GSM-R网络在铁路通信中应用

题目：GSM-R网络在铁路通信中应用

11759摘要 .绪论1.1研究背景在现代社会中，铁路的作用越来越突出，它在经济方面的作用也越来越重要。GSM-R技术是由欧洲提出的，现在很多欧洲发达国家都已经成功的运用在商业当中。GSM-R能够满足铁路发展的要求，并且利于铁路通信技术一体化的进程，成为铁路发展的主流技术是必然的。为了加快经济的建设，列车运行速度的提高、高铁的建设以及大型货物运输必定会提上日程，而且现有的无线电通信满足不了铁路通信发展的需求。GSM-R(GSMforRailway)的研发主要作用在于实现铁路的快速发展，加快铁路上一体化建设的进程，更加可以实现经济高速发展的目标，在未来的竞争中具有更大优势。在使用的过程中，它附加了原来不存在的功能，比如：应急区域广播、语音组呼、功能寻址以及列车辅助通信等功能，它的存在使得通信代价变得更小，速度更快而且在一定程度上更加的便捷。GSM-R系统在我国的十八家铁路局都已经开始了使用，它的设计灵感来源于GSM，一方面实现了铁路一体化的建设，也使铁路中的种种业务更便于管理，在某种程度上加快软件和硬件的结合进程，从而使得列车在运行过程中更快速、平稳。1.2GSM-R的起源及在国外的应用随着人们对铁路重视程度的不断增加，铁路技术的发展也迎来了它的春天，欧洲铁路联盟为了更快实现铁路通信一体化的目标，在二十世纪九十年代年向欧洲各个国家的铁路部门提出了铁路综合调度移动通信系统——GSM-R（GSMforRailway）。GSM-R设计时的目的就在于为铁路通信服务，它的组成设备设施来源于GSM，在某些程度上保留了原有GSM当中的一些优秀业务，并且增加了专门适用于铁路通信的新业务，以这两者的结合搭建新的业务平台，让人们以此平台为基础更加方便高效的研发新的业务。GSM-R提供的特色业务包括：语音呼叫业务（ASCI）和具有铁路特点的应用，语音呼叫业务包组呼和应急区域语音广播，铁路特色应用包括功能寻址、通信功能的接入矩阵和依靠于位置的寻址。GSM-R和GSM在发展方向和应用目的方面具有完全不一样的理念，GSM-R系统更多的追求是通信的质量、信息的安全以及更加便捷的维护，同时这也是铁路当中的追求和目的。二十世纪九十年代初期国际铁盟和欧洲全部的电信巨头联合提议了制定新的GSM-R技术标准，经过磋商以及严格的评估这一提议得到了全票通过。二十世纪九十年代末，二十几个国家都同意并签署了这个协议，GSM-R技术的发展迎来新的高潮。截至到今年，GSM-R的发展使用历程如下：◆1999年2个国家；◆2002年7个国家；◆2005年有15国家新加入使用大军中；◆2008年将达到34个国家。从二十世纪九十年代末期开始，欧洲大部分的国家对于GSM-R技术的实验以及它在铁路方面的应用开始了测试。接下来重点说明的是欧洲的三个国家的发展过程以及在他们国家的实际应用情况。德国铁路建设的总长度超过4万千米，这其中GSM-R覆盖的区域超过百分之九十。在二十一世纪初期开始是一季度的的施工，三年后结束；并且在2005年时又启动了第二期的工程建设，在两年后完成第二次建设。意大利铁路线工程达到总里程约为2万千米，其中GSM-R网络的覆盖率大概占据百分之三十左右。意大利第一阶段网络建设晚于德国一年，也是三年后完成了第一阶段的建设，在其普通网络中上设置4个MSC，14个BSC，1111个BTS，2套智能网。覆盖高速铁路的GSM-R网络部署3个MSC。法国总共建设的铁路长度为三万千米左右，其中GSM-R网覆盖面积大约占据一半，开始建设的时间晚于德国两年，历时五年完成建设。

2.GSM-R基本原理及网络概述2.1GSM-R的频率资源频率资源指的就是规定在GSM-R网络通信中使用的的频段。GSM-R网络的工作在GSM900MHz的频段上，所有的频率占据的带宽共4MH。共有21个载频。在实际的使用中，扣除作为保护作用的频道，能够使用的有19个频道。表2-1频率资源频道号基站接收频率（MHz）基站发射频率（MHz）频道号基站接收频率（MHz）基站发射频率（MHz）930.0001010887.200932.2001000885.200930.2001011887.400932.4001001885.400930.4001012887.600932.6001002885.600930.6001013887.800932.8001003885.800930.8001014888.000933.0001004886.000931.0001015888.200933.2001005886.200931.2001016888.400933.4001006886.400931.4001017888.600933.6001007886.600931.6001018888.800933.8001008886.800931.8001009887.000932.000对于小区频率分配的基本定义：对于在相同基站内的两个频率而言他们载频间隔不能够小于400KHz，而对于两个不在同一基站的频率位于临近基站载频间隔不可以低于400KHz。GSM-R系统使用的多址技术是频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）这两种多址技术的结合，并且使用的是无线对称信道来传递信号，这在一定程度上保证信号传递的准确性。