蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點實驗室 何文娟

1.前言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，鐵路運輸已成為社會發(fā)展不可缺少的重要因素，而且已成為我國運輸行業(yè)的主要渠道，隨著今年來GSM-R基礎(chǔ)理論研究的深入、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及終端設(shè)備的引進、系統(tǒng)應(yīng)用平臺的開發(fā)搭建，我國已形成基于GSM-R的完整鐵路應(yīng)用體系，鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)GSM-R是在GSM蜂窩系統(tǒng)上增加了調(diào)度通信功能和適合高速環(huán)境下使用要素的系統(tǒng)，能滿足國際鐵路聯(lián)盟提出的鐵路專用調(diào)度通信的要求。由于GSM-R可以實現(xiàn)跨越國界的高速列車和一般列車的通信，能將現(xiàn)有的鐵路通信應(yīng)用融合到單一網(wǎng)絡(luò)平臺中，以減少集成和運行費用，而且GSM-R是由已標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備改進而成，就能保證價格低廉、性能可靠的實現(xiàn)和運行。

2.GSM-R基本原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代數(shù)字蜂窩系統(tǒng)更具有低功率發(fā)射和小區(qū)域覆蓋、頻率復(fù)用、靈活的提高系統(tǒng)容量、業(yè)務(wù)密度的適應(yīng)性等多方面的特性。因此GSM-R技術(shù)采用蜂窩式原理。在面狀覆蓋的服務(wù)區(qū)中，通常采用正六邊形的小區(qū)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(shè)計需要較少的小區(qū)，較少的發(fā)射基站。

GSM-R由網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）、維護和管理子系統(tǒng)（OSS）三大系統(tǒng)構(gòu)成。其中，網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)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(quán)中心（AUC）、移動設(shè)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(wǎng)（PSTN）的接口；

圖2 .1 GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.GSM-R業(yè)務(wù)模型

GSM-R是專門為鐵路通信設(shè)計的綜合專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)，它基于GSM的基礎(chǔ)設(shè)施及其提供的高級語音呼叫業(yè)務(wù)（ASCI），其中包含增強多優(yōu)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(diào)度業(yè)務(wù)，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(fā)各種鐵路應(yīng)用。圖2-2為GSM-R系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模型層次結(jié)構(gòu)圖，因此，GSM-R的業(yè)務(wù)模型可以概括為：GSM-R業(yè)務(wù)=GSM業(yè)務(wù)+語音調(diào)度業(yè)務(wù)+鐵路應(yīng)用。

圖3 .1 GSM-R系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型層次結(jié)構(gòu)圖

4.GSM-R標(biāo)準(zhǔn)

EIRENE規(guī)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(guī)范一樣，是歐共體關(guān)于歐洲高速鐵路網(wǎng)的指示的基礎(chǔ)。GSM-R系統(tǒng)雖然采用了GSM標(biāo)準(zhǔn)，但系統(tǒng)也有某些方面不遵從GSM標(biāo)準(zhǔn)。無線通信系統(tǒng)的“馬蹄”模型顯示TGSM-R系統(tǒng)采用的不同標(biāo)準(zhǔn)（如圖4.1）。

GSM-R通信系統(tǒng)依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)，在該標(biāo)準(zhǔn)中，對鐵路控制和防護系統(tǒng)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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，按不同等級對整個軟件的開發(fā)、檢查、評估、檢測過程，包括對軟件需求規(guī)格書、測試規(guī)格書、軟件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計開發(fā)、軟件檢驗和測試、軟硬件集成、軟件確認(rèn)評估、質(zhì)量保證、生命周期、文檔等提出相應(yīng)的程序與規(guī)范的要求（如圖4.2、圖4.3）。

圖4 .1 GSM-R系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系

圖4 .2 歐洲鐵路標(biāo)準(zhǔn)EN-128流程圖

本標(biāo)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(guī)定了一個系統(tǒng)生命周期及其工作為基礎(chǔ)、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(tǒng)優(yōu)化

