确定手持终端内部主要模块的选型方案，包括：控制器、f l a s h 、 液晶屏、电池的类型选择。然后进行终端硬件的具体电路设计，如：控制器及其 外围电路、通信模块电路、语音电路、电源管理电路等等。文中不仅介绍了各部 分电路设计的重点及难点，也介绍了部分电路设计思想。手持终端的最终设计的 样机已经通过相关测试，达到了预定的技术条件要求，实现了平面调车通信的各 项业务和指标，在将编组站通信向g s m r 移植过程中迈出了重要的一步。 关键词：g s m r 平面调车集群无线通信手持终端硬件设计 a b s t r a c t m a r s h a l l i n gs t a t i o ni sak e yf u n c t i o np a r ti nc h i n a sr a i l w a yf r e i g h tt r a n s p o r t a t i o n a n dl i k e w i s e ，w i r e l e s ss h u n t i n gc o m m u n i c a t i o ni sa l li m p o r t a n ta n db u s yo n ei na l l k i n d so fr a i l w a yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s h o w e v e r , t h ec u r r e n ta n dm a i n l y - u s e d s y s t e mi sb a s e do na n a l o gt r u n km o d e ，w h i c hh a sp o o re f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y t h i s b l o c k e dt h ed e v e l o p m e n to fn o w a d a y sm a r s h a l l i n gs t a t i o na n dh a sb e c o m ea b o t t l e n e c ko fi t se f f i c i e n c ya n ds c a l e g s m ri saw o r l d - w i d ea d v a n c e da n dr a i l w a yo r i e n t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m i ti sd e r i v e df r o mt h ew i d e s p r e a dg s ms y s t e ma n da d d e dm a n yf e a t u r e sf o r r a i l w a ys c h e d u l ec o m m u n i c a t i o n c h i n ah a so f f i c i a l l yc o n f i r m e dt h ea d o p t i o no f g s m - r b yt h ee n do f2 0 0 0f o rt h ef u t u r er a i h a yc o m m u n i c a t i o n p o r t i n gm a r s h a l l i n gc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n t og s m - rs y s t e mn o to n l yc a n o v e r c o m et h ea n a l o gt r u n k sd e f i c i e n c yi ns h u n t i n ga p p l i c a t i o n ，b u tm o r ei m p o r t a n t ， c a nu n i f yt h et w ok i n d so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，s h u n t i n ga n dt r a i ns c h e d u l i n g t h em a r s h a l l i n gb u s i n e s sp r o c e s si nc h i n ai sd i s t i n c tf r o mt h a ti ne u r o p e ， t h e r e f o r e ，t h es o l u t i o nt ot h ep o r t i n gw o r ks h o u l da l s ob eu n i q u e t h i sp a p e r , a f t e r i n t r o d u c t i o no fg s m ra