在进行信号的通信传输过程中一般会将4M带宽的频谱划平均的划分成21个载频，而且每一个划分好的载频就会被均与分成8个相同的时隙，这8个相同的时隙就会组成一个完整TDMA帧。换句话来讲就是说这样被划分的载频点就能够在同一时刻支称着8个人同一时段的通话。频分多址方式是以传输信号的载波频率来区分的信道介入技术，它为其中的每一个用户指定了特定的信道，频分多址方式是目前来讲相对较成熟的多址技术，它的应用也是最早出现的，在原来的应用中主要使用在模拟移动通信中。TDMA的原理是应用时间来均匀的划分固定带宽的信道，并且将依照时间分成一个个的时隙，若干个时隙就可以构成一个帧。在某一帧中该帧中的某些时隙结合在一起就会组成一个物理信道。在CDMA通信系统中，信道的区分按照码字的序列来区分的，并且CDMA的信道的技术是频分和码分这两种多址技术的结合。2.2GSM-R原理GSM-R（GSMforRailway）系统的整体框架结构来源于GSM网络，只是在GSM网络之上增加了铁路调度通信以及一些具有铁路特色的业务，而且它也是符合国际上对于铁路通信要求的一种数字化通信方式。GSM-R系统能够支持位于不同区域中的高速列车和普通列车之间的通信；而且它能够把现阶段在铁路中应用的多种通信方式融合到一起，极大地降低了各种运行费用；由于在GSM-R系统中采用的是符合标准的统一设备，而且保留了GSM网络中绝大部分业务，所以在铁路通信中引入GSM-R网络时只需要一个小范围的调整即可，这就保障了建设的低成本、系统的安全可靠；在GSMPhase2+中添加了增强的语音呼叫业务特性，这样可以迅速、高效的选择当前所需要的调度语音服务业务，所以说GSM-R是一种具有很大潜力的技术，它能够帮助经济的快速发展建设，具有巨大的发展空间。GSM-R在欧洲得到了成功的应用，现在大部分铁路公司决定在他们的铁路通信系统中使用该技术。GSM-R中整体的框架结构都是依附于GSM网络，而且GSM-R中的绝大部分业务技术模型都是来自于GSM技术，这样的结构和技术来源在某种程度上就保证了GSM-R系统的成熟性以及可靠性，而且它的实用性应经在实际应用中得到了检验。GSM-R和GSM这两者是工作在相同的频段上，由此看来这两者在无线网络的规划和建设上也是大同小异的。使用已经相对来讲已经成熟的GSM系统技术，在一定程度上可以很方便的达到用户对于的网络设计的要求，并且GSM-R的技术特性和功能也已经在铁路通信中的得到充分的检验和应用。业务模型如图2-1所示。图2-1GSM与GSM-R的关系——业务模型GSM通信系统的诞生是在1980年后，它的出现解决了很多当时移动业务中存在的问题，如：阻塞和语音不清晰等问题。随着技术的进步以及通信技术的发展，模拟蜂窝移动通信已经满足不了现代人民的需求，新的数字移动技术必然将会成为现代铁路移动通信的趋势。2.2.1面状覆盖（1）小区形状一个服务区如果采用面状的覆盖方式，那么它一般会将这个小区会分成一个个正六边形。正六边形的形状相比较其他的图形而言是最为接近理想的圆形的，使用正六边形的形状来覆盖整个小区这样做会使覆盖整个区域所需要的基站的数目降到最低，同时这样也使建设的费用最经济。（2）频率复用在移动蜂窝通信系统中，每个小区的基站都会自动获取从系统中分配的信道，在间隔足够远的距离时，该信道还能在不同的小区重复使用，这称为频率的复用。由若干个使用全部频率的小区组成的集合称为簇，并且把不同簇中使用相同频率的小区称为同频小区。簇的构成条件有两个：一是簇之间必须是相邻的，并且无重合的覆盖整个小区；二是临近簇中所出现的同频小区之间的距离必须是相等而且这个距离还必须是最大的。假定某一个簇中全部的小区数目为,而且能够同时满足以上两个条件的的取值不是无限的，相反的而是某些有限的值，我们可以通过式2-1的方法来计算结果并确定的值。（2-1）在这个公式当中，，的值都是除零以外的正整数。根据公式我们可以得到：假设从该簇中选择任意的某小区出发，按照先沿垂线方向上移动i个小区，然后在该基础上在向左或者向右旋转，然后再接着移动j个小区，这样到达的新的小区就是原来小区的同频小区。假定任意簇中的两个同频小区之间的同频复用距离设为，并且这个小区的半径设为，那么就可以使用下面的公式来进行计算：（2-2）由公式2-2可以得到小区的半径越大，同频复用的距离就会越大，频率的利用率就会变得很低。值得提到的是如果同频小区的复用距离过小，同频小区之间就会出现同频干扰干扰的强度与复用距离是负相关的。为了更加直观的表示频率复用率和系统容量之间的相互作用，我们采用Q和R的比值来表示他们之间的关系，这一比值称为同频复用比，用来表示：（2-3）由公式2-3我们可以得到，的值与该簇的覆盖范围是正相关的，值的大小也表示着该簇中信道容量的大小；Q的值越大也代表着同频干扰越小也意味着传播质量越高。所以在我们的实际设计中要慎重的选择N的值，要综合考虑干扰问题和信道容量这两者的平衡。（3）提高系统容量的方法随着用户数量的增多以及人们对通信质量的要求，需要使用某些方法、技术来提高系统的容量。在我们的实际生活中一般采用小区扇形化和小区分裂的方法来提高系统的容量。小区分裂指的是将原来小区的范围内划分成更小的小区。划分扇区是在原有的基础上将全向覆盖换成定向的天线覆盖来控制干扰，利用这样的方法来增加系统的容量。