GSM-R无线通信.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流GSM-R无线通信.精品文档.1目录1.国内外发展状况12.CTCS系统22.1.基本功能32.2.系统工作原理32.3.CTCS应用等级33.CTCS3系统体系.54.CTCS系统的关键设备64.1地面设备64.2车载设备5.无线通信GSM-R85.1 GSM/GSM-R工作原理85.2 GSM-R网络结构和功能136.参考文献187.心得小结192引言随着我国铁路建设新一轮高潮的到来，今后新建的客运专线，城际铁路，高速铁路，均采用 GSM-R 系统作为其综合无线通信系统，因此我国未来铁路无线通信系统平台必将建立在 GSM-R 的系统平台上

2、。本文对CTCS3系统的车载设备和地面设备进行了简单介绍。着重探讨了 GSM-R 网络的系统结构和GSM/GSM-R工作原理。1.国内外发展状况近年来随着人工智能技术，计算机及其相关技术的飞速发展，世界各国都开始了用高新技术改造传统铁路运输模式的研究，目的在于提高铁路运输效率，增强铁路运营安全，提高服务质量，减少环境污染。如作为欧洲21世纪干线铁路总统解决方案的欧洲铁路运输管理系统ERTMS，法国铁路的连续实时追踪自动化系统ASTREE，日本新干线的列车运营管理系统COMTRAC和COSMOS,北美的先进列车控制系统ATCS，列车间隔控制系统PTS和PTC，美国旧金山港湾铁路的先进列车控制系统

3、AATC，日本的新一代列车控制系统ATACS及计算机和无线电辅助列车控制系统CARAT等。其中代表世界先进水平的高速铁路列控系统的如德国LZB系统：采用轨道环线电缆传送列控信息；日本DS-ATC系统：采用有绝缘的数字轨道电路传送列控信息；法国UM2000+TVM430系统：采用无绝缘数字轨道电路传送列控信息（分级控制）；但以上三种高速列控系统均采用大量专有技术，相互间不兼容，技术平台不开放。欧洲ETCS系统：为实现欧洲铁路互联互通，欧盟组织确定了适用于高速铁路列控的标准体系，技术平台开放；基于GSM-R无线传输方式的ETCS2系统，技术先进，并已投入商业运营；欧洲正在建设和规划的高速铁路均采用

4、ETCS列控系统，是未来高速列车控制系统的发展方向。 我国铁路地域广大、列车种类繁多、提速以后线路允许速度不统一，同为绿灯却有多种速度含义。另外，我国铁路行车主要特点是客货混跑、高低速列车共线运行，这样必然要求客货列车均需装备ATP，从而使得我国发展ATP的难度明显大于国外。 我国铁路实行以地面信号为主、以机车信号为辅的行车方式，对列车运行实行开环控制，依靠司机严守信号保证行车安全。因此，习惯于现有机车信号监控装置的控车模式。目前，机车普遍安装的通用机车信号未达到主体化的水平。机车信号基于轨道电路和站内电码化，但轨道电路制式繁多，有的根本不能满足“主体化”的要求，将面临淘汰。信号基础装备薄弱，

5、影响了是我国ATP的发展。GSMR移动通信系统用于铁路信号、用于ATP系统和铁路综合移动信息平台，技术上有明显优势，产品得到多家厂商的支持，这在欧盟已得到证明。我国GSM-R网络建设还在起步阶段，影响了基于GSM-R的CTCS的实施。我国铁路第六次大面积提速调图推出了一系列重大技术创新成果，铁道部经过深入研究和科学论证，立足于我国技术和设备，参照国际相关标准和经验，提出了符合我国技术政策和铁路运输需要的中国列车运行控制系统CTCS技术体系和总体规划，在我国大力发展CTCS系统以保证列车安全运行，并以分级形式满足不同线路运输需求的列车运行控制系统。第六次大提速200km/h区段装备列车运行控制系

6、统，CTCS-2级区段延展里程5500余公里，TVM430区段延展里程760余公里，共计延展里程6260公里，涉及十个铁路局的7条干线，包括16个区段，250余个车站。2.CTCS系统2.1.CTCS系统的基本功能(1)列控系统的车载信号是列车运行的凭证。(2)按列车运行安全制动距离，自动调整列车运行追踪间隔。(3)防止列车运行速度超过线路允许速度、道岔侧向规定速度以及列车构造速度，保证列车运行安全；列车运行超速时，由列控设备自动实行减速或制动停车。(4)防止列车冒进关闭的禁止信号机(或点)。(5)监督列车以低于30 kmh的速度进行出入库作业。(6)与机车自身速度控制系统结合，实现对列车减速

7、、缓解、加速的自动控制。(7)与列车调度系统结合，实现对列车的简单自动驾驶。(8)由车载测速单元获取列车走行速度和列车的位置。通过每一个轨道区段分界点或应答器时，列车的测距系统将校正一次，以提高目标距离的精度。(9)根据接收的地面中心信息，车载设备进行实时处理。车载设备应连续向司机显示下列行车内容：目标速度、目标距离、允许速度、实际速度，以及其他辅助报警显示：超速、制动、缓解和故障。2.2CTCS基本功能（1）系统按照故障-安全原则，在任何情况下防止列车无行车许可证运行。（2）防止列车超速运行，包括列车超过进路允许速度、线路结构规定的速度、机车车辆构造速度、临时限速和紧急限速、铁路有关运行设备