n dt h es t a t u sq u oo fc u r r e n tm a r s h a l l i n gs t a t i o n , p u tf o r w a r d ac r e a t i v es o l u t i o n ，w h i c hc a nb e t t e rm e e tt h er e q u i r e m e n t so fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n i nc h i n a s m a r s h a l l i n g s t a t i o n ,e s p e c i a l l y t h e s h u n t i n g c o m m u n i c a t i o n b e c a u s et h ed e s i g nw o r ko fg s m rh a n d s e ti sk e yt ot h ew h o l ep r o j e c t ，t h ef o c u s o ft h i sp a p e rw i l lb ea l s oo nt h eh a n d s e t f i r s to fa l l ，a c c o r d i n gt ot h es y s t e ms c h e m e a n db u s i n e s sr e q u i r e m e n t s ，w eo u t l i n et h er e l a t e ds p e c i f i c a t i o n sf o rt h eh a n d s e t a f t e r t h a t ，w ed ot h et y p es e l e c tf o rm a i nm o d u l e si nt h eh a n d s e t ，i n c l u d i n gp r o c e s s o r , f l a s h ， l c d ，b a u e r ya n de t c a n dt h e nt h ed e t a i l e dd e s i g ns c h e m eo ft h eh a r d w a r ei sg i v e n a b o u tt h ep e r i p h e r a l sc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l ec i r c u i t ，v o i c ec i r c u i ta n dp o w e r m a n a g e m e n t w ea r em o r ed w e l l i n go nt h ei d e a so fs o m ec i r c u i td e s i g na sw e l la so n e v e r yp a r t sd i f f i c u l t i e s s a m p l eo fo u rh a n d s e td e s i g nh a sp a s s e dn e c e s s a r yt e s t sa n d r e a c h e dt h er e q u i r e m e n t sa n ds p e c i f i c a t i o n s i t sag r e a tm i l e s t o n eo nt h ew a yo f p o r t i n gt h em a r s h a l l i n gb u s i n e s st og s m - r k e yw o r d s - g s m - r ，s h u n t i n g ，h a n d s e tt e r m i n a l ，h a r d w a r ed e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 r1 学位论文作者签名：争7 签字日期：z 。7 年j 月z7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：唐 导师签名： 彻窃 i 签字日期：幻口7 年，月2 7 日 签字日期：7 年月彤日 第一章绪论 1 1 项目的背景 第一章绪论 1 1 1 我国铁路的信息化建设 近几年，我国铁路全行业基础建设投资明显增加，铁路的整体发展速度显著， 多条新的铁路线建成，列车多次提速，客运专线迅速发展。截止2 0 0 2 年底，我 国铁路总运营里程达到7 1 5 0 0 公里，居世界第三，亚洲第一【l j 。 但我国铁路的发展在很多方面上，与世界上的发达国家仍有很大的差距。首 先，从铁路密度看，按国土面积计算，我国每万平方公里拥有铁路7 4 8 9 公里， 居世界6 0 位之后；按人口计算，中国铁路路网密度为每万人0 5 6 公里，排名1 0 0 位之后。