GSM-R调度通信的应用与维护毕业设计.doc

兰州交通大学毕业设计 1 摘要摘要 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 速环境下使用的组成要素，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。 由于 GSM-R 可实现跨越国界的高速和一般列车之间的通信，能将现有的铁路通信应用 融合到单一网络平台中，以减少集成和运行费用，而且由于 GSM-R 是由已标准化的设 备改进而成，GSM 平台上已经提供了大量的业务，因而引入铁路专用的功能时只需最 低限度地改动，故能保证价格低廉、性能可靠地实现和运行。 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等等。 调度通信在 GSM-R 中有非常重要的地位，是保证行车调度员与其管辖区段内各个 车站之间进行良好业务联系的专用通信系统，是为铁路运输行业提供实时信息、实现 铁路运输统一指挥的重要手段。调度通信包括点对点呼叫、组呼和功能寻址等。 GSM-R 调度通信系统主要负责列车调度通信、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。 功能寻址是非常重要的先进寻址功能，是实现集群调度通信多的关键技术和必要 手段。在功能寻址业务中，每个 MSISDN 可以建立与多个功能号码的映射关系，但是 一个功能号码一次只能指定给一个用户。功能寻址业务分为语音呼叫功能寻址和短消 息功能寻址。 论文从 GSM-R 的基础即 GSM-R 原理、网络结构和功能等入手，阐述了 GSM-R 在铁路通信中的应用,并结合青藏铁路通信的现状对 GSM-R 的部分功能在青藏铁路通 信中的应用进行了设计。当一个网络建成以后，网络的管路理与维护也相当重要，因 此，在论文最后也对此做出了设计。 关键词关键词GSM-R；调度通信；应用；维护。 兰州交通大学毕业设计 2 Abstract GSM-R GSM for Railway is a system which adds the scheduling communication function and the elements used in suitable for high-speed environment to the GSM cellular system, and is able to feet with the special railway scheduling communication technology requirements of the International Union of Railways. Because GSM-R can control the communication between the cross-border high-speed trains with the general trains, can integrate the existing railway communications applications into a single network plat, to reduce integration and operating costs. And GSM-R is the improvement made by the standardization of equipment, and the GSM plat has provided a lot of business, thus only need minimally changing during the introduction of the railway special features, and it can ensure low prices, and reliable perance to achieve and operation . Currently the using of GSM-R is in Chinas railway communications scheduling communication functions, the ination of transfer of train parked and the transfer of the train number functions, scheduling order transfer function, the train tail device messaging function, shunting locomotives, signal and control ination system transfer capabilities, as well as train control data transmission function. GSM-R dispatch communication system is mainly responsible for the train dispatching communications, scheduling communications for cargo, traction substation dispatch communications, scheduling and private communication, station communications, emergency communications, construction maintenance communications, and crossing communications. Dispatching communication system network using GSM-R, both can take full advantage of the wireless, can also be combined with wired together to accomplish the scheduling communication tasks. Functional addressing is very important for advanced addressing, trunked dispatch communication technology and the necessary means. In the business of functional addressing, each MSISDN can be established with more than one function number mapping, but a function of number can only be assigned to a user. Functional addressing business is divided into a voice calling capabilities addressing and the short message function addressing. The basis of the papers from the GSM-R that is GSM-R theory, network structure and functions on GSM-R railway communication, and the status of the Qinghai-Tibet railway 兰州交通大学毕业设计 3 communication on the part of the GSM-R function in the Qinghai-Tibet railway communication the application has been designed. When a network is completed, the network of pipeline management and maintenance is very important, therefore, at the end of the paper on this to make the design. Keywords GSM-R; Scheduling Communication; Applications; Maintenance. 