GSM-R无线通信系统概述

GSM-R无线通信系统,通号1409班第一组,GSM-R无线通信系统概述,一、GSM-R概述江炎阳二、GSM-R系统结构刘雪飞三、GSM-R业务原理邱广平四、GSM-R铁路基本业务郭泽恩五、GSM-R铁路功能应用林芒六、GSM-R系统国内外对比熊壮,一、GSM-R概述,1、什么是GSM-R？2、为什么要建设GSM-R?,江炎阳,1、什么是GSM-R？,GSM-R（GlobleSystemofMobileforRailway）专门针对铁路对移动通信的需求而推出的专用系统，它基于GSM并在功能上有所超越，是成熟的技术。是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。,GPRS与GSM-R的关系？,BTS软件升级BSC增加PCU及软件升级,MS为具有GPRS能力的A/B/C类MS,与GSM-R共用,软件升级,新增网元,软件升级,GSM与GSM-R的关系六大关系GSM-R理论建立在GSM理论基础之上；GSM-R技术建立在GSM技术基础之上；GSM-R工业以GSM工业为基础；GSM-R工程建设以GSM工程经验为基础；GSM-R应用开发吸收GSM成功经验；GSM-R的市场铁路专用，GSM公众商用。,铁路相对GSM公网的特殊需求：（1）用户级别不同（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（调度）（3）基于位置的寻址（机车呼叫前方车站、后方车站）（4）高速情况下的移动通信（5）大量特殊的数据业务需求（列控、列尾、车次号等）,1、现有铁路无线通信系统存在许多问题2、铁路发展出现许多新业务需求,2、为什么要建设GSM-R?,1、现有铁路无线通信系统存在许多问题。（1）投资方面：系统分散建设，投资浪费。（2）系统功能方面：功能单一，不具备网络能力；频率利用率低，容量有限；话音、数据业务争抢信道，传输可靠性低，数据传输能力差。（3）存在的问题：枢纽地区干扰严重；是开放系统，不具保密性。,2、铁路发展出现许多新业务需求：（1）客运专线的业务需求（2）货运专线机车同步控制传输（3）车地信息化数据传输的需要（4）有线、无线调度两网融合的需求,可见，既有系统无法满足铁路新业务需求，应建立一个能完善解决铁路新业务需求、高安全可靠性、联网能力强、可满足高速、重载运输及信息化需求的通信系统。,二、GSM-R系统构成,1.GSM-R系统系统构成2.交换子系统（SSS）3.智能网（IN）4.通用分组无线业务（GPRS）5.基站子系统（BSS）6.运行与支持子系统（OSS）7.终端设备（无线移动终端、无线固定终端）,刘雪飞,1.GSM-R系统构成图,2、交换子系统概述（1）,SSS主要完成GSM-R系统的基本交换功能、呼叫接续功能以及用户数据管理和移动性管理。提供的业务：基本话音呼叫业务；电路域数据传输。话音呼叫：点对点话音呼叫（MS之间，MS与有线FT之间）；组呼、广播呼叫、多方通信、公众紧急呼叫。电路域数据传输：提供透明传输通道。如与列控RBC节点、机车同步操控地面节点之间进行互联，实现车地、车车之间数据信息传送。组成：由MSC、HLR、VLR、GCR、AC、SMSC等组成。,MSC移动业务交换中心,呼叫处理功能(类似固定网的交换机),移动通信特定的功能,NSS的核心服务几个BSS(BSC)建立并交换用户话务和信令与VLR合设于同一物理实体与HLR/AuC可合设（如交大实验室），也可分设网关MSC（GMSC）：到外网的关口，可与MSC合设，也可分设来访MSC:服务MS的MSC,2、交换子系统概述（1）,GSM技术规范定义了不同的接口以保证各功能实体之间的接口标准化。GSM-R交换子系统内部、交换子系统与PSTN之间：No.7信令。