列車運行控制系統中GSM-R無線通信的應用研究

蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室 何文娟

1.前言

隨著科學技術的不斷發展，鐵路運輸已成為社會發展不可缺少的重要因素，而且已成為我國運輸行業的主要渠道，隨著今年來GSM-R基礎理論研究的深入、網絡設備及終端設備的引進、系統應用平臺的開發搭建，我國已形成基于GSM-R的完整鐵路應用體系，鐵路綜合數字移動通信系統GSM-R是在GSM蜂窩系統上增加了調度通信功能和適合高速環境下使用要素的系統，能滿足國際鐵路聯盟提出的鐵路專用調度通信的要求。由于GSM-R可以實現跨越國界的高速列車和一般列車的通信，能將現有的鐵路通信應用融合到單一網絡平臺中，以減少集成和運行費用，而且GSM-R是由已標準化的設備改進而成，就能保證價格低廉、性能可靠的實現和運行。

2.GSM-R基本原理及系統結構

現代數字蜂窩系統更具有低功率發射和小區域覆蓋、頻率復用、靈活的提高系統容量、業務密度的適應性等多方面的特性。因此GSM-R技術采用蜂窩式原理。在面狀覆蓋的服務區中，通常采用正六邊形的小區形狀。六邊形比正方形和正三角形在半徑相同的情況下，覆蓋面積要多30%-100%。因此采用六邊形的設計需要較少的小區，較少的發射基站。

GSM-R由網絡子系統（NSS）、基站子系統（BSS）、維護和管理子系統（OSS）三大系統構成。其中，網絡子系統由移動交換中心（MSC）、訪問位置寄存器（VLR）、歸屬位置寄存器（HLR）、鑒權中心（AUC）、移動設備識別器（EIR）、組呼寄存器（GCR）組成，用來管理用戶、移動臺和固網（PSTN）的接口；

圖2 .1 GSM-R系統網絡結構圖

3.GSM-R業務模型

GSM-R是專門為鐵路通信設計的綜合專用數字移動通信系統，它基于GSM的基礎設施及其提供的高級語音呼叫業務（ASCI），其中包含增強多優先級與強拆（EMLPP）、語音組呼（VGCS）和語音廣播（VBS），并提供鐵路特有的調度業務，包括：功能尋址、功能號表示、接入矩陣和基于位置的尋址，并以此作為信息化平臺，使鐵路用戶可以在此信息平臺上開發各種鐵路應用。圖2-2為GSM-R系統的業務模型層次結構圖，因此，GSM-R的業務模型可以概括為：GSM-R業務=GSM業務+語音調度業務+鐵路應用。

圖3 .1 GSM-R系統業務模型層次結構圖

4.GSM-R標準

EIRENE規范為互用性（對移動通訊來講）提供了框架。它們和其他由ERTMS用戶組提出的規范一樣，是歐共體關于歐洲高速鐵路網的指示的基礎。GSM-R系統雖然采用了GSM標準，但系統也有某些方面不遵從GSM標準。無線通信系統的“馬蹄”模型顯示TGSM-R系統采用的不同標準（如圖4.1）。

GSM-R通信系統依據歐洲標準，在該標準中，對鐵路控制和防護系統的軟件進行了安全完善度等級（SIL）的劃分，針對不同的安全要求制訂了相應的標準，按不同等級對整個軟件的開發、檢查、評估、檢測過程，包括對軟件需求規格書、測試規格書、軟件結構、軟件設計開發、軟件檢驗和測試、軟硬件集成、軟件確認評估、質量保證、生命周期、文檔等提出相應的程序與規范的要求（如圖4.2、圖4.3）。

圖4 .1 GSM-R系統相關標準的內部結構關系

圖4 .2 歐洲鐵路標準EN-128流程圖

本標注定義了RAMS各要素（可靠性、可用性、可維護性和安全性）及其相互作用，規定了一個系統生命周期及其工作為基礎、用于管理RAMS流程，使RAMS各個要素之間的矛盾得到有效地控制和管理。