移動用戶通話過程中，為了使呼叫建立在最好的小區(qū)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(qū)移動到另一個小區(qū)時通話能繼續(xù)進行，以滿足網(wǎng)絡(luò)管理的需要，越區(qū)切換是無線資源管理的重要內(nèi)容。此外，GSM-R網(wǎng)絡(luò)是傳輸與鐵路運輸密切相關(guān)的調(diào)度通信、應(yīng)急指揮通信業(yè)務(wù)的載體。根據(jù)鐵路通信對可靠性、實時性和不間斷性的要求，GSM-R網(wǎng)絡(luò)必須具有高可靠性和高容錯能力。因此，在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中可以考慮采用冗余備份的方式，一旦其中一套設(shè)備發(fā)生故障，馬上切換到另一套設(shè)備工作，達(dá)到通信不中斷的目的，雙網(wǎng)之間的切換也是切換的一部分。對于應(yīng)用于鐵路通信的GSM-R網(wǎng)絡(luò)，對越區(qū)切換的處理是提升整個系統(tǒng)有效性和可靠性的關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)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(yōu)化能降低整個系統(tǒng)的干擾情況，有效的均衡話務(wù)，提高了系統(tǒng)的平均容量。切換成功率（包括切入和切出）是網(wǎng)絡(luò)考核的一項重要指標(biāo)，可以提高切換成功率，有效改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，降低由于切換引起的掉話及擁塞，提高通話質(zhì)量，提升用戶的滿意度

青藏線上GSM-采用的同址雙網(wǎng)基站冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)合GSM中公路及鐵路中的切換內(nèi)容，得到一種適用于雙冗余鏈狀網(wǎng)的計算切換目標(biāo)小區(qū)列表的算法，該方法利用（Cl，TA）參數(shù)判定列車運行方向，減少了切換目標(biāo)小區(qū)數(shù)目，選擇合適的小區(qū)冗余覆蓋方案可以提高系統(tǒng)的安全性并降低成本。對我國青藏線GSM-R主設(shè)備管理方式的基站同址雙網(wǎng)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(qū)邊界，要求列車能夠快速切換到前方小區(qū)中，否則就會導(dǎo)致掉話。切換的成功處理能提升整個系統(tǒng)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(yīng)，提高切換成功率，并保證移動臺的越區(qū)切換盡量發(fā)生在主應(yīng)用層上，提高鐵路通信系統(tǒng)的可靠性和安全性。

理論上分析得到采用SAIC技術(shù)的可行性與潛在的系統(tǒng)性能改善。鏈路使用的聯(lián)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(shù)能夠給物理鏈路帶來2dB以上的性能增益。

6.結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，GSM-R已經(jīng)成為中國鐵路專用通信設(shè)備的發(fā)展方向，將為鐵路運輸?shù)恼Z音和數(shù)據(jù)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(tǒng)。GSM-R平臺上增加了鐵路通信所必備的功能（如群呼、組呼、優(yōu)先級別、強插、強拆等功能）的鐵路專業(yè)無線通信系統(tǒng)，針對鐵路通信列車調(diào)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(jīng)濟高效的綜合無線通信系統(tǒng)。目前鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是基于GSM網(wǎng)絡(luò)之上的，GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化解決的主要問題有：信道擁塞率高、呼叫成功率低；越區(qū)切換失敗率高，掉話嚴(yán)重；通話質(zhì)量低、有串音；移動臺占用話音信道后呼叫釋放、出現(xiàn)振鈴后無通話、移動臺接通后單邊通話；設(shè)備完好率較低；中繼電路的配置與實際話務(wù)不相符、電路群的每線話務(wù)量差別較大等。

[1]張濤.GSM-R綜合移動通信系統(tǒng)在青藏鐵路的應(yīng)用研究[D].山東大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006-09-20.

[2]鐵道勘查設(shè)計院.GSM-R系統(tǒng)歐洲標(biāo)準(zhǔn)簡介[J].鐵路通信信號工程技術(shù),2008.03.

[3]EN-50128:2001.英國標(biāo)準(zhǔn).鐵路應(yīng)用-通信、信號和處理系統(tǒng)——信號的安全相關(guān)電子處理系統(tǒng).2003-05-21.

[4]王艷芳.GSM系統(tǒng)的切換優(yōu)化[D].哈爾濱工程大學(xué)碩士論文,2008.03.