1、客專 GSM-R 應用系統原理方案設計GSM-R 的業務模型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ASCI（先進語音呼叫業務），其中包括eMLPP（增強多優級與強拆）、VGCS（語音組呼）和VBS（語音廣播），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，使鐵路部門用戶可以在此平臺上開發各種鐵路應用。圖1-1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+鐵路應用調度通信列車自動控制平面調車遠程控制軌道維護鐵路緊急通信

2、高速數字通信尾部風壓檢測區間移動通信旅客業務圖1-1GSM-R系統業務模型示意圖GSM-R 在鐵路中的應用2.1 調度通信調度通信系統業務包括列車調度通信、貨運調度通信、牽引變電調度通信、其他調度及專業通信、站場通信、應急通信、施工養護通信和道口通信等。利用GSM-R進行調度通信系統組網，既可以完全利用無線方式，也可以同有線方式結合起來，共同完成調度通信任務。事實上，在鐵路上的有線通信已經比較完善，因此完全可以利用現有的有線資源，構成GSM-R+FAS（固定用戶接入交換機）的無線/有線混合網絡。這種混合網絡的系統主要由NSS（包括MSC、HLR、AUC、VLR、GCR等）、BSS（包括BSC、

3、BTS）、OSS、固定用戶接入交換機（FixedAccessSwitching,FAS）、調度臺、車站臺，機車綜合通信設備、作業手持臺（OperationalPurposeHandset,OPH）及其固定終端等構成，系統構成及組網方式如圖2-1所示。鐵路沿線采用無線覆蓋，機車上采用無線終端，即機車綜合通信設備，而車站臺和調度臺都是有線終端。采用有線/無線組網方式。在鐵道部、鐵路局設置FAS,就近與MSC連接；沿線車站根據需要設置FAS,接入局FAS,既有線干調網、數字區段調度應改造升級后接入GSM-R網絡，其中車站臺和調度臺通過FAS連接到GSM-RMSC上，從而實現有線和無線用戶的通信。1列

4、車調度通信概述列車調度通信是重要的鐵路行車通信系統，負責列車的位置和運行防線，其主要用戶包括列車調度員、車站（場）值班員、機車司機、運轉車長、助理值班員、機務段（折返段）調度員、列車段（車務段、客運段）值班員、機車調度員。電力牽引變電所值班員、救援列車主任以及其他相關人員。列車調度通信系統的主要問題是解決“大三角”和“小三角”通信，“大三角”通信是指列車調度員、車長值班員和機車司機之間的通信；“小三角”通信是指車長值班員、機車司機和運轉車長之間的通信。2采用GSM-R網絡實現列車調度通信功能GSM-R除支持所有的GSM電信業務和承載業務外，為了滿足鐵路指揮調度的需求，增加了集群通信功能，在GS

5、M標準中定義為高級語音呼叫項目，即ASCI（AdvancedSpeechCallItem）功能。它包括三種業務：優先級業務eMLPP（EnhancedMulti-LevelPrecedenceandPre-emption）、語音組呼叫業務（VoiceGroupCallService）和語音廣播業務VBS（VoiceBroadcastService）。除了包含這三種業務外，為了實現鐵路運營應用，GSM-R還包含另外一些鐵路所特有的功能，及功能尋址，基于位置的尋址等。（1）優先級業務eMLPP業務規定了在呼叫建立或越區切換時呼叫接續的不同優先級，以及資源不足時的資源搶占能力。這種業務提供了一種強制

6、能力符合列車調度通信的調度特點。（2）語音組呼業務（VGCS）語音組呼業務（VGCS）是指一種由多發參加（GSM-R移動臺或固網電話）的語音通信方式，其中一人講話、多發聆聽，工作于半雙工模式下。發起VGCS呼叫時，可用一個組功能碼（組ID）來呼叫所有該組成員。組ID標識該組的功能，既由哪些身份的成員參加；組呼區域是指VGCS通信說覆蓋的地理范圍，以無線蜂窩小區為基本單位。組ID與組呼區域的結合稱作組呼參考，即組呼參考惟一的確定一個VGCS通信。呼叫建立之后，講tB人可以改變，一旦VGCS發起停止講話，系統示意其釋放上行信道，所有的組內成員都能接到通知，如果其他人想成為下一個講話人，可使用PTT