网络中移动性管理采用MAP（移动应用部分），MAP协议使用7号信令系统TCAP（事务处理应用部分）提供的业务，而TCAP则使用SCCP（信令连接控制部分）提供的业务。与呼叫相关的信令则采用TUP（电话用户部分）和ISUP（ISDN用户部分），分别用于MSC之间和MSC与PSTN、ISDN之间的通信。,2、交换子系统功能实体（2）,拜访位置寄存器（VLR）动态数据库，负责管理漫游用户的动态数据信息，存储、更新漫游入用户的数据。存储信息包括：移动用户IMSI，MSISDN，位置区等，支持寻呼功能。用户漫游入该控制区时，VLR从HLR获取上述信息；用户漫游出该控制区时，VLR删除上述信息。VLR与MSC之间交互数据量大，为了提高移动管理和呼叫建立的速度，VLR与MSC一般合适于同一物理实体。注：位置区的划分由人为规定，1个MSC划分为若干个位置区。需要综合平衡位置更新频率和寻呼系统的寻呼能力来确定。,3、智能网子系统,每增加一种新业务就需要在网络中所有交换机中增加相应的软件，新业务的引入周期较长、灵活性较低且成本很高。基于这种方式要实现两种新业务，若两种业务的业务特征存在有许多相同点，但也必须分别实现，且当交换机更换后，这两种新业务还只能重新开发。新业务生成对具体的交换机有很大的依赖性。,采用全新的“控制与交换相分离”的思想，新业务的提供、修改以及管理等功能全部集中于智能网，交换机则提供交换基本功能，而与业务提供无直接关联。对业务的提供采用基于与业务无关的模块（SIB）来实现的，SIB是一种与具体的业务和实现业务的技术无关的模块，可重复使用。SIB的各种不同组合可组成不同的新业务，新业务的实现和修改均很方便，大大节省了新业务的投入费用和时间。,GSM-R为什么引入智能网？,智能网是什么？一种附加在移动交换网基础之上的业务网。引入SCP，依靠No.7信令网和SCP大型数据库的支持，将网络的交换和控制功能相分离，简化交换机的软件，使之只完成基本的接续功能，由SCP负责集中统一处理各种业务。智能网的特点？能够快速、经济、灵活、方便地向提供各种新业务。GSM-R网为什么引入智能网？符合技术发展的要求和趋势。解决不同厂家设备组网环境下业务漫游的问题，支持可变长度的功能号等注册业务。,智能网标准的选择,智能网协议标准固网智能网采用INAP协议。GSM智能网采用CAMEL协议。CDMA智能网采用WIN协议。我国GSM-R智能网采用CAMEL3协议有利于解决互操作性问题（IOT）。适应远期发展要求。,智能网在GSM-R网中的地位和作用,交换网实现铁路基本电信业务,4、GPRS子系统概述,为什么引入GPRS子系统？解决频率资源紧张问题，提高数据传输速率。什么是GPRS？通用分组无线业务（GeneralPacketRadioService）的英文缩GPRS是在GSM技术的基础上提供的一种端到端分组交换业务GPRS最大限度重用已有的GSM网络基础设施GPRS提供高效的无线资源利用率GPRS提供高达171.2Kbps的无线接入速率与已有的GSM-R电路交换系统有很多交互GPRS系统基于标准的开放接口,GPRS子系统的特点,GPRS提供的业务分组域数据传输。如与铁路CTC/TDCS系统互联，实现车地、车车数据信息传送。GPRS系统的特点有哪些？固定、动态分配信道，多用户共享信道。一个用户可以同时使用18个时隙，空中接口支持CS1CS4共计4种编码方式，数据传输可达约10kbit/s-170kbit/s。用户永远在线，但是只有在进行数据传输时，才能占用无线资源信道。用户与网络的交互，是按照会话进行管理的，传输信息时，用户需激活申请PDP场景。,与公众GPRS网的区别？,公众GPRS网用户多数处于静止状态或者缓慢移动状态；传送信息内容为公众服务信息传送；服务质量“尽力而为”，对可靠性、实时性要求不高。