目录目录 摘要.............................................................................................................................................1 1 绪论.......................................................................................................................................1 1.1 引言 .................................................................................................................................1 1.2 铁路通信的发展历程和现状 .........................................................................................1 1.3 现代铁路运输对无线通信的发展要求 .........................................................................2 1.4 GSM-R 的发展历史及技术特点....................................................................................4 2 GSM-R 系统概述.................................................................................................................5 2.1 GSM-R 基本原理............................................................................................................5 2.1.1 带状覆盖..................................................................................................................6 2.1.2 面状覆盖..................................................................................................................8 2.2 GSM-R 的网络结构及功能..........................................................................................14 2.2.1 BSS 结构和功能 ...................................................................................................16 2.2.2 NSS 结构和功能...................................................................................................17 2.2.3 OSS 结构和功能...................................................................................................18 3 GSM-R 在青藏线中的应用...............................................................................................19 3.1 青藏线 GSM-R 系统介绍.............................................................................................19 3.1.1 GSM-R 设计的主要原则及标准..........................................................................19 3.1.2 GSM-R 传输网络..................................................................................................20 3.1.3 GSM-R 基站的设置..............................................................................................21 3.1.4 越区切换................................................................................................................22 3.2 GSM-R 在青藏铁路上的的应用及设计......................................................................22 3.2.1 调度通信................................................................................................................22 3.2.2 功能寻址................................................................................................................27 3.2.3 调度命令传送........................................................................................................35 3.2.4 列尾装置信息传送................................................................................................36 3.2.5 调车机车信号和监控信息系统传输....................................................................37 