7、功能來申請上行信道。（3）語音廣播呼叫（VBS）語音廣播呼叫允許一個業務用戶，將話音或其他用話編碼傳輸的信號發送到某一個預先定義的地理區域內的所有用戶或者用戶組。顯然，它工作于單工模式下。VBS中的講話沒有像VGCS中的角色轉換，就是說，講話者（發起者）只能講，聽話者調度臺FAS車站值班員鐵道部鐵路局調度臺（接收者）只能聽，因而可以看作是VGCS的最簡單形式。它也是用組功能（組ID）來呼叫所有該組成員。同VGCS一樣，語音廣播呼叫也提供了點對多呼叫的能力，適用于鐵路的行車調度。（4）功能尋址（FA）功能尋址是指用戶可以由它們當時所擔當的功能角色，而不是它們所使用的終端設備的號碼來尋址。在同一時

8、刻，至少可以為一個用戶分配若干功能地址，但只能將一個功能地址分配給一個用戶。用戶可以向網絡注冊和注銷功能地址。（5）基于位置的尋址（LDA）基于位置的尋址是指網絡將移動用戶發起的用于特定功能的呼叫，路由到一個與該用戶當前所處位置相關的目的地址，正確的調度員或者車站值班員由主叫移動用戶當時所處的位置來確定。列車調度的語音通信需求可以歸結為：點對點通信，多方通信，語音組呼，語音廣播呼叫。點對點通信，移動臺呼叫固定臺，即從移動臺到固定臺的尋址，由于固定臺位置是不動的，故可以采用基于位置的尋址；固定臺到移動臺，移動臺處于不斷移動的狀態，故不能采用基于位置的尋址，而采用功能尋址。2.2 列車自動控制車地

9、之間的信息傳輸通道采用雙向無線通信。地面控制中心或基站所發出信號由列車上的天線接收。基于GSM-R傳輸平臺，提供車地之間雙向安全數據傳輸通道。準確的定位由GPS或其他的定位服務經GSM-R傳輸獲得，ATC將最終代替現有的信號和列車控制系統。系統構成及組網方式如圖2-2所示。圖2-2GSM-R列車自動控制系統構成及組網方式中國列車控制系統（CTCS）是在采用傳統的閉塞系統或者移動閉塞系統的條件下，增加列車自動控制功能的超速防護系統。同時，它也是一個駕駛輔助系統，幫助司機以安全的方式駕駛列車。根據國情路情實際出發，CTCS共劃分為5級。其中CTCS3級（基于軌道電路和無線通信的固定閉塞系統）和CT

10、CS4級（完全基于無線通信的移動閉塞系統）與GSM-R有著密切關聯。CTCS3級系統是一個基于軌道電路和無線通信系統（GSM-R）的列車運行控制系統。在CTCS3級系統中，車載設備應與地面設備配合工作，列車按固定閉塞方式運行，由無線閉塞中心（RBC）控制，利用無線通信系統（GSM-R）在車地之間雙向傳輸信息，車載設備無線通信模塊，應答器作為定標設備。機車信號為主體信號，可以取消地面信號。另外，利用軌道電路或記軸設備進行軌道占用及列車完整性檢查，但它們不屬于CTCS3級的設備。CTCS4級是一個完全基于無線通信（GSM-R）的列車運行控制系統。 該系統具有移動自動閉塞的特征。 區間占用靠GPS和

11、GSM-R實時數據傳輸解決（站內仍需軌道電路）。列車完整性檢查、定位校核分別靠車載設備和點式設備實現，使得室外設備減少到最低程度。采用GSM-R實現車地間雙向無線數據傳輸，代替目前的用軌道電路來傳輸色燈信號的指令，是基于無線通信系統的列車運行控制系統的關鍵技術，它具有以下明顯的優勢：基于GSM-R傳輸平臺，提供車地之間雙向安全數據傳輸通道；無盲區、設備冗余、加密；滿足列車控制響應時間的要求。2.3 平面調車調車機車信號和監控信息傳送系統主要功能是提供調車機車信號和監控信息傳輸通道，實現地面設備和多臺車載設備間的數據傳輸，并能夠存儲進入和退出調車模式的有關信息。多臺調車機同時作業時，地面設備使用

12、連選功能，與每臺車載設備分別建立電路連接。2-3,包括調車機車信號和監控車載設備 （簡稱車載設備）、GSM-R網絡和GSM-R機車綜合通信設備。圖2-3GSM調車機車信號和監控信息傳送系統結構圖為保證可靠性，系統通信方式采用點對點電路連接，當GSM-R機車綜合通信設備接收到車載設備發送的進入調車監控模式命令時，自動按分配給地面設備的功能號進行基于位置的呼叫，GSM-R網絡接受到功能號呼叫后將路由指向對應的地面設備，在地面設備與車載設備之間建立一條電路鏈路，同時操作顯示終端提示處于調車監控模式。地面設備發送數據時根據信息內容中的機車號選擇對應的端口將數據轉發，GSM-R機車綜合通信設備接收到數據