其次，我国在列车速度上也存在较大差距。目前发达国家已经达到 2 0 0 3 0 0 公里d , 时，最高实验速度为5 1 5 3 公里川、时；中国铁路经过五次大提速， 主要干线特快列车最高时速达到1 4 0 - 1 6 0 公里d , 时，客运列车的平均速度仅为 7 1 4 公里d , 时，货运列车仅仅4 1 7 公里d , 时1 2 。 我国铁路的负荷是非常重的。中国铁路的总运营里程占世界的6 ，而完成 的工作量是世界总量的2 5 左右，我国铁路的负荷之重达到很多国家的数倍。但 如此超负荷运转的铁路系统，仍然不能满足我国经济发展对铁路的需求。货运方 面，我国每天大概有2 8 万辆的请求车，有时会达到3 0 万辆，而兑现率仅为3 5 。 客运方面，我国铁路每日提供坐席数大概为2 4 2 万人，而2 0 0 4 年平均每日实际 发送旅客数为3 0 2 万，很多列车经常超员。我国经济还在持续高速增长，对铁路 的需求还在不断增加。中国铁路应该加快自身发展，从而适应社会需求，推动经 济稳定快速发展。 信息化是铁路发展的战略制高点。很多发达国家通过信息化，提升了铁路管 理运营水平。以美国c s x 公司为例，其不断研究发展先进的信息系统，l o 多年 来，机车节省3 0 ，货车节省3 0 ，工作人员减少4 3 ，运量提高1 4 ，运输 收入增长7 0 。我国在铁路信息化方面，具有巨大的发展潜力和美好的发展前 景。 铁路信息化建设是一个非常庞大而复杂的系统工程。铁路信息具有信息源点 的分散性、信息载体的流动性、信息联系的广泛性、信息交换的频繁性、信息采 集的实时性和连续性、信息处理的复杂多样性等特征，这就需要从全面、系统的 第一章绪论 战略高度来规划。 欧洲在铁路信息化发展方面，处于世界的领先地位。欧洲铁路运输管理系统 ( e r t m s ) 是一个重要的欧洲铁路通信信号一体化发展项目，它包括2 个重要 方面，一个是欧洲列车控制系统( e t c s ) ，一个是欧洲铁路综合调度移动通信系 统( g s m r ) 。其中的g s m r ( g s mf o rr a i l w a y ，中文全称为铁路综合数字移 动通信系统) 是一套先进的针对铁路应用的无线移动数字通信系统，能够满足铁 路调度的种种功能，能适应高速铁路的运行环境。2 0 0 0 年底我国正式确定将 g s m r 作为铁路通信发展的方向【3 1 。 1 1 2g s m r 系统简介 国际铁路联盟( u i c ) 为了满足欧洲2 l 世纪铁路一体化进程，推荐了欧洲铁 路专用移动通信系统g s m r ( g s mf o rr a i l w a y ，铁路综合数字移动通信系 统) 。g s m r 是一种为铁路部门设计的专业无线数字通信系统，以成熟的g s m 技术为基础，增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的要素，并且随着 w c d m a 的发展，g s m r 可以平滑地过渡到3 g ，所以g s m r 又是项面向未 来的技术。 1 1 2 1g s m r 的特殊功能 g s m r 是在g s m 的基础上发展而来的，但g s m 本身不能够满足铁路通信 的需要，因此g s m r 又增加了很多新特性。 1 ) 高级语音呼叫( a s c i ) a ) 增强多优先级与强拆( e m l p p ) 增强多优先级与强拆功能是指网络向不同类型、不同业务的呼叫分配不同的 优先级水平，在呼叫建立期间和越区切换期间，系统根据优先级水平对网络资源 进行合理配置；在网络资源紧张的时候，能够让高优先级的呼叫抢断正在进行的 低优先级呼叫。 b 1 语音组呼( v g c s ) 语音组呼又简称组呼，定义了一种由多方参与( g s m 移动台或固网电话) ， 其中一人讲话、多方聆听的点对多点语音通信方式。组呼用户通过一个组i d 就 能呼到所有该组的成员，且同一组内的移动用户可以分布在多个蜂窝小区内。组 呼突破了点对点通信的局限性，实现了调度指挥、紧急通知等特定功能。 c ) 语音广播( v b s ) 语音广播是允许建立点对多点的单向语音呼叫连接，与组呼有相似之处，两 者间的最重要不同是：语音广播的业务用户不能实现讲话者与聆听者的转换，而 2 第一章绪论 语音组呼可以。 2 ) 针对铁路应用，提供了铁路特有的调度业务 曲功能寻址和基于位置的寻址 功能寻址和基于位置的寻址是g s m r 中非常重要的先进寻址功能，两个功 能相结合可以实现“功能号寻址”，例如：列车在运行过程中，司机需要呼叫下一 车站的值班员，他并不知道值班员的电话号码，但他只需要使用一个短号码( 功 能号) ，向网络发送呼叫请求，网络识别该短号码为前站值班员后，会根据列车 所在位置，将呼叫路由到正确的值班员那里。此功能利用短小的功能号代替了大 量的电话号码，为用户带来了方便，也提高了呼叫的准确性。 