3.2.6 机车同步控制传输................................................................................................38 兰州交通大学毕业设计 1 3.2.7 其他应用................................................................................................................39 4 GSM-R 的维护与管理.......................................................................................................42 4.1 GSM-R 网络管理..........................................................................................................42 4.2 GSM-R 网络的维护......................................................................................................44 总结...........................................................................................................................................48 致谢...........................................................................................................................................49 参考文献...................................................................................................................................50 兰州交通大学毕业设计 2 1 1 绪论绪论 1.11.1 引言引言 铁路是我国国民经济的大动脉，铁路的运输能力直接影响着我国国民经济的发展。 进入 21 世纪，随着铁路跨越式的发展，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 技术是基于成熟、 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2。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，努力提升自身的经济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。 1.21.2 铁路通信的发展历程和现状铁路通信的发展历程和现状 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1。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 兰州交通大学毕业设计 3 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 进入中国已有十余年的历程，铁道部早期也制定了我国建立 GSM-R 网络 的目标在全国建立一张移动通信网络，利用通信的手段实现铁路移动设施固定设施 的无缝连接，确保列车平稳、安全、高速的运行。经过理论研究、技术之争、政策审 核、网络建设、施工验收等层层考验，最终在 GSM-R 工程方面取得了骄人的成绩，初 步建设了分别代表高原、重载和繁忙干线的青藏线、大秦线、胶济线三条 GSM-R 线路 5。其中，青藏线是一条集多种领先技术于一身的往返于“世界屋脊”的铁路；大秦 线是使中国步入重载领域先进行列的标志性工程，突破性的实现了年运量 2 亿吨的目 标，现在技术还在不断创新，预计年运量将达到 4 亿吨；胶济线的建设是对 GSM-R 技 术应用于具有中国特色环境的一个尝试，它的成功与否影响着 GSM-R 技术在时速 200km/h 铁路线路的普及率。 1.31.3 现代铁路运输对无线通信的发展要求现代铁路运输对无线通信的发展要求 1、铁路信息化 在铁路主要干线建设分散自律、调度集中系统（CTCS） ，实现调度指挥现代化。 为满足以旅客为主体的移动信息服务系统的需要，包括车上订票服务、电子移动商务、 旅客移动增值服务等；满足铁路路网移动体机车、车辆、集装箱等实时动态跟踪信 息传输的需要，为开展实时网上信息查询和各种管理信息系统提供移动传输通道。 2、调度指挥和安全生产 兰州交通大学毕业设计 4 作为无线列调的更新换代产品，同时能够满足区间公务移动、紧急救援、调 车编组作业、站场无线等移动话音通信的需要；满足 TDCS 无线车次号校核、列车尾 部风压、机车状态信息、车辆轴温监测、线桥隧道监护、铁路供电状态监视、道口防 护等移动和固定无线数据传输的需要；满足以移动列车为主体的安全信息分发与预告 警系统的需要，确保沿铁路线的施工、轨道养护、平交道口与车辆、车站等人员和设 备的安全，减少事故。 3、高速、客运专线 铁路提速、高速和客运专线网络化、智能化、综合化的行车调度指挥系统需要高 度可靠、高度安全、快速接入的综合移动通信系统，以及透明、双向、大容量的车/地 信息传输通道。 4、机车综合通信 具有网络以及功能号注册、注销功能； 支持调度通信系统功能； 支持通用数据传输功能； 支持不同制式下的自动或手动切换功能； 可向用户提供机车所在的小区位置信息、GPS 信息等。 5、基于通信的列车控制 随着列车运行速度的不断提高，铁路智能交通系统中车地间的双向通信显然已经 无法通过这些传统手段完成。为了实现铁路运输高效与安全，高速铁路智能交通综合 信息系统在信息利用方面，必须采用基于通信的列车控制（CBTC）方式。与传统的基 于轨道电路的列车控制（Track Circuit Based Train Control System，简称 TBTC）系统相 比，CBTC 有很多优越性，其中最重要的是1）列车和地面控制设备之间通过双向无 线通信传递信息，构成闭环控制系统，使列车运行的安全性大大提高；2）CBTC 可以 实现移动闭塞方式（Moving Automatic-block System，简称 MAS） ，使两列车追踪间隔 大大缩短，提高列车在区间追踪运行的密度，从而大大提高铁路运输效率。目前国内 对移动闭塞进行了初步研究。 我国铁路移动通信从无到有，从模拟到数字，从单一业务到多业务再到综合业务， 这一方面是铁路运输发展的需要，也是技术进步的趋势。IT 业在过去 20 年突飞猛进， 表现在微电子技术从微米向纳米技术过渡；交换网络已程控化，从单一业务向智能 多业务交换发展；骨干传输网朝着全光网络方向发展；接入网出现三网融合计算机、 通信、广播；蜂窝公众移动通信已经完成从模拟到数字的过渡，朝着宽带多媒体发展； 兰州交通大学毕业设计 5 无线局域网朝着宽带数据业务发展；计算机网络 IP 化，移动 IP 和移动计算成为电子商 务的关键技术。IT 业的这些技术进步必将推动铁路综合数字移动通信网络的发展。 1.41.4 GSM-R 的发展历史及技术特点的发展历史及技术特点 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/h 的无线通信要求，安全性好。