铁路GPRS网用户处于移动状态下甚至高速移动状态无线数据传输；数据内容为铁路运输生产相关的信息；对可靠性、实时性要求高。二者在网络结构、业务功能、参数设置均有所不同！,14,GPRS终端有几种？,A类（Class-A）：可同时运行GPRS和GSM-R服务。B类（Class-B）：具备GSM功能和GPRS功能，可同时附着在GSM-R和GPRS网上。但通话和上网不能同时进行。通话优先。通话时无法进行数据传输。但在数据传输时可以收到通话信号，从而暂时中断数据传输而切换到话务功能。待通话结束后再接续数据传输。C类（Class-C）：只具有GPRS功能，MS只能应用于GPRS服务。,5、基站子系统,BSS在系统中的地位与作用：BSS通过无线接口与终端相接，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者与固定用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。BSS包括：基站控制器BSC基站收发信机BTS编译码和速率适配单元TRAU小区广播中心CBC其他：弱场设备,基站控制中心BSC（1）,BSC是无线网络的中心设计原则铁路枢纽地区BSC与MSC同址设置，同归属；铁路干线和没有MSC的枢纽，BSC设置在大通信站；铁路支线不设置BSC；为减少BSC间的切换，各BSC所控制的区域应相对集中，不跨铁路局、铁路分局管界。各BSC负荷应留出网络优化时调整的余量。BSC应考虑今后小区广播短消息业务发展的需要。,TRAU,TRAU,TRAU,BSC,基站控制中心BSC（2）,BSS系统控制交换在TRAUBTS之间无线资源管理收集BSS中的错误信息与OMC-B通信储存数据库,BSS的软件,OMC-B,Asub,Abis,图.8(TM2100EU02TM_0001GSMPLMN,17),基站(BTS)及覆盖,铁路GSM-R数字移动通信系统基站的场强覆盖范围是指满足铁路作业所必需的场强的区域，在直辖市、省会城市和计划单列市的城区，铁路GSM-R系统的覆盖范围为铁路外侧轨道两侧各2km，其他地域覆盖范围为铁路外侧轨道两侧各6km。铁路沿线GSM-R场强应连续覆盖，根据铁路中长期发展规划，场强覆盖指标应符合具体业务需求，并预留远期发展条件。山区、隧道、路堑等弱场区可根据需要采用光纤直放、射频直放站和LCX等技术措施。,6、运行与支持子系统,网络管理系统5种功能：安全管理、配置管理、故障管理、告警管理、性能管理。按照专业分为：交换、分组、智能网、无线等网管系统。按照职能：网络管理中心（NMC）和本地操作维护管理中心（OMC）。用户管理系统管理本网用户的相关数据，提供开户、销户以及用户业务权限更改等操作功能，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。,7、终端,终端由终端设备和SIM卡组成。终端包括：固定终端和移动终端。移动终端分为：车载台：机车台、汽车台。机车台模块：萨基姆、开普实、马可尼3家。手持台：通用手持台、运营手持台。萨基姆1家。其他：列控数据传输设备、列尾信息传输设备等。GSM-R终端与GSM终端区别？注册、注销等广播/集群组呼功能。,三、GSM-R业务原理,1.GSM-R电信业务-承载业务-终端业务-补充业务2.语音调度业务-语音组呼业务-语音广播业务-增强的多优先级和强拆业务,邱广平,GSM-R业务原理,1.GSM-R电信业务,电信业务由网络提供给用户的通信能力承载业务两个接入点之间传送信号的能力终端业务可以为用户之间通信提供全部通信能力的电信业务补充业务随着用户需求的发展，对电信业务进行的修改和补充,（1）承载业务,提供在用户之间实时传递信息的手段，而不改变信息本身所包含的内容。