8、的限速；能够以字符、数字及图形等方式显示列车运行速度、允许速度、目标速度和目标距离；能够实时给出列车超速、制动、允许缓解等表示以及设备故障状态的报警。（3） 防止列车溜逸。2.3工作原理当列车运行在区间时,由ZPW2000轨道电路传输连续信息,包括行车许可、空闲闭塞分区数量和道岔限速、线路长度、线路坡度、线路固定限速和列车定位等。当列车运行在车站时,由无线机车信号传输连续信息和点式信息,其中连续信息包括进站信号、出站信号等,点式信息包括进路、股道号、股道长度及临时限速的起点里程、长度、速度、车次、起止时间等。 车站列控中心功能由无线机车信号地面设备和CTC 或TDCS 站机及其车务终端实现。无

9、线机车信号地面控制柜从CTC 或TDCS 分机获取临时限速值,从联锁获取进路信息,通过无线直接发送到车载ATP 设备。在预告信号机处设置无源应答器(可与区间应答器共用) 作为无线机车信号启动和结束标志,无线机车信号地面设备依此实现列车的注册和注销并建立列车与进路的对应关系。 动车组车载ATP设备根据地面提供的列控动态信息、线路静态信息、临时限速信息及有关动车组数据,生成控制速度和目标2距离模式曲线,控制列车运行。车载ATP设备主要控制模式分为:完全监控模式、部分监控模式、目视行车模式、调车模式、隔离模式和机车信号模式。同时,记录单元对列控系统有关数据及操作状态信息实时动态记录。2.4.CTCS

10、应用等级中国列车运行控制系统CTCS规范中，根据功能要求和设备配置划分应用等级04级。CTCS应用等级0：由通用机车信号+列车运行监控装置组成，为既有系统。CTCS应用等级1：由主体机车信号+安全型运行监控记录装置组成，点式信息作为连续信息的补充，可实现点连式超速防护功能。CTCS应用等级2：是基于轨道传输信息并采用车一地一体化系统设计的列车运行控制系统。可实现行车指挥联锁列控一体化、区间一车站一体化，通信一信号一体化和机电一体化。CTCS应用等级3：是基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统。其点式设备主要传送定位信息。CTCS应用等级4：是完全基于无线传输信息的列

11、车运行控制系统。地面可取消轨道电路，由无线闭塞中心和车载验证系统共同完成列车定位和完整性检查，实现移动闭塞。3.CTCS3系统体系结构CTCS3级列控系统是基于无线传输信息并采用传统方式检查列车占用的列车运行控制系统。面向提速干线、高速新线或特殊线路，基于无线通信的自动闭塞或虚拟自动闭塞，它可以叠加在既有干线信号系统上。CTCS3级适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机，司机凭车载信号行车，满足客运专线和高速运输的需求。CTCS3级列控系统采取目标距离控制模式和准移动闭塞方式。同时具有CTCS2级功能。如图3-1所示。图3-1 CTCS3级运行示意图CTCS-3级列控系统包括地面设备和车载设

12、备。地面设备由移动闭塞中心（RBC）、列控中心（TCC）、ZPW-2000（UM）系列轨道电路、应答器（含LEU）、GSM-R通信接口设备等组成；车载设备由车载安全计算机（VC）、GSM-R无线通信单元（RTU）、轨道电路信息接收单元（TCR）、应答器信息接收模块（BTM）、记录单元（JRU/DRU）、人机界面（DMI）、列车接口单元（TIU）等组成。RBC根据轨道电路、联锁进路等信息生成行车许可，并通过GSM-R无线通信系统将行车许可、线路参数、临时限速传输给CTCS-3级车载设备；同时通过GSM-R无线通信系统接收车载设备发送的位置和列车数据等信息。TCC接收轨道电路的信息，并通过联锁系统

13、传送给RBC；同时，TCC具有轨道电路编码、应答器报文储存和调用、站间安全信息传输、临时限速功能，满足后备系统需要。应答器向车载设备传输定位和等级转换等信息；同时，向车载设备传送线路参数和临时限速等信息，满足后备系统需要。应答器传输的信息与无线传输的信息的相关内容含义保持一致。车载安全计算机根据地面设备提供的行车许可、线路参数、临时限速等信息和动车组参数，按照目标距离连续速度控制模式生成动态速度曲线，监控列车安全运行。4.CTCS3系统的关键设备4.1.地面设备图4-1 CTCS-3级地面设备结构1）无线闭塞中心（RBC）CTCS3系统地面设备的主要特点在于采用全线RBC设备集中设置。CTCS

