从GSM-R的应用看铁路通信系统的发展

(1.北京交通大学电子与信息学院,北京 100044; 2.河北工业大学，天津 3 00130)
摘 要：通过描述新中国成立几十年来铁路通信系统的发 展历史，详细分析了GSM-R系统具体原理, 充分说明了GSM-R系统在我国铁路信息发展中的里 程碑意义,同时探讨了当前我国GSM-R技术在应用中需要解决的关键技术性问题。
关键词：铁路通信系统;GSM- R;信息化;网络建设;业务功能;关键技术
中图分类号：U285.21  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2008)20—0195—02

21世纪以来,随着全球铁路跨越式的发展,越来越多的新技术被应用到铁路——这个近代文 明产物，使得铁路包含的高科技含量也越来越多。今天的铁路早已不是单纯的以列车和铁轨 的合成工作所定义的概念。铁路的通信系统越来越重要，它也迎来了划时代的转变, 铁路无 线全球通信系统的GSM- R的建设和使用,表明成长中的中国铁路正在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需要,实现主要技术装备达到或接近国际先进水平。
1 我国铁路通信的发展过程和现状

1949年新中国成立初期,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线支流脉冲选叫方式。进入20世纪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,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,其他用户只能等 待,往往造成该信道上的用户争抢或者出现阻塞,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“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。
2 GSM- R系统的介绍