对应于开放系统互连(OSI)参考模型的低层功能。仅说明了通信网的通信能力，而与终端的类型无关。,（2）终端业务：,用户终端业务包括网络提供的通信能力和终端本身所具有的通信能力。可以理解为用户通过终端的通信所获得的业务。用户终端业务由OSI的1-7层的特性规定。由此可知，用户终端业务中必定包含了承载业务的内容。,（3）补充业务：,补充业务随着用户需求的发展，对电信业务进行的修改和补充基本补充业务：任何GSM网络都适用附加补充业务：由本国GSM网络所提供,2.语音调度业务-ASCI,语音组呼业务（VGCS）语音广播业务（VBS）增强的多优先级和强拆业务（eMLPP）,（1）语音组呼业务（VGCS）,VGCS（VoiceGroupCallService）语音组呼业务，它是一种电信业务。VGCS业务定义了一种由多方参加（GSM移动台或固网电话）、一人讲话、多方聆听的语音通信方式。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。,（2）语音广播业务（VBS）,VBS（VoiceBroadcastService）语音广播业务。VBS业务是指在某个特定的区域上，一个用户讲话，其他用户在下行链路上聆听讲话内容，即VBS主要实现的单向通信功能，且所有参与VBS的用户都必须经过授权。VBS业务与VGCS业务相似，在业务定义、信令流程、对系统和终端的需求，呼叫控制等方面都大同小异。两种业务一个最重要的不同之处在于：VBS的业务用户不能实现讲话者与聆听者之间的转换，包括调度员在内，因此VBS的呼叫发起者一定是讲话者。,广播VBS发起过程举例：,GSM-R网络,听者,广播调度员,广播发起者,同一个小区所有广播用户共享一个组呼信道只有广播发起者可以说话，其他任何成员只能作为听者，包括调度员在内,（3）补充业务增强的多优先级和强拆（eMLPP）,eMLPP是enhancedMulti-LevelPrecedenceandPreemptionservice的缩写，即增强多优先级与强拆，它是一种补充业务。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处理。eMLPP业务主要由三个元素构成：优先级呼叫建立时间资源抢占能力,优先级是指在呼叫建立时给该呼叫指配一个优先级别，并和该呼叫的建立时间类型一起参与网络资源的竞争与调配。eMLPP业务定义了7个优先等级：A（最高，网络内部使用）B（网络内部使用）0（预定）1（预定）2（预定）3（预定）4（最低，预定）,呼叫建立时间是指从用户按下“发送”键开始，到被叫用户能够接收信息为止，不包含用户反应时间。对于多方呼叫、VGCS或VBS，呼叫建立时间是指至少有一个被叫用户能够接收信息为止。eMLPP业务规定的呼叫建立时间有3个等级：1级，快速呼叫建立1-2s2级，正常呼叫建立5s3级，慢速呼叫建立10s,资源强占有两种情况：网络资源强占：呼叫建立或切换时，没有空闲网络资源，则终止低优先级呼叫，将资源给高优先级呼叫使用的过程。用户接口资源强占：具有较高优先级的呼叫请求与正在进行较低优先级通话的用户建立通信时，网络终止被叫用户的当前呼叫，并将其接入高优先级呼叫的过程。,eMLPP增强型多优先级和强占业务,在系统资源(包括无线资源，中继资源)不足时，高优先级呼叫强占低优先级呼叫的资源,资源强占,调度员发起组呼无线信道资源全忙,低优先级呼叫,eMLPP增强型多优先级和强占业务,在低优先级用户通话过程中，高优先级呼叫强占低优先级呼叫的用户,呼叫强占,调度员呼叫司机,铁路紧急呼叫,一种特殊的组呼，组ID299，2s内接通，调度台和移动用户都可以发起最高优先级，在无线信道资源紧张的时候可以强占低优先级呼叫资源对于处于通话中的组用户，强制接入紧急呼叫，听者用户不允许主动退出紧急呼叫。