（4）位置理论在GSM网络中一般存在着下面表格中所列举的几类区域：表2-2区域的类型小区：一个基站覆盖的全部范围或者是该基站覆盖范围中的一部分，它是最小的可寻址单位。位置区：位置区的意思就是某一个移动设备可以在这个范围内随意移动但这个过程中不会发生位置更新。位置区的组成至少包括一个小区也可能是多个小区。如果移动交换中心要寻找某一个移动设备时，只需要在该移动设备所属的位置区域进行寻找就行，不用在整个的覆盖范围内寻找，如图2-2所示。MSC区：一个移动交换中心所能够覆盖的所有地区，MSC区当中最少包含一个位置区，也有可能是多个。服务区：移动用户可以获得服务的所有区域。图2-2小区和位置区MSC可以通过位置区识别码（LAI）和全球小区识别码（GCI）来识别位置区和小区。位置区识别码的构成是：，全球小区识别码的组成是由位置区识别码（LAI）和小区识别码（CI）这两者共同组成的，其中的GCI是该小区的全球唯一标示，它的结构为。MSC的某些功能能够通过识别BSC中的信令点代码来完成对一个未知小区位置的寻址，在整个的通信建立的过程中小区的位置知道与否并没有太大的影响，但是在一般情况下会计算话务量这就需要知道小区的位置信息。VLR中主要存储的信息内容就是各种小区的位置信息资料，它能够被用来寻找各个用户的位置地点。MSC是整个网络中的核心设备，也是最为重要的设备，它可以完成位置的登记、漫游功能和越区切换等功能。同时还具有电话号码的存储编译、路由选择、呼叫处理等功能。越区切换是指在进行通话的期间，通话设备的位置从一个小区变更到另一个小区的过程中，网络仍然可以实行控制，并且把原小区使用的通信信道切换到新小区的某一个通信信道，而且在这过程中用户不会感觉到。所以对于一个MSC而言它要知道切换前后的MSC的位置区，还必须知道将会发生切换的其他位置区。位置更新指的就是移动设备在整个通信过程中位置的不断变化，系统中对于不断变化位置信息的登记、变更以及最后删除的过程。我们一般从登记地点和寻呼位置这两个方面来考虑位置区域的划分。一般来讲如果一个位置小区本身就是整个MSC区域，换句话说该MSC区域就是位置小区，如果是这种情况的话它的登记代价最小，因为在整个通信过程中移动设备的位置就没有变化，但是寻呼的代价最大。但是如果这两者反过来的话，那它的登记代价就是最大的，因为在整个通信过程中它的位置一直处于变化当中。2.2.2线状覆盖一般情况下，对于区域为一个宽广的平面时采用面状覆盖，而对于铁路这样的用户分布呈现条状采用线状覆盖。线状覆盖和面状覆盖这两种覆盖方式它们在理论上来讲是相似的，这两者的某些区别主要是在小区频率组的分配问题上以及在重叠区规划上的问题需要单独考虑。下图就是铁路覆盖的简略示意图2-3。图2-3铁路沿线的覆盖示意（1）频率的分配在我们讨论线状覆盖问题是时，一般会考虑将覆盖区域当做圆形来进行分析，示意图2-4表示的就是我们在考虑的情况。图2-4线状覆盖的频率复用（2）重叠区的确定因为在铁路的线状覆盖区域中，每一个用户的位置都是处于一直变化的状态中，信号的强度随着移动速度的变化也变化的比较快，这种情况的出现对我们在小区的边界确定中带来了很大的问题，一般采用信号强度的平均变化来确定覆盖的区域。显然，如果小区的覆盖不存在重叠部分是不现实的这样也会影响信号强度的分布。所以我们在确定重叠区域大小也会存在着很多的问题，重叠区域既不能太大也不能太小，要达到一个平衡点。图2-5线状覆盖的同频干扰在图2-5中，我们假定我们的移动设备在某小区B上的一点，而且这个小区半径我们设定为R，在整个通信过程中信号的损耗指数设定为4。如果我们采用两小区、三小区、小区的这种频率复用的方法在我们终端移动台所能够接收的C/I值分别为:1）两小区复用（2-4）2）三小区复用(2-5）3）小区复用（2-6）所以，我们可以根据n小区复用的公式以及我们的设计参数，求出重叠区域的宽度。（3）小区分层区域大小的划分所依据于该覆盖区域的人口数量和面积的比重以及设备对速度的需求：表2-3小区的划分类型扩展小区：一般的大小为70千米到240千米的范围内，主要应用在沿海地区。宏小区：大小为2千米到70千米的范围内，一般应用在公路或者人口比较密集的地方。微小区：大小为0.2千米到2千米，现在主要运用的地方是在城市的繁华路段。微微小区：大小为0.2千米的范围内，一般就是运用在家庭或者小的商铺当中。由于各种类型的小区的包含范围不同，所以在选择天线架设的位置也是不同的。总的来讲，小区包含的范围越大那么它的天线的高度也就越高。但是在实际的情况中，由于地形的原因或者人口的集中程度不同，就会结合不同的小区覆盖方式。实行小区的分层这种形式就是为了解决用户切换和系统容量之间的矛盾。2.3GSM-R系统的网络结构和功能2.3.1GSM-R系统结构构成表2-4系统结构系统构成成分作用网络交换子系统（SSS）用于和其他网络业务的互联基站子系统(BSS)各种基站设备之间的连接运行维护子系统(OMC)设备的维护以及系统的操作通用分组无线业务子系统(GPRS)用于移动设备的定位智能网子系统(IN)支持网络中的智能业务终端系统各个无线终端数据相连2.3.2GSM-R系统的网络结构图2-6GSM-R系统网络结构图MS设一般会通过GSM-R系统中的无线接口接入该网络，它的主要作用就是实现无线数据的传输以及处理各种业务的功能。