b ) 安全数据传输 安全数据传输对于铁路应用来说十分重要，因为利用g s m r 无线网络传输 的是有关列车控制等至关重要的信息，安全性必须得到保证。g s m r 系统能够 确保用户的合法性和信息传输的安全性。 从以上分析可知，g s m r 网络是为铁路应用定制的网络系统，能够非常好 地完成铁路通信的各项业务。 1 1 2 2g s m r 在我国的发展 我国从1 9 9 4 年就开始对专用移动通信技术进行跟踪研究，当时研究的重点 是g s m r 和t e t r a ( 陆上集群无线电通信) 。由于g s m r 具有更适合铁路运 输特点的功能优势、更成熟的技术、更符合通信信号一体化技术发展的需要，以 及g s m r 支持铁路移动通信的可持续发展，因此2 0 0 0 年底我国正式确定将 g s m r 作为铁路通信未来发展的方向。 2 0 0 2 年l o 月2 6 日，铁道部在北方交通大学( 现更名为北京交通大学) 投 资建成了国内第一个g s m r 科研实验室一s m r 研究与应用模拟系统实验 室。 中国信息产业部于2 0 0 3 年9 月2 2 日，在关于铁路专用g s m r 移动通信 系统使用频率及有关问题的函( 信部无函 2 0 0 3 1 3 9 1 号) 中正式同意中国铁路系 统发展g s m r 移动通信，这标志着中国铁路g s m r 的正式起步。 2 0 0 6 年7 月1 日，中国长达1 1 4 2 公里的青藏铁路正式开通。青藏铁路是第 一条应用多种领先技术、往返于“世界屋脊”之上的铁路，是亚洲首条完全基于 g s m r 无线通信系统的铁路，是我国铁路发展史上的一个里程碑。目前我国正 在修建的很多条铁路线路也采用了g s m r 无线通信系统，比如：大秦线，胶济 线等。 g s m r 在中圉的应用过程中，为了适合国内业务的需要，很多研究机构、 第一章绪论 公司，都在g s m - r 的本土化改造工作中做出了贡献，有很多创新性的应用，这 些标志着g s m r 在中国的大地上已经扎根成长。铁路通信系统正在向着现代化、 智能化、综合化快速发展，我国铁路也必将迎来一个大的飞跃1 1 1 3 编组站及平调场简介 编组站是我国铁路货物运输环节中重要的组成部分，在货运过程中起到关键 作用。编组站的无线通信是铁路无线通信一项重要而繁忙的业务。目前的终端已 经很难满足业务需求了，需要有更先进的通信系统作为平台。 1 1 3 1 编组站业务介绍 编组站的整体功能是将到达的货运列车重新分组，将去往相同方向的车厢重 新整合为一辆新的列车，并送到铁路线上去。同时编组站可以将到达本地的车厢 送往编组站附近的各大厂矿，或将本地的车厢加入到新的货运列车中。因此，编 组站根据其功能有一个非常形象的名字_ 货运列车工厂”。 从业务功能和地理位置的角度看，编组站内部分为到达场、驼峰场、平调场、 出发场。若将编组站比作“货运列车工厂”，那么编组站的各个车场就是各个“生 产车间”，各个车间都有独立的功能、地理位置和员工。图1 1 显示了一条单向 线路上各个场的分布及内部的主要人员。 j ，一+ + 、，一+- 、j j ，+ 、ji ，+ 一、ji ，+ + - 、，一+ 、。j | ! 固嚣ij 国搋! ：；国嚣：! ! 固嚣! i；固鬻li 固黼! i ! ：，敛。瞧女 ：麟i 骱 ： ：弛酸f ? ：； ：执欲p ：；i ：诎蛾 ：i _ i 酸一： | 凰麓li 凰蕊；l 凰嚣 ! il 凰懑ii | l 凰擞ii 凰黝 i ；、郦牙_ 而。7 静j 弼0 ： ：、嘲三r 再7 ：、y 蕊了曩。7 ； l 、” 甜。7 、葺：硼鬻7 ： 、一罩隧场一7 、蕊匿一7、鞫耨一7 、_ 一庄：夏塌- 7 图i - i 编组站结构图 到达场和出发场的功能是接收列车至站内或从站内送出列车，并在列车到达 后或出发前，对其车厢的编号顺序、货物的情况、列车的状态进行检查，如果出 现问题需要及时通知主管部门。 驼峰的主要功能是将到达的列车，按照车组( 辆) 的去向和车种，分解到指 定的线路内。 平调场是本项目分析的重点，将在后文1 1 3 2 作详细介绍。 第一章绪论 1 1 3 2 平调场简介 平调场是编组站内最为重要的作业区域，主要功能是根据列车编组计划、列 车运行图、有关规章制度和特殊要求，利用调机将已经解散的车厢重新整合，选 编成车列或车组。当车列编成后，由调机将车列送至出发场。 平调场主要工作人员包括：调车区长、调车长、机车司机、制动员。调车作 业以调车组为单位，每个调车组内由一名调车长，一名机车司机和多名制动员组 成。平调场内可能同时由多个调车组进行多个调车作业，调车区长负责整个平调 场的调车作业安排和监督。 平面调车的一般作业流程可以分为以下几部分： 在调车作业开始前，由调车区长定制调车计划，并完成“调车作业单”的 编制和下发，调车长及制动员、机车司机接收到调车作业单后，要进行 确认； 调车长根据调车作业单，确定具体的调车方案和分工，并通知调车组内 的人员； 调车作业过程中，调车长根据调车计划，向机车发送调车指令，指挥机 车行进。