,普通低优先级呼叫,列车长,主司机,调度员发起铁路紧急呼叫5000001299,四、GSM-R铁路基本业务,功能寻址位置寻址功能寻址以及基于位置的寻址是GSM-R中两个非常重要的先进寻址功能，是实现调度通信的关键技术和必要手段。郭泽恩,1功能寻址,功能寻址用户可以由它们当时所担当的功能角色，而不是它们所使用的终端设备的号码来寻址。在铁路通信中有许多这样的情况，因为从铁路运输管理的角度出发，主叫方在发起呼叫时更多的是使用被叫方所担当的功能角色的编号。这个特征保证了用户功能号码与其用来应答的物理终端之间的独立性。,在铁路上，功能寻址主要用于解决固定用户到移动用户的呼叫。下图描述了调度员采用功能号对司机进行呼叫：,功能节点FFN用于存储功能号，并将功能号转换成对应的MSISDN号码的网络节点，完成功能号的注册、注销和查询等操作。功能地址FA包含字母和数字的地址，用来标识终端用户功能。功能号FN不包含任何字母字符，存储在一个或多个FFN中，呼叫要从FN到MSISDN进行转换，通过MSISDN号码来寻址被叫用户。功能寻址注册：在功能号FN和MSISDN号之间建立了临时的关联。功能寻址注销：解除功能号和MSISDN号之间的关联。功能寻址查询：移动用户可以获得有关GSM-R中存储的数据信息。HLR处理功能寻址查询，并向移动台返回请求的信息。,注册过程：在功能号和MSISDN号之间建立了临时的关联。,功能号FN组成：FNT+UIN+FCFNT：功能号类型UIN：用户识别号FC：功能代码可以给每列正在运行的列车司机分配一个功能号，司机驾驶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。,FC：功能代码,网络必须提供一套机制，以保证功能寻址能够正确而有效地进行。该机制主要包括以下方面：功能角色必须按一定规律进行编号，以使得交换机可以对其进行识别；必须提供一套有效的注册和注销功能号的方法；必须保证功能号的相对唯一性。功能寻址是GSM-R的特征，它允许通过功能号来呼叫用户，而功能号可用来识别应用和功能。在欧洲的EIRENE规范中，用“FollowMe”（简称FM）业务来解决功能寻址。,在铁路行车调度中，运输管理讲究责任明确，各个分局的调度所管理当前处于其管辖范围内的列车，每个调度员和车站值班员只允许和其管辖范围内的列车司机进行通信。列车在行车过程中要经过若干调度区段以及若干车站，当司机呼叫调度员或车站值班员时，他只能呼叫当前调度区段的调度员或当前车站的车站值班员。,2位置寻址,基于位置的寻址由移动用户发起呼叫，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。例如，当列车在运行过程中司机需要呼叫当前调度员时，他并不知道调度员的电话号码，但他可以使用一个短号码如1200向网络发起呼叫请求。网络识别该短号码，并将其路由到正确的行车调度员，采用1300呼叫车站值班员。,五、GSM-R在铁路中的功能应用,1.话音类业务调度通信2.数据类业务-安全数据传输-非安全数据传输林芒,话音类业务调度通信,列车无线调度电话（简称无线列调）是重要的铁路行车通信设备，号称列车行车“三大件”之一，在保证列车正点运行、降低机车能耗、提高通过能力、通告险情、防止事故、救援抢险等各方面都具有重要的作用。无线列调系统的主要问题是解决“大三角”和“小三角”通信，“大三角”通信是指行车调度员、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。