基站子系统（BSS）主要由基站控制器BSC和基站收发机BTS组成，BTS主要负责无线传输，并且提供网络的固定设备和无线设备之间的中继功能。BTS和BSC之间主要通过Abis接口通信。在我们的实际应用当中，TRAU一般作为BSS中的可选部件，并且匹配有线和无线系统之间的不同传输速率。Abis接口是BSS的内部接口中的一种，它的标准不是唯一的，一般都是有它的生产商来进行定义。BSC和BTS连接的设置：3-5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。（1）BSS基站子系统结构：图2-7BSS子系统结构图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MSC相连，实现移动用户之间或移动用户与固定用户之间的通信连接，并且传送系统信号和用户信息。在基站子系统中，BTS的主要功能是无线传输，BSC的主要功能是参数及接口的控制和管理，TRUA（速率适配单元）的主要功能就是实现速率的匹配，因为无线和有线之间传输速率能够匹配这样就会减少PCM中的链路数量。网络交换子系统（NSS）基本是由6个功能实体来构成，它们是：移动业务交换中心（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），互联功能单位（IWF）。另外，在NSS设备中还存在着能够完成短消息发送与接收业务和语音广播功能的实体组呼寄存器（GCR）。图2-8NSS结构图NSS的能够实现的功能有很多，但是它最主要的功能就是完成一端到另一端的呼叫、数据的管理以及负责和固定网络的接入。MSC是NSS中绝对的核心，其中MSC是一种交换机，它的主要功能就是交换，它可以从三种数据库中获取用户位置的登记和呼叫请求所需要的数据。网关MSC也会被称之为GMSC，它的主要功能就是获取移动设备或者用户的位置信息。GMSC的来源是所有MSC中随机选择的一部分，这是由网络进行选择的。VLR与MSC之间是相互通信的，VLR中存储的是进入某一区域已登记用户的信息，它是一个在不断变更的数据库；与某一个VLR相连的不止一个MSC。HLR是GSM-R系统中的中央数据库，它里面存储的是某一区域中全部用户的静态信息。用户的数量和该系统的容量决定着在某一网络中HLR的数量。AUC的功能就是对在该网络内所有用户的信息进行加密，从而在一定程度上保护用户信息的隐私性。设备识别寄存器（EIR）中存储着与移动设备相关的信息，互连功能单位（IWF）作用是完成不同网络与GSM-R网络之间的互联。GSM-R采用的是公共信令中的NO.7信令系统。（3）操作维护子系统（OSS），OSS的功能就是在操作人员和系统设备之间架起一座沟通的桥梁，实现了网络的维护、用户和设备的管理等功能。其中这些应用于网络操作维护的设备被称为OMC，它与系统的每个部分相连，实现了集中维护的作用。2.4GSM-R技术特点GSM-R技术主要有以下特点：第一，技术较为完善，标准不统一，具有很大的发展空间，在一定程度上能够防止垄断，降低成本。现在，我国的网络设备商数量很多，但主要的供应商是中兴、华为等大型通信设备公司，这些设备已经成功的运用到了我国的网络建设当中。网络的建设必须实现一体化，所以不同的设备之间要能够实现相互连接。进入二十一世纪以来，我国的铁道部门就开始了各个设备商设备的相互连接测试。结合其他国家实验数据以及经验，在联系我国铁路通信的实际情况制定了中国铁路GSM-R系统测试的内容。从测试的结果中我们就能够制定具有中国特色的铁路网络标准，这从某种程度上也能够加快我国铁路的快速发展。第二，具有良好的接续性能，能够与其他系统具有良好的兼容性能。并且呼叫建立时间短，反映速度快。GSM-R系统在支持数字集群通信的同时还能提供具有铁路特色的业务，如：应急区域广播、列车编调通信等。第三，GSM-R系统具相对强大的智能性，它的智能网的搭建是以ITU-T智能网为模板结合铁路中的实际情况，可以支持各种铁路通信业务。在该系统中，智能网的主要用处是借助外部列车定位系统实现功能寻址和位置寻址，这些服务的结合，为铁路通信营造了一个更加灵活的服务环境。第四，系统的安全性较高，并且采用GSM-R技术来实现铁路车地中的一些无线通信功能具有很多明显的优势：◆依托于GSM-R平台；◆没有覆盖盲区、信息实现加密；◆列车的控制响应时间短。2.5GSM-R系统与GSM系统的区别GSM-R和GSM在网络规划上的比较：频率的规划指的就是在某一地区所能够分得的全部频率资源。表2-5GSM-R和GSM在网络规划上的比较网络规划的比较GSM-RGSM工作频段900MHz900MHz移动台发，基站收885~889MHz890~915MHz基站发，移动台收930~934MHz935~960MHz频道序号总共可以使用的全部载频是21个，但是实际可以使用的只有19个，其中的两个用于保护作用。总共可以使用的频段数目是49个，频段在1800MHz上面，号码从76到124。GSM-R与GSM在干扰保护比上的比较：表2-6GSM-R与GSM在干扰保护比上的比较干扰保护比上的比较项目GSM-RGSM同频道干扰保护比C/I≥12dBC/I≥9dB邻频道干扰保护比C/I≥-6dBC/I≥-9dB偏离载波400kHz时的干扰保护比C/I≥-41dBC/I≥-41dB载波干扰比就是实际需要的电平信号和对载波干扰最大的电平信号这两者之间的比，它的值与设备当前所处的位置是相关的。