5.GSM-R鐵路通信系統優化

移動用戶通話過程中，為了使呼叫建立在最好的小區中以及為了使呼叫不至于掉話，就引入了切換的概念。切換就是為了維持移動臺從一個小區移動到另一個小區時通話能繼續進行，以滿足網絡管理的需要，越區切換是無線資源管理的重要內容。此外，GSM-R網絡是傳輸與鐵路運輸密切相關的調度通信、應急指揮通信業務的載體。根據鐵路通信對可靠性、實時性和不間斷性的要求，GSM-R網絡必須具有高可靠性和高容錯能力。因此，在GSM-R網絡中可以考慮采用冗余備份的方式，一旦其中一套設備發生故障，馬上切換到另一套設備工作，達到通信不中斷的目的，雙網之間的切換也是切換的一部分。對于應用于鐵路通信的GSM-R網絡，對越區切換的處理是提升整個系統有效性和可靠性的關鍵。網絡優化中對于切換事件做重點分析也是出于這個目的。

圖4 .3 GB/T21562-2008流程圖

切換的成功保證了通信的可靠性，切換優化能降低整個系統的干擾情況，有效的均衡話務，提高了系統的平均容量。切換成功率（包括切入和切出）是網絡考核的一項重要指標，可以提高切換成功率，有效改善網絡質量，降低由于切換引起的掉話及擁塞，提高通話質量，提升用戶的滿意度

青藏線上GSM-采用的同址雙網基站冗余網絡結構，結合GSM中公路及鐵路中的切換內容，得到一種適用于雙冗余鏈狀網的計算切換目標小區列表的算法，該方法利用（Cl，TA）參數判定列車運行方向，減少了切換目標小區數目，選擇合適的小區冗余覆蓋方案可以提高系統的安全性并降低成本。對我國青藏線GSM-R主設備管理方式的基站同址雙網冗余覆蓋，研究其切換算法。由于列車以很高的速度穿過小區邊界，要求列車能夠快速切換到前方小區中，否則就會導致掉話。切換的成功處理能提升整個系統的有效性和可靠性，采用合理的切換算法，有利于降低乒乓效應，提高切換成功率，并保證移動臺的越區切換盡量發生在主應用層上，提高鐵路通信系統的可靠性和安全性。

理論上分析得到采用SAIC技術的可行性與潛在的系統性能改善。鏈路使用的聯合最大得到采用該SAIC檢測算法后對于鏈路上誤碼率（BER）性能的改善情況：對于未編碼的GSM-R鏈路而言，這種SAIC技術能夠給物理鏈路帶來2dB以上的性能增益。

6.結論

隨著科學技術的進步，GSM-R已經成為中國鐵路專用通信設備的發展方向，將為鐵路運輸的語音和數據通信提供傳輸通道。GSM-R（GSM for Railway）是一種基于目前世界最成熟、最通用的公共無線通信系統。GSM-R平臺上增加了鐵路通信所必備的功能（如群呼、組呼、優先級別、強插、強拆等功能）的鐵路專業無線通信系統，針對鐵路通信列車調度、列車控制、支持高速列車等特點，為鐵路運營提供定制的附加功能的一種經濟高效的綜合無線通信系統。目前鐵路GSM-R網絡建設是基于GSM網絡之上的，GSM網絡優化解決的主要問題有：信道擁塞率高、呼叫成功率低；越區切換失敗率高，掉話嚴重；通話質量低、有串音；移動臺占用話音信道后呼叫釋放、出現振鈴后無通話、移動臺接通后單邊通話；設備完好率較低；中繼電路的配置與實際話務不相符、電路群的每線話務量差別較大等。

[1]張濤.GSM-R綜合移動通信系統在青藏鐵路的應用研究[D].山東大學碩士學位論文,2006-09-20.

[2]鐵道勘查設計院.GSM-R系統歐洲標準簡介[J].鐵路通信信號工程技術,2008.03.

[3]EN-50128:2001.英國標準.鐵路應用-通信、信號和處理系統——信號的安全相關電子處理系統.2003-05-21.

[4]王艷芳.GSM系統的切換優化[D].哈爾濱工程大學碩士論文,2008.03.