,GSM-R无线列调系统的优势：,1）GSM-R是数字系统，可以利用纠错、检错及话音编码等手段提高话音质量，抗干扰能力强，可以利用加密机制使系统保密性更好,可靠性更高；2）方案中无线和有线结合的方式，既充分体现了GSM-R的优势，又利用了现有的有线通信资源，节省投资。3）采用蜂窝机制，可以有效的利用无线频点和通信电缆资源，扩大覆盖范围，提高系统容量；各种先进技术如功能寻址，基于位置的寻址，优先级的使用，使无线列调功能更加强大；,4）因为只有一种系统，对于运营者来说维护成本更低，而且在不同的铁路网之间具有互操作性；5）可以采用灵活设置完成双工和半双工通信，实现大三角和小三角通信更容易；6）除了可以用于无线列调，GSM-R还可以为铁路部门提供一个完善的移动通信平台，为通信信号一体化构造一个统一的通信网络，降低铁路部门在通信上的投资，提高投资回报率。,数据类业务,GSM-R作为铁路综合通信平台，能够在列车高速移动时为车地双向数据传输提供可靠的信息传输能力。列车上的数据如列车位置、列车尾部风压信息、旅客和货物实时信息都需要传送到地面上来；地面的控制中心会有一些信息发送到列车上来，这样就需要在列车与地面之间建立一条双向的数据传输通道。,GSM-R数据传输业务分为两种：1.安全数据传输指与列车控制有关的信息传送业务。采用电路交换CSD方式传输数据，由于安全数据传输对传输质量要求较高，且全程占用信道资源。为保证安全数据传输通道资源的可用性，采用了eMLPP业务，并给安全数据传输业务分配了较高的1级优先级。青藏线ITCS大秦线LOCOTROL,2.非安全数据传输包括调度指挥、应急抢险、运营监控、管理维护和旅客服务等类数据，通称为铁路综合信息传输。采用分组交换GPRS方式传输数据，多用户共享一个分组数据传输通道，且只有当需要传输数据时才占用信道。,450MHz调度命令无线传送系统构成示意图,六、GSM-R系统国内外对比,1、欧洲选择GSM-R的原因2.GSM-R在欧洲的发展状况3.ERTMS项目熊壮,1、欧洲选择GSM-R的原因（1）取代落后的模拟设备、提升系统性能的需要；（2）欧洲铁路互通性的需要；（3）新业务的需要（欧洲列车控制系统2级以上）,目前已在欧洲13个国家开始广泛实施，具体包括：德国、英国、法国、意大利、斯洛伐克、荷兰、瑞典、瑞士、西班牙、捷克、芬兰、挪威、比利时。其中，瑞典、德国、意大利、瑞士、挪威、西班牙、荷兰等7个国家开通了商用GSM-R网络。最早开始建设的国家：瑞典（1998年）在全国范围内普速干线建设的国家：意大利（7500km）、荷兰（2800km）GSM-R覆盖里程最长的国家：德国（36000km）最早在高速线开通ETCS2的国家：意大利，罗马那不勒斯，2005年12月21日商用，运营时速347km/h；米兰都灵2006年2月10日正式商用运行，设计时速350km/h。,2.GSM-R在欧洲的发展状况,ERTMS项目产生原因：为保证高速列车在欧洲铁路网内互通运行，现有的列车运行控制系统种类繁多，且各国信号制式复杂多样、互不兼容。1989年12月欧洲运输部长会议作出决定，就欧洲大陆铁路互联互通中的技术问题寻找解决方案。国际铁路联盟UIC开始组织专题项目，分析与列车控制和运输管理有关的问题。,3.ERTMS项目,ERTMS包括三部分：GSM-R:用于铁路的GSM移动通信系统。(GSMforRailway)ETCS:欧洲列车控制系统.（EuropeanTrainControlSystem)ERTML:欧洲铁路运输管理层.（EuropeanRailwayTrafficManagementLayer),ERTMS的无线通信技术表示为ERTMS/GSM-R为铁路专用的通信网络，可以覆盖地面设备和车载设备，提供连续、双向的信息传输通道。ERTMS的信号技术表示为ERTMS/ETCS涉及列车控制和信号方面，是一个先进的列车自动防护（