因为在不同的地形或者不同类型的建筑物对于信号的吸收、反射不同，还有天线的位置，其他类型的干扰源造成的。GSM-R与GSM在系统组成和接口上的比较：表2-7GSM-R与GSM在系统组成和接口上的比较GSM-RGSM系统组成交换网络系统（NSS）、基站设备系统（BSS）、运行与维护系统（OMC）、通用分组无线业务系统（GPRS）、设备终端系统以及智能网系统（IN）无线移动设备（MS），无线基站系统（BSS），交换网络系统（NSS）和操作支持和维护系统（OSS）接口Sm接口、Um接口、A接口、D接口、C接口、E接口、G接口、I接口A接口、Abis接口、Um空中接口经过上述表格中内容的比较我们可以得到，GSM-R与GSM基本上是相同的，但需要特别指出的是，GSM-R是铁路通信中的专用网络，安全性要求较高，还有怎么防止由于列车高速移动和各种地形影响产生的衰落，但是GSM是公共网络，它需要注意的是信道的容量问题、网络的建设以及通话质量就行了，当然这两种网络也是有很多的共通点的，一旦列车的移动速度达到某一个值的时候，如果采用的是GSM信号的话，就会导致通话不清楚，还会提高误码率。在这个通信过程中，如果误码率持续的升高达到通话要求的最低值的时候，那么这时候通信就会被迫中断。

3.GSM-R在铁路通信中的业务3.1与行车有关的语音通信3.1.1列调员-司机之间的通信列车的无线通信功能就是列车的控制中心和列车的司机这两者之间的一个双向通信。它们要求如下：（1）一般情况下，当列车的控制中心与一个固定的网络相连接时，列车上的工作人员和控制中心之间必须存在着双向的语音和数据传输链路。（2）移动台主叫（MOC）和移动台被叫（MTC）这两者都可以发起呼叫。（3）对于MOC和MTC而言必须是采用不相同的寻址方式。（4）语音传输的多链路性：从一辆列车可以同时向多个移动设备或者固定用户发起通话，也可以从一个列控台和多辆列车建立通话功能。这就是点到多点的广播功能，例如：给在某一个区域内的所有正在通过的列车或所有沿某一路线正在运行的列车进行播放通知。一般在应急情况下，要求快速建立通话（约1s）的时间越短越好，而且通话不会因为其他移动设备的使用而中断。3.1.2应急区域广播应急区域广播顾名思义就是讲在危急情况下，列车的控制中心可以和发生危急情况的区域内所有的列车以及列车上的专门人员之间能够建立通话。在现在的通信模式下，应急通话通常会运用广播方式来建立，一般通过直接按PTT键来改变讲话人。铁路应急通话允许列车上的专门工作人员来发起。语音广播信号会覆盖指定区域内的所有小区。所有进入紧急区域的用户都能进入通话，而离开了该应急区域也就意味着脱离了通话。一般情况下，列车上的工作人员或列控员（通话调度者）都能够发起应急通话。所有其他参加者就会是接听电话，如果参加者想说话那么他只要按PTT键就能够申请一个双工通道，这样就可以进行通话。至于其他的人能讲话，则是根据谁先申请先讲话的原则。不包括通话调度者，在同一时间只能有一人讲话。3.1.3站场编组调车通信现在，编组通信一般采用80MHz或450MHz的模拟对讲（PTT）无线通信系统。在编组内的某些成员按移动台上的PTT键，就能够进行通话。每个成员可能属于多个组（但是在同一时间内的一次通话只能限定在一个组内）。移动台必须在恶劣的环境下正常使用，并且易于操作。编组成员既可以和工作人员通话，也可以与固定中心通话。一般情况下，只有点对点通信要求使用双工通信，组呼则使用的是单工通信。3.1.4列车间的通信编组列车上领头司机在某些情况下可能会需要与其他的列车司机进行通话。这种功能可以通过GSM-R的多方通话功能实现，但是也有个别铁路公司中的列车工作人员可以通过车上的有线系统实现。3.1.5区段养护维修通信现在，路轨维护人员一般使用的是步话机或者通话柱，由于这种原因就会需要大量不同的终端，这就会导致其操作和维护成本都较高。路轨工作人员可使用GSM-R手机，现在仍然在使用的的通话柱也可以依靠GSM-R平台，并采用太阳能电池供电，这样就可以极大的减少安装和维护成本。退一步来讲，手机或通话柱可工作于GSM-R/GSM双频段。因为这种功能不止包括GSM-R功能，所以它的使用就取决于铁路公司自身。3.1.6列车辅助通信在列车的运行过程中，辅助人员需要与车头的司机或者其他司机进行通话。另外，固定网的客户支持系统也需要与车头司机、其他司机或操作辅助人员进行通话。3.2语音组呼业务语音组呼业务（VoiceGroupCallService，VGCS）：它是高级语音呼叫业务中的一种。语音组呼业务是指有一人发起多人聆听的一种通信方式。GSM-R网络通过会议桥实现VGCS。VGCS的使用过程中会采用某一区域的位置以及该设备在这一区域的ID来进行标示。组呼区域的构成是由至少一个小区组成的，在这些小区覆盖的地理范围就用组呼区域来表示。一个组呼区域表示的意思就是至少会包含一个MSC区域。组ID是用来标识一个组的号码。VGCS的表示一般情况下是由组呼区域ID和组ID这两者来共同表示的。在组呼当中只存在着两种身份：调度用户和业务用户。