13、后按照目的端口碼轉發給車載設備。車載設備將數據通過已建立的數據鏈路發送給GSM-R機車綜合通信設備，GSM-R機車綜合通信設備再把數據通過鏈路發送到地面設備。當GSM-R機車綜合通信設備接收到車載設備發送的退出調車監控模式命令時，GSM-R機車綜合通信鏈路設備則釋放電路鏈路。2.4 遠程控制長期以來地面信號發碼設備的維護技術手段以現存的電務試驗車、人工添乘觀察為主，存在監測間隔長、無法遠程動態監測等局限，已不能適應鐵路發展的需要。隨著JT1-CZ2000機車信號車載系統和無線通信、計算機技術的應用與發展，尤其是基于GSM的機車信號遠程監測控制裝置，對提升機車信號設備的管理和維護水平，實現系統狀

14、態修，提高地面、車載系統的綜合可靠性，具有較大的現實意義并具備良好的示范效應。基于GSM-R的機車信號遠程動態監測控制系統由車載和地面兩部分構成。車載終端與地面設備通過GPRS與GSM-R構成星形網絡，采用TCP/IP協議進行數據通信，系統結構圖如圖2-4所示。車載終端采集機車信號的輸出信息和工作狀態、軌道電路信號及TAX機車輔助信息等，并將這些數據以無線方式發給地面設備，通過服務端與客戶端的數據處理與顯示，實時提供機車信號的運用狀態。GSM-R調車機車信號與監控系統構成見圖調車機車信號和監控地面設備（簡稱地面設備）圖2-4基于GSM-R的機車信號遠程動態監測控制系統結構圖遠程動態監測數據包括

15、：地面軌道電路信號，信號載頻、信號低頻、信號幅度等；機車信號設備輸出信息，燈位、速度等級、絕緣節等；機車信號設備工作狀態數據，主機狀態、電源狀況、信號制式、司機室溫度、譯碼設置等；機車安全信息綜合監測控制裝置數據信息，車次號、車站號、公里標、速度、機車號、信號機等。2.5 軌道維護地震、強風、暴雨洪水等這些災害，目前人類還難以抗拒，對列車軌道有一定的影響，因此應用GSM-R結合提速線路通過地區實際可能發生的災害，建立相應的監測、預警系統并制定各種預防措施，控制列車運行速度，防止事故發生和避免災害破壞，是現代鐵路中不可缺少的重要措施。該軌道監測系統利用安裝在軌道上的各種傳感器監測軌道狀態，在軌道

16、發生損壞后短短的幾秒鐘到十幾秒后，軌道的實時狀態通過GSM-R信號傳輸設備傳送到沿線無線基站，進一步傳送到綜合調度中心，防撞監控TDCS 車站設備2.6 鐵路緊急通信應急通信系統是當發生自然災害或突發事件等影響鐵路運輸的緊急情況時，為確保實時救援指揮通信需要，在突發事件現場與救援中心之間，以及現場內部建立語音、圖像、數據通信系統，它是鐵路戰備通信系統的重要組成部分，應做到迅速準確、可靠暢通、機動靈活。基于GSM-R移動通信的應急通信系統話音業務包括鐵路緊急呼叫和eMLPP業務，鐵路緊急呼叫是指具有“鐵路緊急優先級”的呼叫，用于通知司機、調度員和其他處于危險級別的相關人員， 要求停止在預先指定地

17、區內的用戶或用戶組， 所有鐵路緊急呼叫都應使用GSM語音組呼規范。eMLPP業務規定了在呼叫建立時的不同優先級，以保障通信的快捷暢通。eMLPP業務的實現需要GSM-R網絡的支持，對于每個用戶，需要在HLR、VLR、GCR（組呼寄存器）、SIM卡中存儲相關的優先級信息。HLR中需要存儲每個用戶的如下信息：eMLPP邏輯狀態，如是否簽約、是否注冊、是否激活等；用戶所簽約的最高優先級；用戶所定義的缺省優先級。用戶所定義的默認優先級是用戶發起呼叫時的默認選擇，用戶可以通過一個注冊過程向網絡定義此缺省優先級。如果用戶簽約了eMLPP業務，當用戶注冊到VLR時，HLR需要向VLR傳送該用戶的eMLPP邏