调车司机要完全依照调车长发送的调车指令来操作机车的启 动、减速、停止等，将调车机车从一个股道开往另一个股道，完成车体 的摘钩、连挂； 制动员负责协助调车长完成调车任务，比如当推进车厢前进时，调车长 不能看到最前面的路况，就由制动员在前面导引； 制动员还负责完成车体的连接和摘挂等作业。 1 1 4 平面调车通信要求 编组站平面调车通信系统属于铁路专用无线通信，设备包括通信网络设备和 终端设备。终端设备又包括调车区长台( 以下简称“区长台”) 、调车机车控制台 ( 以下简称“机控台”) 、调车长手持终端( 以下简称“调车长台”) 和制动员手持 终端( 以下简称“制动员台”) 。整个通信系统的结构见图1 2 。 无线通信网络是平调无线通信的网络平台。 区长台是一个无线固定终端，一般安装在编组站的值班楼里，由区长使用。 其主要功能如下： 显示、定制调车作业单； 能够和站场内所有调车组分别进行语音通话； 监视调车组调车作业进度。 第一章绪论 图l - 2 平面调车无线通信系统构成 调车长手持终端是无线移动终端，由调车长携带并使用， 通过无线方式向机控台发送调车指令； 能够和本组内人员进行语音通信： 能够呼叫区长台。 制动员手持终端是无线移动终端，由制动员携带并使用， 通过无线方式向机控台发送紧急停车和解锁指令； 能够和本组内人员进行语音通信。 其主要功能如下： 其主要功能如下： 机控台是无线移动终端，安装在调车机车上，一般有机控台主体和两个灯箱 组成，灯箱上有彩色的指示灯，用来显示调车指令。机控台具有以下功能： 接收调车长、制动员的调车指令，在灯箱上显示并语音提示； 能够和本组内人员进行语音通信； 由以上各终端功能可知，通信内容分为两部分：语音和调车指令。 调车组内的话音通信采用集群组呼方式，按p p t 直接讲话，一人说多人听。 调车指令是短小的数据( 几个字节) ，是一点对多点的数据传输，有以下三 点具体要求： 1 ) 低延时，因为调车指令和机车操控直接相关，低延时有助于调车作业的 进行，在发生紧急情况时，也能迅速告知司机。调车指令的传输延迟要 求小于5 0 0 m s ； 2 ) 具有最高的传输优先级，在平调中有一种情况叫“红灯强插”，即组内成 员发现有危机情况时，无论是否有语音通信，都能够向机控台发送停车 指令，机控台也能迅速接收此指令并通知司机。“红灯强插”要求通信系 统具备“数话同传”的能力，即在有语音通信的同时仍能发送和接收数 据； 3 ) 高可靠性，不能出现调车指令的误报、漏报和错报。 第一章绪论 1 1 5 当前平调通信设备及其不足 当前广泛应用的平调通信系统是建立在模拟集群通信的基础上。模拟集群诞 生的时间很早，针对的是点对多点的半双工语音通信，其本身没有提供数据通信 业务。利用模拟集群终端进行数据通信，都是将数字信号调制到模拟信道中传输， 一般情况下，调制方式为f s k ，数据传输速率为1 2 2 4 k b p s 。 采用模拟集群的平调无线通信系统有四点不足： 1 ) 频率资源利用率不高，每组频点( 上，下行) 只能允许一组人员使用。 尤其是随着当前编组站规模不断扩大，业务更加繁忙，需要更多的调车 组同时进行作业，频率资源显得非常有限，甚至不够用。 2 ) 采用调制的方式传输数字信号，实现方法复杂，可靠性低，传输效率低， 误码率高。 3 ) 模拟集群在一个频点上只有一个语音业务信道，且不支持多优先级，一 旦有人占用信道，本组其他人员都只能处于收听的状态，无法实现数话 同传。 钔随着编组站业务负荷加重，急需提高调车作业的效率，希望能够实现信 息化和自动化，而模拟集群的开发潜力有限，很难能做到对调车作业的 实时监控，调车效率难以提高。使用模拟集群，也难于实现调车过程的 无纸化等进一步的改造。 1 2 项目的任务 当前基于模拟集群的平面调车设备已经不能满足调车作业的需求了， g s m r 是一套先进的通信系统，也是我国铁路通信发展的未来方向。本项目的 出发点就是设计出一套基于g s m r 的平面调车通信系统，来满足调车作业的当 前需求，甚至未来的业务需求。 中国编组站的作业流程与欧洲有较大区别，不能将欧洲编组站的通信系统直 接照搬过来，需要根据中国编组站的客观需求，设计全新的解决方案。 本项目承担的是基于g s m r 的平面调车通信系统中的手持终端设计，此部 分设计是整个通信系统中最为困难的一部分，既要考虑新系统的特性，也要考虑 用户的需求和操作习惯。 本项目具体包含以下几项工作： 1 ) 根据编组站无线通信的需求，选择系统解决方案，总结出手持终端的技 术条件要求； 第一章绪论 2 ) 根据系统方案和技术条件，进行总体设计，对手持终端内部的主要模块 进行选型； 3 ) 对终端的内部电路进行详细设计。 