调度用户可以是固定用户也可以是GSM-R网络中的移动用户，调度用户在组呼中拥有一对专用信道，这个信道既能够收听也可以讲话。组呼中最多能够容纳5个用户，但是对于每一个用户而言加入组呼的数量是不受限制的。业务用户指的是选择了该业务的用户。业务用户加入呼组的上限是50。业务用户和调度用户都能发起组呼，但发起和终止的权力在于网络。VGCS在同一时间点只可以允许一个业务用户作为讲话者，但是调度用户者就没有这个限制。一旦讲话者结束讲话，那么他就会自动的变成接收者的身份，其他想要讲话的用户按照先来后到的顺序依次来申请使用权。在定义的时间内，没有通话就视为组呼业务结束。3.3语音广播业务语音广播业务（VoiceBroadcastService，VBS）：它也是高级语音呼叫业务的中最为重要的内容。语音广播业务是指在一定范围内有多个用户参与，一人讲话多人聆听的一点对多点的单方向的通话形式。GSM-R网络通过会议桥实现VBS。VBS和VGCS这两者采用同一种标示方式，都是采用的是组呼区域以及在该区域的ID这两者结合标示。组呼区域的组成至少是一个小区，用组呼区域ID来标识。一个组呼区域表示的意思就是至少会包含一个MSC区域，相同的它也会至少包括一个组。组ID是用来标识一个组的号码。所有参与了语音广播业务的人员中只存在着两种身份：调度用户和业务用户。调度用户包括了一般的普通网络中的用户和专网中的用户。由于调度用户的重要作用，他们在广播通信中一定会分配到一个双向信道，使用该信道可以随时讲话、收听。每个广播呼叫中最多能够容纳5个调度的用户，但是对于每一个用户而言加入组的数量却是不受限制的。业务用户是指定制了VBS的用户。在组呼区域中某一个小区中的所有的使用该业务的用户使用的都是同一个信道来进行接听。业务用户能够加入组的数量上限就是50。在广播通信过程中，系统只会允许一名业务用户进行讲话，其他的人员只能够被动的收听，但是调度用户就不一样他们讲话或者收听随时都可以。3.4增强多优先级与强拆增强多优先级与强拆（enhancedMulti-LevelPrecedenceandPreemptionservice，eMLPP）eMLPP：是GSM-R高级语音呼叫（AdvancedSpeechCallItem，ASCI）业务的内容之一。eMLPP业务包括2部分：优先级与强拆。优先级指的就是在呼叫建立的过程中谁先谁后的权限。强拆一方面就是指对空闲中的资源的抢占，即谁的优先级高谁就具有优先权力使用当前空闲资源的权利；强拆的另一个方面指的就是优先级高的打断低优先级的当前通话，并且可以直接接通进行通话。eMLPP的使用必须需要双方都具有支持该业务功能的能力，否则就不能实现该功能。在eMLPP业务中我们一般会定义7个优先级级别顺序，它们的次序如下：凡A，B，0，1，2，3，4。除了优先级A和级别B，其他的几个优先级别可以在所有地区范围内使用，由自己来进行定义。如果一位用户定制了eMLPP业务，那么网络就会自定义的按照优先级别自动为该用户分配一个目前所能使用的最高优先级别，并且这位用户能够随意使用任何低于网络为其分配的最高优先级别下的其他优先级。如果用户没有定制eMLPP业务，那么未定制这个业务的用户就会分得到一个用户所在的网络默认中的优先级。当遇到某一个网络不支持eMLPP业务，但是支持多优先级与强拆（Multi-LevelPrecedenceandPreemptionservice）业务的网络这两者互相互连接时，eMLPP网络中的优先级A和B就会自动变成为A和B之下的最高优先级，同时其他优先级保持不变。3.5基于位置寻址基于位置寻址（LocationDependentAddressing）：基于位置寻址功能是GSM-R系统中所具有的特色铁路通信功能，它是一种依靠发起呼叫用户当时所在位置地址的特定呼叫功能。在列车高速移动中，列车司机只需要拨打在EIRENE编号规划中短号码，就会自动接续到列车正经过区域的列调员建立通信。基于位置寻址出现的原因就是它在解决移动用户与固定用户相互通信过程中存在的问题时具有完美的表现。在我国当前的铁路通信中，没一个铁路局的铁路分局都拥有直接指挥当地铁路通信的权限。铁路分局调度所里的调度员是多种多样的，这其中包括行车调度员、通信调度员等各种不同的工作人员。在所有的调度员中，毫无疑问行车调度员的作用是最重要的，他们通常解决的是在行车过程中的突发情况。无论在任何时间段内，一个车站内至少有一位值班员，所有通过该车站的列车都要听他的调度。在整个行车过程中，列车要经过很多调度区以及火车站，在某一区域内火车司机进行呼叫时，只能够呼叫当前所在区域内的行车调度员或者值班人员。列车司机不可能记住所有经过区域的列车调度员的号码。为了解决这个难题，基于位置寻址的通信方式就被提了出来。移动设备采用固定的短码进行呼叫，在某一区域内就会自动接续到当前网络中已完成呼叫，控制中心也有固定的短码去呼叫正在经过这一区域的列车，以实现两者的通信，这样的方式也更加的便捷。