GSM- R(GSM for Railway)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。

2002 年以来,铁道部经过几年的论证、研究,决定借鉴欧洲先进国家铁路通信在GSM- R系统 上成功经验，在国内选择GSM- R作为铁路专用移动通信系统, 替代原有的模拟通信系统 ，支持铁路跨越式发展,首批试点线路为青藏线、大秦线和胶济线,并在实验成功的基础上逐 步在全国各条铁路干线和新建城际客运专线上推广使用。ＧＳＭ－Ｒ技术特点：
2.1 以公众移动通信产业链为支撑，基础技术比较完善，发展有保障，而且标准开放 ，多 厂家参与，有利于供货商之间竞争，打破专利垄断和技术设备制造垄断，降低建网和运营成 本 。欧洲GSM－R／ETCS的成功运用，对于我国铁路通信信号技术发展具有良好的借鉴意义 。目前，中国GSM－R的网络设备由不同厂商提供，主要有西门子、北电和华为公司，而且三 个厂商的设备已经分别应用到胶济、青藏和大秦铁路。为实现全国统一组网，必须实现不同 厂家网络设备间的互联互通。自2006年3月开始，铁道部组织了我国GSM－R网络设 备互联互通测试工作。在借鉴欧洲铁路GSM－R系统互联互通测试经验的基础上结合我国铁路 实际需求确定了我国铁路GSM－R系统互联互通测试的内容。与此同时，我国铁路GSM－ R互联互通工作组和相关科研单位根据实际的测试结果，已开始制定适用于中国铁路的GSM －R系列标准和规范，这必将进一步推动GSM－R技术在铁路信息化中的应用。
2.2 具有良好的接续性能。GSM－R系统的集群模式快速呼叫建立时间能够满足铁路调 度用户的需求。GSM－R系统能够提供数字集群通信功能，能提供无线列调、编组站调车 通信、应急通信、养护维修组通信等语音通信功能。此 外 ，ＧＳＭ－Ｒ系统还可以作为信 号及列控系统的信息传输平台。
2.3 GSM－R系统基于强大的智能平台，能够提供各类铁路特色业务。ＧＳＭ－Ｒ智能 网以ＩＴＵ－Ｔ智能网标准为基础，在ＧＳＭ－Ｒ网络中增加了 基于ＣＡＭＥＬ３（ Ｃｕ ｓｔｏｍｉｚｅｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　Ｍｏｂｉｌｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　 Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｌｏｇｉｃ３）协议的业务功能，称为移动智能网，其主要的物理实体 包括ＳＳＰ（业务交换点）、SCP（业务控制点）、ＩＰ（智能外设）、ＳＭＳ（业 务管理系统）及SCE（业务生成环境）。在ＧＳＭ－Ｒ网络中，移动智能网主要作用是：管 理移动用户功能号码的注册、注销和查询过程，对于具有不同功能角色的移动用户之间呼叫 过程或固定用户与移动用户之间的呼叫过程，在功能号码与MSISDN号码之间进行翻译，实现 功能寻址和位置寻址。
2.4 安全可靠，可以作为 CTCS3级和CTCS4级列控业务的通信平台。采用GSM－R 实现车地 间双向无线数据传输，代替目前的用轨道电路传输色灯信号指令，是实现基于通信技术的列 车控制系统（ＣＢＴＣ）的关键技术，它具有以 下明显的优势：①基于ＧＳＭ－Ｒ传输平台，提供车地间双向安全数据传输通道。②无盲区 、设备冗余、实现加密。③满足列车控制响应时间的要求。
3 GSM-R 需要解决或探讨的关键技术
3.1 加强基础理论与应用理论研究。我国GSM-R发展到今天，突破了很多难关，但仍 有 不少理论难点还未攻克，如高速铁路无线场强覆盖的可靠性问题、通信信号一体化问题等领 域还有待研究。研究的深度与步伐直接影响到GSM-R 技术的发展水平。
3.2 积极推动互联互通工作。由于通信协议的灵活性以及厂家对协议理解的差异性，各设 备供货商在实现同类产品的同一功能时，所采用的方式有所不同，包括呼叫流程及其所包含 的具体消息，消息的传递顺序以及消息参数的设置等。因此，在构建系统时，会造成不同厂 家的设备之间无法互联互通。所以，进行GSM-R 网络大规模建设时，首先应考虑解决GSM -R  系统的开放性和不同厂家设备之间的互联互通问题，有利于GSM-R 更好地服务于我国铁 路，有利于设备供货市场形成良好竞争局面，保护工程投资，降低风险；有利于形成全程全 网的解决方案，按照目标网进行网络规划和建设，最大限度地发挥总体效益；有利于网络长 远发展，对GSM-R技术在我国推广起到积极的推动作用。目前，我国由3个厂家分别进行 建设的3 条实验线已进入尾声阶段，互联互通工作也于2006年3月开始提上议事日程。在今 后的一年中，如何通过合理的测试保证设备间的互联互通，是一个艰巨而紧迫的任务。
3.3 完善和发展GSM-R 应用技术条件。虽然我国已在网络建设、基础设备、基本应用业务 方面建立了一套符合我国国情的应用技术条件体系，但在设备测试、接口测试、高速铁路应 用等方面还属空白，有待进一步地完善和健全，从而规范G S M- R 的发展。
3.4 打破移动终端的技术屏障。我国在GSM-R网络设备国产化方面已经有产品投入建设 ，移动终端也有一定的突破，但手持移动终端依旧是薄弱环节。手持移动终端的需求量大， 其投入成本对整个GSM-R 的建设有不小的影响，关系到GSM-R 网络的普及率。
3.5 加强无线网络测量理论与方法的研究。场强覆盖和网络QoS 是衡量蜂窝移动通信服 务质量、评价场强覆盖状况的重要指标。无线网络测量是GSM-R工程建设中的一项重要内容 ，包括场强测量和QoS 测量，是检验网络覆盖状况和通信质量的主要手段，应贯穿于网络建 设的各个阶段。但在网络建设的不同阶段，无线网络测量的目的有所不同（见表2）。目前 我国还没有一套完善的、适合我国国情的无线网络覆盖和QoS测量理论，尤其高速铁路更为 薄弱，这是有待下一步解决的问题。
3.6 注重GSM -R 的电磁环境监视与干扰协调。干扰源主要分为系统内部干扰和系统外部 干扰。系统内部干扰主要是由频率规划和小区规划不当等自身原因造成的同频、邻频干扰等 ；系统外部干扰又分为来自中国移动GSM 网的干扰，CDMA基站下行链路对GSM-R 上行链路的干扰，全频段或部分频段人为故意大信号堵塞干扰等。排除自身因素和人为因素 ，GSM-R 的干扰主要来源于与其共享频率资源的中国移动GSM网络。在如此复杂的电磁环境 中，应对GSM-R 网络进行“无线空中管制”，为列车控制系统创造无“污染”的通信天空。 采用何种方案来与中国移动等单位进行协调，从而保证GSM-R 正常的无线通信环境，将是铁 路面临的一个紧迫而重要的问题。
3.7 构建VPN实现铁路增值业务。目前，GSM-R网络还处于满足铁路基本运输业务需求 的阶 段，随着我国铁路信息化的发展，用户和应用对网络提出新的要求，引入多样化的增值业务 将成为形成铁路信息化体系的重要步骤。VPN技术具有高灵活性、强适应性的特点，很适宜 引入铁路数据通信网中构建铁路数据网VPN业务，为铁路的内部用户服务，既满足了实际 需要，又不必重新建立物理网络，大大节约了投资成本。随着技术的成熟和市场的开放，甚 至还可为社会用户服务。
3.8 探索GPRS在我国的应用。GPRS 是一项以分组交换技术为基础的高速数据处理技术， 理论传输速率可达171.2 kb/s。在铁路上引入GPRS可提高GSM-R系统的容量，我国已实 现利用GPRS 网络传送调度命令。但作为一种非安全的数据传输通道，其性能是否满 足列控业务的需求，是否能满足高速列车的需求，在欧洲和我国都还是一个正在探索的领域 。
3.9 正确处理好GSM-R与3G的关系。GSM-R与固定通信网（PSTN 、PDN、IP、卫星）的发展 紧密关联，与先进的网络技术（软交换、智能网、全光技术）同步发展，与3G移动通信有 着良好的后向兼容性。另外，目前3G 还不是一个成熟的商用通信系统，且规范中还未考虑 铁路特色应用，达不到铁路的安全可靠要求。待到GSM-R 系统大规模应用，3G 系统成熟应 用后，二者势必走向融合之路，实现我国铁路通信事业的进一步发展。
4 实现GSM-R系统的运营对中国铁路发展的重要意义

安徽的合武铁路将在2008 年底建成开通,合武铁路是我国实现GSM-R系统的一项重要举措， 它表明我国铁路系统对GSM-R系统的应用已经从试验改良的阶段过渡到实际使用的阶段。从 南京至合肥至武汉500 多公里客运专线铁路运输将完全在GSM- R 通信系统的指挥下运营,随 着合宁、合武铁路GSM- R 系统的开通使用,整个安徽铁路通信发展将会迈上一个新的台阶, 这必将进一步推动安徽乃至全国既有铁路通信系统的改造,达到全面加快铁路跨越式发展,实 现运输生产力的大幅度提升的目的,争取到2020 年基本实现中国铁路现代化,中国铁路的 现 代化是国民经济的稳步增长的坚实基础。