1 3 项目的意义 新的基于g s m r 系统的平面调车通信系统，会给平面调车带来巨大的变革： 1 ) 能够从系统级别满足平面调车的需求，保证调车作业的安全性； 2 ) 能够和g s m r 列车调度通信实现无缝衔接，使得铁路两大无线通信应 用“列车调度通信”和“平面调车通信”能够相互融合，达到资源优化配置， 提高铁路系统的整体运营效率； 3 ) 此平台还有很大的开发和发展潜力，有能力承载新的通信业务，为用户 提供更好、更完善的通信服务。 手持终端设计的成功，是将编组站通信的平台由模拟集群改造为g s m - r 网 络的关键一步：而新的g s m - r 平面调车系统的成功是探索具有中国自己特色编 组站无线通信新体制和新设备的重要一步。随着编组站通信瓶颈的解决，编组站 的发展将更为广阔，中国铁路货运水平也将有大幅度的提高。 第二章g s m r 实现平面调车无线通信的方案 第二章g s m r 实现平面调车无线通信的方案 平面调车通信在编组站无线通信中要求最严格，g s m r 实现平调通信方案 的好坏，决定了将g s m r 移植到编组站无线通信的可行性。同时，此方案也会 影响手持终端设计的总体思路。 2 1 平面调车通信的新需求调车作业单传输 在基于模拟集群的编组站通信系统中，调车作业单是纸质的，由区长台打印 后分发给调车组的各个成员，或者由调车组成员去领取。这种方式费时费力，且 灵活性差，效率低。在新的基于g s m r 的编组站通信系统中，调车作业单改为 电子式，由无线信道进行传输，并在手持终端的液晶屏上显示。 调车作业单传输有以下几个特点 n 调车作业单电子化后，一般会有i - 3 k b ，最大不会超过5 k b 。比调车指 令的数据量( 几个字节) 要大了很多； 2 ) 调车作业单的传输延时要求不高； 3 ) 调车作业单传输必须可靠和无误； 4 ) 区长台是调车作业单编制和发送的信源，调车长台能够接收并签收调车 作业单，机控台、制动员台只需要接收调车作业单。 在前文( 1 1 4 ) 中已经论述了平面调车通信的两个基本内容：语音和调车指 令，并详细说明了调车指令传输的具体要求。在新系统中对于这两项通信内容保 留，并且具体要求不变。 综上，在新系统中共有三项通信内容，分别是：语音、调车指令、调车作业 单。表2 1 中给出了几种通信内容的横向比较。 2 2g s m r 网络中常用通信方式 2 2 1c s d 数据传输 c s d ( c i r c u i ts w i t c h e dd a t a ) 是g s m 网络中一种传输数据的方式，中文名称 为电路交换数据链路。 第二章g s m r 实现平面调车无线通信的方案 表2 1 平面调车通信内容及要求 蕊 语音( 组呼)调车指令调车作业单 终端类型 区长台发起和接听监视 定制和下发 调车长台发起和接听发送大部分指令接收、签收 制动员台发起和接听发送部分指令接收 机控台发起和接听接收 接收 备注极低延时数据量较大 具有最高优先级延时要求不高 高可靠性可靠、无误 这种数据传输方式的优点是，有可保障的固定的传输速率，最高传输速度为 9 6 k b p s ，具有最大传输延时，一般在l o o m s 左右，可以用于数据实时传输。 但其缺点也非常明显，c s d 一旦建立，无论是否发送数据都固定占用一条 业务信道( t c h ) ，直到断开c s d 才释放信道。这样会造成频率资源的浪费，也 会显著增加终端的功耗。 2 2 2g p r s 数据传输 g p r s 属于2 5 代移动蜂窝移动通信，已在g s m 网络中使用，目前可以顺 畅移植到g s m r 网络中。 g p r s 的优点是其传输的最高理论速率很高，达到1 7 l k b p s 。只有在发送数 据的时候才占用信道，不需要为每个终端分配单独的业务信道，多个终端可以共 享信道传输，能够与话音同时传输。 g p r s 的缺点是传输延时较大且无上限，最大延时可能几秒或更长。 2 2 3 组呼( v g c s ) 组呼是g s m r 相对于g s m 新增加的呼叫种类，属于高级语音呼叫的一部 分。其通信过程如下：组呼前要由一名成员先建立组呼，其：融成员需要加入这个 组呼中，才能在此组内接听和发起呼叫。组呼一旦建立，任何成员只需要按p t t 说话就可以，其他终端可以自动接听组内其他成员的呼叫。 组呼的优点是实现了集群调度通信，整个组只占用一对链路( 一个上行和一 个下行) 。 其缺点是，组呼建立时间为几秒钟，建立组呼后，按下p t t 到可以讲话， 第二章g s m r 实现平面调车无线通信的方案 也需要几百毫秒的时间。若组内有人员在讲话，按p t t 后因为抢不到上行链路， 不能将本终端语音发送出去。 2 3g s m r 平面调车方案 方案一、通信服务器方案。 在g s m r 网络中设立一个新的固定网络设备通信服务器，此服务器通 过有线方式连接到m s c ( 交换中心) 。每个终端通过c s d 链路连接到m s c ， m s c 将所有终端的数据转发到通信服务器，通过通信服务器完成数据的路由， 并通过m s c 将下行数据发给每个终端。终端的语音通过在终端上的c p u 进行语 音压缩，与数据共用9 6 k b p s 的c s d 信道传输。