4.GSM-R在济南铁路局的应用济南铁路局位于华东，东边连接着黄海，西遍靠着中原地区。济南铁路局管辖京沪、京九干线这两条线的中段部分，而且还包括胶济线、胶新线、菏兖日线和烟大铁路轮渡（至旅顺西站）等干支线，所有的铁路线路共同构成了济南铁路三纵二横的铁路网络格局，铁路线路分别连接青岛、烟台、日照三大港口，是中国东部经济发展和外贸运输的重要通道。济南铁路局管辖铁路线路主要分布在山东省境内14地市，由京沪、京九、胶济线等干线和济南、青岛枢纽贯通东西南北，并由青岛、烟台、黄岛、日照这四个港口城市与海外及国内水运线路相联，泰肥线、淄东线等21条支线形成庞大的铁路运输网络。整个济南辖区的线路总长约8283.9公里，其中正线的总长度为5218.44公里。济南局管辖范围内车站数量达到了295个，在总共的295个车站中，包括特等站4个、一等站10个、二等站40个、三等站53个、四等及以下车站188个。机车的数量大约有847台、客车的数目到达1951辆其中包含着33辆邮政列车。济南铁路局机关设行政处室21个、总共的相关人员有596人，党群部门有18个、部门内部人员约192人。整个济南铁路局职工总数大约有146186人。购置新型客车144辆；胶济、西陇海线电气化改造完成。这其中胶济线是最早应用GSM-R网络的铁路线路之一，GSM-R在胶济线中的成功应用给我国其他铁路线路的网络覆盖带来了宝贵的经验，这也推动了我国GSM-R技术的发展。4.1GSM-R功能寻址的实现4.1.1功能寻址的过程功能寻址分为两个阶段：·第一步要做的就是进行数据的初始化以方便的来完成功能寻址的其他步骤（FollowMe过程）·在进行呼叫的过程中一般通过使用数据的结构来进行处理功能寻址（无条件呼叫前转过程）FM是补充业务中的一种，它能够将用户的业务功能和激活该功能所需要的移动台的MSISDN号码相联系。完成FollowMe功能时，就会进行下列操作：·FollowMe注册的最主要的作用是在业务功能以及MSISDN号这两者之间建立一种联系关系；·FollowMe注销的目的在于将原来已经建立业务功能和MSISDN号的联系关系的删除；·FollowMe查询的作用就在于查询用户已经签约的文档。能够使用FollowMe注销业务功能的情况有两种，一是正在申请执行注销操作的用户原来已经定制了这项业务，另一种情况就是，该用户虽然没有进行FollowMe注册但是他却拥有执行注销的权限。一般在执行强制注销时，会先给注册了该业务的用户（MSISDN）发出通知，来通知移动台已经发生变化，这样也会导致移动台其他的相关操作。在所有的FollowMe的操作过程都能够使用USSD的补充业务，它是一种无结构补充业务数据，并且在使用的过程中会在网络上显示相关的信息。USSD的请求信息和USSD的响应信息的关系是一一对应的，他们不可能单独存在的也就是说任意一个请求信息都会有着一个相应信息与之对应。FM业务是由FMm和FMf功能一起支撑的。这两种功能一定会在不同的设备上，不是逻辑上不同就是物理上不同：FMm位于HLR，FMf位于FFN（FollowMe功能节点）。1.FollowMe注册FollowMe注册过程指的是在功能号和MSISDN号这两者之间建立一种临时的关联的过程。用户终端设备的支持的功能都要进行注册，同时网络会将注册的结果返还移动台。如果出现注册失败的情况，那么还必须注明失败的原因。移动台同时最多注册3个不同的功能号组，但是命令（即每个USSD请求）和功能号之间是一一对应的。其中图4-1所示的就是FollowMe注册的全部过程，移动设备通过使用第3层当中的某些信令向HLR发送USSD请求，然后就会在HLR对该USSD请求的情况进行验证，如果验证通过之后，HLR中的请求数据就会继续向FFN发送请求。FFN的主要作用就是一个主题数据库，实现对数据的记录，当FFN中在收到从HLR发来的注册信息请求后，在它的数据库中就会自动增加一条包含功能号和MSISDN号这两者之间对应关系的一条消息记录。图4-1FM注册过程示意图（1）移动台中的过程当用户准备申请注册业务时，移动台要提供如下的数据：·过程类型标识（注册）；·用于FollowMe业务的业务代码（SC）；·功能号（FN）。功能号（FN）的格式如下：其中，RAC为铁路接入码；RSN为铁路用户号码。如果注册申请成功，过程标识、业务代码以及功能号中的数据都会存储在SIM卡上。（2）MSC中的过程信息直接通过MSC。（3）VLR中的过程信息直接通过VLR。（4）HLR中的FMm过程在我们执行FollowMe注册功能的过程中，在HLR当中对于FFN的要求是它所接收到的功能号能够激活呼叫前传。在HLR中它的所有数据的来源是移动设备当中的数据，并且位于HLR中的FMm功能模块将触发以下的操作：·FMm将会对签约数据和功能这两者进行一个比较，验证移动设备是否具备资格；·负责获得相应承载业务（BS）的MSISDN；·构造从HLR发送到FFN的USSD请求消息；·等待FMf的响应消息（由FFN传送到HLR）。（5）FFN中的FMf过程·在FFN中的FMf功能在这个过程当中将会获得一个功能号码，这个功能号码包括RAC、功能号码类型、root和branch这四部分，在整个FFN中的FMf过程我们将使用它作为用户号码。·FMf（FFN）向FMm（HLR）返回通知。2.FollowMe注销FollowMe注销过程与FollowMe注册是两个相反的过程，它的功能就是解除功能号和MSISDN号之间已经建立的关联关系，换句话说就是解除对这个功能号的呼叫前转激活。注销的结果是解除了功能号上的FollowMe业务的激活这意味着不再激活该功能号所代表着的功能的移动台。