此外，机车同步操控信息传 送业务对无线通信系统还有一定的要求 全线不能存在无线通信盲区； 传输的数据包出现差错时允许重传，但传输连续失败不能超过规定的时间； 上、下行列车通信之间不能相互干扰； 允许在同一车站内同一个方向的多趟列车运行； 从控和主控之间的通信不受距离限制。 GSM-R 正是满足上述要求的最佳系统，比基于常规对讲无线通信方式要优越的多。 兰州交通大学毕业设计 6 2 2 GSM-R 系统概述系统概述 2.12.1 GSM-R 基本原理基本原理 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。 由于 GSM-R 可实现跨越国界的高速和一般列车之间的通信；能将现有的铁路通信应用 融合到单一网络平台中，以减少集成和运行费用；而且由于 GSM-R 是由已标准化的设 备改进而成，GSM 平台上已经提供了大量的业务，因而引入铁路专用的功能时只需最 低限度地改动，故能保证价格低廉、性能可靠地实现和运行；在 GSM Phase 2中添加 了 ASCI（增强的语音呼叫业务）特性，能灵活地提供专网中所需的语音调度服务如 VBS、VGCS 和 eMLPP，因此 GSM-R 是面向未来的技术，它将从广阔的 GSM 公网市 场和 GSM 技术的不断演进中获益，具有巨大的发展空间。GSM-R 在欧洲取得巨大的 成功，目前超过 30 个铁路公司已承诺在其国际路网中使用该技术。 GSM-R 系统很多技术借鉴了公网的 GSM 技术，保留了 GSM 的大体结构，使得从 一开始 GSM-R 系统就是一个成熟可靠的系统，它的绝大多数软硬件都已在现网中得到 检验。不仅如此，由于二者都可以工作在 900M 频段，因此在无线网络规划方面也是 基本相同的。GSM-R 系统的规划设计也可借助于已成熟的 GSM 系统工具，可以方便 快捷地为用户提供网络设计安装。GSM-R 的基本特性已在铁路网的 MORANE 试验中 得到安装、测试和验证。出于众多的需要，GSM 新技术如 GPRS 已经规范化并将安装 使用。向 UMTS 的演进将提供新的业务和更加强大的无线系统。GSM-R 据此可最大限 度地引入新的业务。业务模型如图 2-1 所示。 调度通信 平面调车自动列控制（CTCS） 远程控制 铁路紧急救援移动服务 尾部风压检测 高速数字通信 旅客综合列车信息移动服务 区间移动通信 轨道维护移动服务 功能寻址功能号的表示与位置有关的寻址介入矩阵 eMLPPVBSVGCS 铁路应用 铁路运营特色 电信业务-ASCI 图 2-1 GSM 与 GSM-R 的关系业务模型 兰州交通大学毕业设计 7 GSM-R 系统保留了 GSM 的基本结构，同时还需要一个存储组呼属性的寄存器来 实现网络功能组呼寄存器GCR。GCR 实际上相当于一个数据库，存储有关语音 组呼的信息。它被视为一个新的网络节点，可以放在直接与 MSC 相连的 PABX 中，也 可以放在 MSC 中，或者作为 HLR 的组成部分。 在空中接口方面，GSM-R 在 GSM 的基础上增加了通知信道 NCH，用来传送包含 组呼信息和组呼信道信息。NCH 的位置在 BCCH 的系统消息中广播。本文将从面状覆 盖和线状覆盖两种覆盖方式的角度来介绍 GSM-R 工作原理。 2.1.12.1.1 带状覆盖带状覆盖 在铁路、公路、狭长的水面上这样的呈带状的地区，往往采用线状覆盖的方式。 线状覆盖使用的蜂窝基本原理与面状覆盖类似，只是在小区频率组的分配和重叠区的 问题上要单独考虑13。 1、频率复用 在线状覆盖中，一般以圆形小区为模型来进行分析和设计。在铁路和公路的覆盖 中，移动台往往处于高速移动状态，信号的场强变化复杂，很难确定相邻小区的覆盖 边界，通常从场强的平均变化这一意义上来理解覆盖区域。 如图 2-2 所示沿着覆盖区域的分布按照 n 个小区为一组的间隔可以进行频率复用， n 的取值要考虑到频率利用率、同频干扰和建网成本，一般可以取 2 、3 、4 。 ... 3R-2a a R ds d12n-1R-na nn1 123 图 2-2 带状网的信干比示意图 在图 2-2 中，假设小区半径为 R，相邻小区的交叉宽度为 a，第 n1 区与第一区为 同频道小区。显然，在移动台处于覆盖区边缘时，同频干扰最为严重。路径损耗指数 为 4，采用两小区、三小区、n 小区的频率复用方案得到的移动台接收 C/I 值分别为 两小区复用 2-140log 32 CR dB IRa 三小区复用 2-240log 53 CR dB IRa 兰州交通大学毕业设计 8 小区复用 2-3 n 40log 21 CR dB InRna 因此，可以根据式 2-3 和的设计要求，求出重叠区的宽度。同时可以看出C Ia 对信干比要求高的系统，小区数多，因而频率组多，基站数也增加。 2、平衡设计 线性覆盖在线性区域的两侧应该是对称的，在高速移动的环境中要尽量使小区的 数目最小，中继效率最大，每个小区的信道都可以为两个方向的用户服务，这就要求 较高的基站发射功率。但是基站的高发射功率可能会造成上下行链路的不平衡，结果 上行链路会因为噪声太大而无法使用。平衡的设计保证上下行链路具有同等的强度， 使得任意小区的双向用户都有较好的接收质量。 平衡设计的关键是要在四面建立天线群系统。两个发射天线和两个接收天线分别 指向道路两边，下行链路的信号从小区沿着道路向两个方向辐射。两个接收天线按同 样的方式朝向两个方向。每个天线与一个多路耦合器连接，多路耦合器由预选滤波器、 放大器和分离器组成。两个接收机的多路耦合器连接一个接入信道和所有的话音信道。 3、小区分层 根据覆盖地区的人口密度和移动台移动速度的要求，可以按照覆盖范围的大小将 小区分为以下四种类型 扩展小区半径 35km120km ，主要由于沿海地区海域的覆盖； 宏小区半径 1km35km，用于高速公路和人口较稠密的地区。要求具有高的抗干 扰灵敏度和安全的频率复用模型； 微小区半径 0.1km1km ，用于城市繁华地段。要求用高的干扰隔离度，使用少 量频率就可以实现密集频率复用； 微微小区半径小于 0.1km，用于室内环境，如商场、会议中心、办公楼等。 根据小区的大小不同，天线假设的高度也不一样。一般来讲，宏小区的天线架设 在建筑物的顶部，微小区的天线地域建筑物，微微小区的天线一般安装在室内。 在进 行实际的覆盖设计时，可以根据实际的地形环境和业务密度将集中小区结合使用。这 里介绍分层小区的覆盖。分层小区主要用于高速公路和城市主干道覆盖，它解决了用 户的切换和大业务密度之间的矛盾。两层中的上层采用伞状宏小区，主要负责快速移 动用户，避免频繁的越区切换，它还可以填补微小区覆盖的盲区。下层是微小区覆盖， 主要负责步行移动用户，另外当发生堵车这样的业务密度突然增大的情况，也可以由 兰州交通大学毕业设计 9 宏小区覆盖转换为微小区覆盖。这样就可以在上下层间进行切换，满足不同用户的需 求。 2.1.22.1.2 面状覆盖面状覆盖 当服务区不呈条状而是一个宽广的平面时，称为面状服务区。在平面区域内划分 小区，通常组成蜂窝式的网络，这将比带状网络复杂得多。 1、小区形状 在移动通信中，如果使用全向天线，人们很容易联想到应该采用圆形的小区，但 是从电磁波传播的角度考虑，圆形并不是最理想的形状。如图 2-3 所示，使用圆形的 面状覆盖存在许多重叠区域和无覆盖区域。为确保无盲区的完全覆盖，通常使用多边 形的小区。 2 3 6 5 1 4 图 2-3 圆形小区的覆盖 我们可以用数学方法证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个区域，可取 的只有正六边形、正三角形和正方形。而面状覆盖的服务区中，通常采用正六边形的 小区形状。六边形比正方形和正三角形在半径相同的情况下，覆盖面积要多 30100， 如图 2-4 所示。因此采用