18、輯狀態、可用的最高優先級和用戶定義的缺省優先級等信息。圖2-6顯示了在eMLPP可用邏輯狀態之間的成功轉移情況。2.7 高速數字通信GSM-R車次號傳輸與列車停穩信息對鐵路運輸管理和行車安全具有重要的意義，它可通過基于GSM-R電路交換技術的數據采集傳輸應用系統來實現高速數據傳輸，也可以采用GPRS（通用分組無線業務）方式（用戶數據報UDP協議）來實現。系統由GSM-R網絡（疊加GPRS）、監控數據采集處理裝置、GSM-R機車綜合通信設備、TDCS（列車調度指揮系統）/CTC（調度集中）設備等組成。系統構成見圖2-7o當通信方式為GPRS方式時，該系統可實現車次號傳送的目的地IP地址自動更新，

19、按要求進行車次號信息和列車停穩信息傳送，能對發送的車次號信息、列車停穩信息進行存儲，TDCS/CTC可向采集處理裝置查詢車次號信息。通信過程如下：采集處理裝置在安裝前需要進行歸屬目的IP地址的設置。采集處理裝置開機后與GSM-R機車綜合通信設備握手，按照設置的歸屬目的IP地址向TDCS/CTC申請車次號傳送的當前目的IP地址。當TDCS判斷運行列車即將離開管轄區時，將接管轄區的目的的IP地址發送給運行列車的采集處理裝置，采集處理裝置則根據該信息進行目的IP地址的更新。采集處理裝置則根據該信息進行目的IP地址的更新。采集處理裝置接收機車安全信息綜合監測裝置廣播的信息進行實時分析，通過GSM-R機

20、車綜合通信設備發送一次車次號信息。列車停穩時采集處理裝置向CTC發送一次列車停穩信息。發送車次號或列車停穩信息的同時向操作顯示終端發送一次相同信息。TDCS/CTC根據需要可向運行列車上的采集處理裝置查詢車次號信息。需要查詢機車IP地址時，TDCS可利用機車號向GSM-R網絡的域名服務器（DNS）運行域名查詢獲得對應關系。采集處理裝置根據需要向GSM-R機車綜合通信設備查詢有關聞之信息。調度命令數據傳輸也可采用基于GSM-R電路交換技術的數據采集傳輸應用系統來實現高速數據傳輸。系統由GSM-R網絡（疊加GPRS）、GSM-R機車綜合通信設備（含操作顯示終端、打印終端）、TDCS設備等組成。通信

21、過程如下：TDCS通過車次號信息建立運行區段機車號對應的IP地址檔案，列車離開本區段時將檔案拆除。調度員和車站值班員可在終端上編輯調度命令（系統根據車次號自動將相應的機車號填入），當按下調度命令發送鍵，TDCS根據調度命令中的機車號查找相應的目的IP地址并將調度命令發送。司機可通過操作顯示終端接收并處理調度命令。TDCS收到確認信息要在調度命令發送方顯示。2.8尾部風壓檢測將尾部風壓數據反饋傳輸通道納入GSM-R,可避免單獨投資及單獨組網建設，同時利用GSM-R強大的網絡功能，克服了原因的抗干擾性差、信息無法共享等各種缺點。它具有以下優勢：尾部風壓狀態隨時通過車尾裝置傳輸；機車司機隨時可以查詢

22、、反饋車尾工作狀態；在復線區段或臨時，追蹤列車之間不會相互干擾；在隧道內也能傳輸。利用GSM-R網絡電路交換的數據通信功能，可以方便地解決尾部風壓數據傳輸問題。圖2-8所示為按需建立電路連接方式的尾部風壓檢測系統結構。圖2-8數據通信傳輸方式的尾部風壓檢測系統在車頭的司機查詢器和車尾的風壓檢測器上分別安裝GSM-R通信模塊，兩者就可以利用GSM-R的電路數據功能風壓數據。當司機查詢尾部風壓時，車頭通信模塊首先與車尾通信模塊建立電路連接，然后向車尾的模塊發送查詢數據報，在收到該數據包后，車尾模塊檢測風壓并封裝在數據包中發送給車頭裝置。同時，若風壓超過警界限，車尾模塊也將首先與車頭模塊建立數據鏈路

23、，然后向車頭顯示器發送數據包以調度臺調度臺調度臺報告險情。概況起來，無論是司機主動查詢風壓，還是車尾自動報警，本方的通信模塊都要首先與對方建立通信電路，然后再進行數據包的交互，待所有事務都結束后，在掛斷通信連接。一般情況下，通信電路連接的建立時間為5s左右。與前面所述的幾種數據傳輸類似，列為裝置信息也可以通過GPRS方式進行傳輸，此時，列車主要注冊其IP地址，并建立列為主機與機車綜合通信設備惟一對應關系。2.9區間移動通信在區間作業的水電、公務、信號、通信、供電、橋梁守護等部門內部的通信，均可以使用GSM-R作業手持臺，作業人員在需要時可與車站值班員、各部門調度員或自動電話用戶聯系。緊急情況下