我们一般会采用以下的两种方法来完成注销先前对于注册的操作：·定制了该业务的用户或这FM业务监督者都能够使用恰当的操作来特定地注销先前的注册操作；·也可以通过取消补充业务来注销原先的注册。FM的注销过程如图4-2所示。图4-2FM注销示意图（1）移动台中的过程当移动设备申请注销操作时，需要提供以下数据：·过程类型标识（注销）；·用于FollowMe业务的业务代码（SC）；·功能号（FN）；·监督指示符，它的作用就是用于强制注销和将要注销的MSISDN。功能号应该为下面的格式：上述的操作执行完成后，在SIM卡中存储的数据信息就会改变。（2）MSC中的过程信息无变化地通过MSC。（3）VLR中的过程信息无变化地通过VLR。（4）HLR中的FMm过程在执行注销操作的过程当中，HLR中首先必须要进行的操作就是发送一个请求，这个请求内容是让FFN去激活它当前所收到的功能号的呼叫前转功能。FMm当中的数据来自于移动设备当中数据，并且将会进行如下操作：·执行对签约数据和功能这两者之间的比较，通过比较结果来确定移动台是否有资格请求该过程，同时，它也检查消息中的分支部分；·在整个过程当中FMm功能负责获取相应的承载业务（BS）的MSISDN，与此同时来自IMSI的注册请求中的功能号就会指示这些承载业务中的具体的内容；·构造从HLR发送到FFN的USSD请求消息；·等待FMf的响应消息（由FFN传送到HLR）。（5）FFN中的FMf过程在FFN中的FMf功能在这个过程当中将会获得一个功能号码，这个功能号码包括RAC、功能号码类型、root和branch这四部分，在整个FFN中的FMf过程我们将使用它作为用户号码。一般情况下，FMf（FFN）向FMm（HLR）都会返回的是接收的通知，只有当FollowMe发生错误时才会返回拒绝的通知。3.FollowMe查询FM查询的主要作用就是让用户可以得到在GSM-R中与用户查询相关业务中的数据信息。如果HLR正在处理FM查询功能时，那么它一定会向移动台返还相应的请求信息。在FollowMe业务已经被激活的情况下，在整个查询过程的响应就会包括MSISDN号，这就是所说的“前转号码”。移动台也会一直关注FollowMe查询的结果，并且将结果与SIM卡上的功能号相比对。FM的查询过程如同4-3所示:图4-3FM查询示意图4.FollowMe终端通知在某一些特定的情况下例如业务的强制注销时，一个拥有权限的用户是可以更改另一个用户在FFN中的FollowMe注册。另一种情况就是拥有了到FFN的接口，其他工作人员也能够更改某一用户的FollowMe注册。如果出现了上述中的任何一种情况，用户的功能号列表与FFN中的功能号列表就会发生不一致的情况。定义了一个向FollowMe终端进行通知的过程以保证在网络和终端之间的FollowMe数据能够正常地保持同步关系。网络中的FFN一般通过启动USSD消息来完成消息的通知。当我们收到来自网络中的通知时，要对该通知的功能号进行FM查询。整个的通知过程如下图所示：图4-4FM终端通知示意图4.1.2USSD串格式1.移动台到HLR的消息（USSD串格式1），如表4-1所示。表4-1USSD串格式1参数编号值类型注释1OC必选操作代码：OC=**...注册OC=##...注销OC=*#...查询2SC必选业务代码（此处为FollowMe）3*必选分隔符4FN必选功能号5*必选分隔符6监督者的身份指示必选在强制注销过程中是必须存在的7*必选分隔符8MSISDN必选注销的对象，在强制注销过程中时必须存在的9*必选分隔符10额外的信息域可选专业人士在操作时使用的11#必选USSD串结束2.FFN到MS的消息（强制注销），如表4-2所示。表4-2强制注销的USSD串格式参数编号值类型注释1OC必选操作代码：OC=##...注销2SC必选业务代码（此处为FollowMe）3*必选分隔符4功能号必选正在进行注销功能的号码5*必选分隔符6监督者的身份指定必选在这种情况下为887*必选分隔符8MSISDN必选发出强制注销请求的用户号码，若是由设备发出则为空。9*必选分隔符10额外消息域可选专业人士在操作时使用的11#必选USSD串结束4.2GSM-R网络设备设计GSM-R系统的基本组成是网络子系统（NSS），这其中包括交换系统、智能网系统以及无线定位技术，基站子系统（BSS），它还包括基站设备和弱场、管理子系统（OMS）及用户设备终端。1.网络交换子系统纵观济南铁路局所有的辖区范围，可以得到,济南铁路的覆盖都是以济南为中心城市的，所以整个网络的交换中心应该建设在济南，它的主要构成包括：、HLR、VLR、AuC、GCR、SCP、SMSC等设备。由于在交换子系统中数据的存放主要是在HLR当中，所以HLR的放置地点也是一个很重要的问题。2.GSM-R基站系统在整个GSM-R的网络建设当中，基站的作用是相当重要的，它是整个网络构建的硬件基础，它能够实现信号的覆盖以及数据的传输还有部分的控制功能。其中3个基站控制器分别设置在济南、青岛以及烟台，控制所有的基站。具体的设置情况如下表所示：表4-3基站系统设备设备名称数量功能BSC（基站控制器）3控制GSM-R网络中的所有基站。BTS(室内)17对各个覆盖区域进行信号发送。无线网络管理系统（OMC-R）1对无线子系统中的