系统架构见图2 - l 。 g s m r 网络 c ms c i bs c l b t s 一c s 。 一一一一一一一一_ 1 - - - 一- 图2 - 1 通信服务器方案系统框图 方案二、通过高优先级呼叫发送紧急停车。 从业务上分析，平调组中的制动员只能发送两种调车指令紧急停车和解 锁。这两种指令可以通过高优先级呼叫来实现，建立呼叫被机控台转译为该制动 员发送紧急停车指令，拆除呼叫转译为解锁指令。而调车长终端需要发送的指令 种类多，且发送的频率高，所以仍然采取c s d 链路与机控台之间保持永久连接， 以电路数据方式发送调车指令。调车作业单依靠g p r s 方式传输。调车长台和机 控台，为了同时保持组呼和c s d 链路，必须内部有双通信模块来支持，而制动 员台可以用单模块，如果用单模块的话，每次发送紧急停车时( 建立高优先级呼 第二章g s m r 实现平面调车无线通信的方案 叫) 都必须退出当前的组呼。系统架构见图2 2 。 l 一一。一一一。一一一- ： g s m r 网络 c s d 链络 2 4 方案的选择 图2 2 通过高优先级呼叫发送紧急停车方案结构框图 2 4 1 方案一的优缺点 方案一的优点： 1 ) 数据传输速率快，能够保证调车指令及时传输，确保调车作业的安全性。 2 1 数据传输方式灵活，因为数据路由靠通信服务器完成，能够通过修改上 层软件实现非常灵活的路由方式，终端的身份和收发数据权限可以灵活 配置，从而实现丰富的上层业务。 3 1 终端内部可以采用非常普遍的g s m 通信模块，来代替昂贵的g s m r 模块，大大降低终端的整体成本。 方案一的缺点： 1 1 终端的功耗大，在调车作业的过程中，无论是否有数据或语音要发送和 接收，c s d 链路要一直保持，终端处于c s d 链路的状态下，功耗相当 于打电话的最大功耗，需要的平均电流在2 5 0 m a 以上。这样就使得电 池的续航能力明显下降。 2 ) 频率资源占用严重，我国为g s m r 分配了4 m 的频率资源，信道非常 第二章g s m r 实现平面调车无线通信的方案 有限。一个编组站有多个调车组( 尤其是大型编组站) ，每个终端的c s d 链路都需要占用一条信道，整个站场可能出现频率资源不足的状况。 3 ) 语音通话质量会稍差，因为终端采用比g s m 协议中更低的语音压缩速 率，对声音的自然度会有稍许的影响，但可懂度仍然能够满足调车的要 求。 2 4 2 方案二的优缺点 方案二的优点： 频率资源占用少。一个平调组内一般有一个调车长，一个司机和多名制动员。 方案二中，制动员不必需要c s d 连接，节省了大量的业务信道。 方案二的缺点： 1 ) 终端必须采用多通信模块设计。在g s m r 协议中，c s d 连接和语音呼 叫在一个通信模块( 一个m s ) 中不能同时使用，比如终端已经加入到 一个组呼之中，无论是否有语音通话，要想建立c s d 或建立另一个组 呼，必须首先退出当前的组呼小组。所以单个通信模块在方案二中不能 实现数话同传。按照方案二的设计，调车长台、制动员台都需要至少两 个通信模块，车控台需要大于3 个通信模块。模块的增多会带来终端体 积的增大，成本的增加，以及共用天线等技术问题。 2 ) 制动员发送紧急停车指令的延时会严重超过指标。为了调车作业的安 全，必须确保紧急停车指令能够及时发送到车控台，并及时通知司机进 行操作。而作为紧急停车实现方式的高优先级呼叫一般建立时间要数秒 钟，且在g s m r 协议中没有明确的最大延时限制，存在一定的呼损率， 造成调车指令转输的延时过大，甚至发送失败，可能由此导致安全事故。 2 4 3 方案的选择 从方案的优缺点分析中，明显看出两套方案都有各自的优点和缺点。但方案 一的缺点可以通过一定的措施来补救。 方案一的缺点一，是功耗大。这个可以通过两种方式来弥补。 1 ) 加大电池容量来增加终端的续航能力。 2 ) 降低终端电路的功耗，并可以通过网络配置，降低通信过程中的功耗。 方案一的第二个缺点是占用频率资源严重。 蜂窝移动通信中，缓解频率资源短缺的一般方法是降低基站发射功率，减小 小区的半径，提高频率的复用率。这个方法对于编组站站场作业集中区域的网络 规划仍然有效，能够缓解频率资源短缺问题。 第二章g s m r 实现平面调车无线通信的方案 方案二的缺点( 需采用多模块设计和建立呼叫延时过长) 是和g s m - r 网络 固有属性相关，目前在采用标准g s m r 网络，不对网络进行修改的前提下，无 法补救。且方案二的缺点严重地威胁到调车作业的安全。 综上，方案一和方案二的比较中，方案一的可行性好。所以最终确立的 g s m r 编组站平面调车通信解决方案为“通信服务器方案”。 第三章手持终端的技术要求 第三章手持终端的技术要求 根据前文对平调的介绍，可知在平调场内存在三类通信终端，固定终端( 区 长台) 、车载终端( 机控台) 、手持终端( 调车长台和制动员台) 。