24、，作業人員還可以呼叫司機，與司機建立通話聯絡。圖2-9為區間移動通信系統結構示意圖。主要功能有：能夠呼叫當前車站的車站值班員和助理值班員；緊急情況下，能夠呼叫當前調度員；能夠在預定義的范圍內發起組呼和廣播呼叫；能夠發起鐵路緊急呼叫和公眾緊急呼叫；能夠接收來自其他授權用戶的呼叫；能夠接收語音組呼和廣播呼叫。鐵路緊急呼叫是指具有“鐵路緊急優先級”的呼叫，用于通知司機、調度員和其他處于危險級別的相關人員，要求停止在預先指定地區內的所有鐵路活動。根據鐵路運營存在的緊急情況，這些呼叫被連接到事先定義的用戶或用戶組，所有鐵路緊急呼叫都應符合GSM語音組呼規范。這些緊急呼叫不包括公共緊急呼叫，如119。2.

25、10 旅客業務旅客列車移動信息服務可包括移動售票和旅客列車移動互聯網等服務。可靠車地傳輸系統（基于GSM-R電路交換）的出現，是在列車上完成的移動售票成為可能。在列車上乘客可以通過售票終端完成客票查詢、訂票、購票或者補票業務，在通過車地數據傳輸系統將客票信息實時傳送到地面上的票務中心，以及時更新客票信息。列車旅客信息服務系統是為列車上具有一定接入條件（如筆記本電腦、PDA手機等）的旅客提供互聯網的業務。然而當今互聯網的業務日新月異，千變萬化，而列車時一個高速的移動體，所以在此前提下，應該優先開展如下業務：,電子郵件；基于WEB的新聞瀏覽；鐵路相關信息服務（如列車運行時刻表查詢）；旅客移動位置業

26、務；在線電影；網絡游戲；網上聊天。按照功能來分，整個系統可以分為應用子系統和通信子系統。應用子系統包括地面應用實體和車載應用實體，而通信子系統包括通用數傳電臺、鐵路綜合信息接入平臺以及GSM-R/GPRS網絡。我們可以這樣理解： 通信子系統為應用子系統提供的是承載業務， 而應用子系統就是承載業務的用戶， 它的數據對于通信子系統來說是透明的。從另一個角度來講，鐵路綜合信息無線接入系統分為車載子系統和地面子系統兩大部分。圖2-10為鐵路綜合信息無線接入系統結構圖。車載應用 1車載應用 n車載應用 1車載應用 n通用數傳電臺（GDT）通用數傳電臺（GDT）車載1.車載子系統車載應用實體的作用是采集數

27、據，發送到通用數傳電臺，或者接收通用數傳電臺發來的地面數據。通用數傳電臺里包括一個GPRS車載終端，主要作用是與地面鐵路綜合信息無線接入平臺建立并保持一條通信鏈路，為車載應用實體提供接入接口、接收來自車載應用實體的數據、發送到綜合信息無線接入平臺；同時能接受來自綜合信息無線接入平臺的數據，轉發給相應的車載應用實體。通用數傳電臺可以連接多個車載應用實體。通用數傳電臺與車載應用實體之間的硬件接口可以是RS-232、RS-485或者局域網，但是接口上采用統一的數據傳輸格式。每個車載應用實體都被分配一個優先級，應用類型與優先級之間的關系存儲在通用數傳電臺中。高優先級的數據優先發送，同優先級的數據按時間

28、順序發送。1.地面子系統地面子系統包括綜合信息無線接入平臺以及各種地面應用實體。綜合信息無線接入平臺負責接收車載通用數傳電臺的鏈路連接請求，對其進行安全認證鑒權并與之建立一條透明的數據傳輸通道。綜合信息無線接入平臺可以同時接入多個車載應用實體。在綜合信息無線接入平臺中有一個對應關系表，能夠根據每條信息的類型不同將其在相應的地面應用實體和車載應用實體之間正確的傳輸。綜合信息無線接入平臺保證各種地面應用實體在傳送數據時能夠平均分配到通信資源，即不允許某個地面應用實體獨占資源。地面應用實體負責與綜合信息無線接入平臺建立一條可靠的通道，所有要發往車載應用實體的信息都必須按照規定好的格式封裝成一條一條的信息后發送給綜合信息無線接入平臺。由綜合信息無線接入平臺根據路由信息通過G