在平调通信的 g s m r 系统改造中，手持终端是最难于实现的。手持终端的设计中除了要满足 系统功能的要求，同时也要考虑到，为了减少系统过渡所带来的人员培训等问题， 新手持终端要沿用老的模拟集群通信系统的操作习惯、使用模式。 3 1 通信功能 根据2 1 节对平面调车通信要求的介绍，可知手持终端要具备三种通信功能： 语音通信，发送和接收调车指令，接收调车作业单。 3 1 1 语音通信 平面调车场内的语音通信都是一对多的，即采用组呼方式。调车长台和制动 员台在语音通信中的功能要求是一样的，具体为： 1 ) 具有向本调车小组发起组呼的功能； 2 ) 具有接收小组内其它用户呼叫并通话功能； 3 ) 具有组呼自动接听功能； 4 ) 具有组呼拆线功能。 语音通信采取免提方式，接收到的语音通过扬声器外放出来，用户不需要距 离话筒太近说话。对终端语音部分电路的要求是： 1 ) 扬声器输出功率不小于0 4 w ，且必须可调； 2 ) 话筒灵敏度要较高，能够清晰接收使用者的话音。 3 1 2 调车指令数据传输 从业务上分析，调车长台和制动员台所能发送的调车指令内容是不一样的。 调车长台可以发送：停车，起动，推进，减速，十车，五车，三车，连接，溜放。 而制动员台仅能够发送：紧急停车和解锁。但从调车指令传输方面分析，调车长 台和制动员台的要求是一致的：每条指令都属于短数据，大概为几个字节( 具体 长度要根据编码方式来决定) ，其传输延时要小于5 0 0 m s ( 从终端按键有效，到 第三章手持终端的技术要求 机控台能够给出信号灯提示) 。 调车长台和制动员台都具有接收机控台发送的调车指令回示的功能，并在接 收到回示后，用语音播报出来，同时在屏幕上给出文字提示。 3 1 3 调车作业单传输 调车长台和制动员台都具有接收调车作业单的能力，而调车长台除了接收之 外，还可以由调车长操作终端向区长台“手动签收作业单”。 3 2 显示要求 调车长台和制动员台都要有显示功能，显示的内容至少包括：信号强度，电 池电量，当前终端是否注册编组，调车作业单内容以及设置菜单。在这些显示内 容中，调车作业单的显示是需要较大屏幕和较高的屏幕分辨率，因为调车作业单 ( 见图3 - 1 ) 的横向内容较多。为了能够方便用户察看作业单，规定作业单的内 容不能折行( 或换行) 显示，主要信息( 既除备注之外的信息) 都要显示在一屏 上，每屏在纵向上至少显示3 条作业内容。 调车作业通知单 l o 月1 3 日2 调3 0 0 0 0 次8 号 计划起止：自0 6 ：3 0 至0 7 ：2 0 勾序股道方式辆数状态残存备注 l1 7+1 51 5 全部 21 6 1 5ko o 3 1 4+ 5 3 5 3 全部 41 2 5 3 0 0 地关 编制人：王鹏残存：o o 发送时间：0 6 ：1 9摘车：6 8 图3 1 调车作业通知单 显示屏在目光下的显示效果要好，同时要带有背光，方便工作人员夜间操作。 3 3 基本按键 根据当前手持终端的执行标准，按键分为两类：调车键和非调车键。 调车键是指能够发送调车指令的按键，具体为：红，黄，绿三个键。根据铁 第三章手持终端的技术要求 标t b t 2 8 3 4 2 0 0 2 铁路平面无线调车设备技术条件的规定，三个调车键应该呈v 字型对称布置，且为便于单手操作终端，三调车键应该位于终端的前面板，尽量 靠上。 非调车键是指除调车键外，其他控制屏幕、菜单、呼叫等的按键，至少应该 包括：菜单，p t t ，上翻，下翻，取消，开关机等键。 3 4 电池及待机时间 终端采用可充电电池供电，充电电池的工作温度范围至少是2 0 - , 6 0 c 。 平调场是要求具有全天2 4 小时作业能力的，一般为3 班或4 班轮班进行作 业。那么一块电池最好能够保证终端连续工作乱8 小时，从而保证一班作业的连 续和迅速。 要求可以通过两种方式为电池充电： 1 ) 直冲，即通过电源适配器，将终端与市电相连，为终端上的电池充电； 2 ) 座冲，将电池安放在专用的充电器上，通过市电，为电池充电。 第四章手持终端的整体设计 第四章手持终端的整体设计 根据系统方案和技术条件中的要求，本终端的总体组成框图至少应该包含图 4 1 中各个部分。 图4 1 终端内简单结构框图 图中的控制器、通信模块、液晶屏、电池等模块的选型，都关系到整个终端 设计方案和思路，必须在终端详细设计前确认的。 4 1 控制器选型 控制器是整个系统的核心，首先要完成对外围电路的控制，实现通信的上层 协议。根据系统方案的分析( 2 3 节) ，控制器还应该有能力完成实时语音编解 码。由此可以得出，控制器的主要任务分为两部分，逻辑控制和数学计算( 语音 压缩算法) 。 a r m 方案的优点： 1 ) 只用a r m 一个芯片，就可以同时实现逻辑控制和语音压缩两个任务， 避免制定不同处理器间的通信协议，保障系统的稳定性。 2 1 目前支持a r m 的操作系统非常丰富，w i n c e 、l i n u x 、i , c - o s 、v x w o