14、-2级作为CTCS-3级的后备系统。无线闭塞中心（RBC）或无线通信故障时，CTCS-2级列控系统控制列车运行。在CTCS-3级列控系统中，RBC的主要功能包括：通过列车的CTCS识别码获得列车的信息；通过轨道电路提供的列车占用信息跟踪区域内列车；根据微机联锁、轨道电路等系统提供的信息，生成管辖内每一列车的运行许可；接收调度集中系统（CTC）提供的临时限速信息；向管辖内列车传送列车当前运行许可、临时限速及线路参数。综合考虑各种限制条件、运行调试和维修维护的便利性，RBC主机一般集中设置。RBC设备采用硬件安全比较冗余结构，其设备配置如图8-41所示，设备配置包括：无线闭塞单元（RBU）、协议适

15、配器（VIA）、RBC维护终端、司法记录器（JRU）、ISDN服务器、操作控制终端和交换机等设备组成。操作控制终端：RBC操作控制终端由服务器和工作站组成，主要可完成站场图形显示、进路及列车运行情况显示、列车的登记与注销、紧急操作以及RBC系统的维护与诊断等功能。本地维护终端：每台RBC设有一个维护终端，为维护工程师及其他技术人员提供与RBU接口。主要功能包括：监视RBU处于工作状态，还可以通过它切换RBU工作状态；告警提示；读取由RBU存储的诊断数据（包括来自安全传输单元的数据）；下载系统日志；设定时间和日期。司法记录器：司法记录器将RBC所有状态以及列车报告的数据和状态均记录下来，以备分析

16、检查。ISDN服务器：通过ISDN服务器为RBC提供通话路由。2） 应答器应答器用于向CTCS-3级列控系统车载设备提供位置、等级转换、建立无线通信等信息，同时对CTCS-2级列控系统车载设备提供线路速度、线路坡度、轨道电路、临时限速等线路参数信息。应答器报文信息格式采用铁道部统一的技术标准，应答器设置满足CTCS-3系统、兼容CTCS-2系统的要求。3）LEULEU通过串行通信接口与TCC设备连接，将来自TCC的报文连续向有源应答器发送，从而实现向车载设备发送可变信息。当LEU与TCC通信故障或接收的数据无效时，LEU向有源应答器发送默认报文。4） 轨道电路l 区间轨道电路区间采用计算机编码

17、控制的ZPW-2000（UM）系列无绝缘轨道电路，轨道电路的传输长度满足相关技术条件的要求。轨道电路的正常码序为：L5-L4-L3-L2-L-LU-U-HU，满足CTCS-2级300km/h速度列车安全运行的要求。l 站内轨道电路复杂大站：正线及股道区段采用计算机编码控制的ZPW-2000（UM）系列有绝缘轨道电路，其它区段采用25Hz轨道电路。一般车站：全站采用与区间同制式的、由计算机编码控制的ZPW-2000（UM）系列有绝缘轨道电路。为避免邻线轨道电路的干扰，当站内横向相邻同方向载频的轨道电路长度超过650m（线间距不小于5m）时，应对轨道电路进行分割。5） 列控中心（TCC）TCC是C

18、TCS-2级列控系统地面子系统的核心部分。根据轨道区段占用信息、联锁进路信息、线路限速信息等，产生列车行车许可命令，并通过轨道电路和有源应答器，传输给车载子系统，保证其管辖内的所有列车的运行安全。TCC采用22取2安全计算机平台，具有技术成熟、可靠等特点。TCC之间通过安全局域网进行连接，实现TCC之间、与车站联锁之间安全信息传输。CTCS-3级列控系统各车站、线路所及中继站均设置一套TCC，中继站距离一般不超过15公里，特殊困难地段不能超过20公里。4.2CTCS3车载设备车载设备采用分布式机构。设备包括车载安全计算机（VC）、GSM-R无线通信模块（RTM）、轨道电路信息接收单元（TCR）

19、、应答器信息接收模块（BTM）、记录器（JRU）、人机界面（DMI）、列车接口单元（TIU）等。车载设备总体结构如图4-3所示。车载设备采用分布式结构。设备包括车载安全计算机（VC）、应答器信息接收模块（BTM）、轨道电路信息接收单元（TCR）、测速测距单元（SDU）、人机界面（DMI）、列车接口（TIU）、司法记录单元（JRU）、GSM-R无线通信单元（RTU）、动态监测接口等。车载设备与动车组的接口采用继电器或MVB总线方式。车载设备中的车载安全计算机（VC）、应答器信息接收模块（BTM）、安全输入输出接口（VDX）、轨道电路信息接收单元（TCR）、测速测距单元（SDU）、人机界面（DMI

20、）等关键设备均采用冗余配置。车载安全计算机中的CTCS-3控制单元和CTCS-2控制单元独立设置，CTCS-3控制单元负责在CTCS-3线路正常运行时的核心控制功能，CTCS-2控制单元负责后备系统的核心控制功能。300km/h动车组不装设列车运行监控装置（LKJ）。图4-3车载设备总体结构5GSM-R系统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的要求。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

21、；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

22、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5-1所示。图5-1 GSM与GSM-R的关系业务模型5.1 G

23、SM/GSM-R工作原理蜂窝移动通信系统诞生于 20 世纪 80 年代，第一代的模拟蜂窝系统解决了移动电话业务中长期存在的阻塞和服务质量差的问题。随着数字通信技术的发展，模拟蜂窝系统在用了十年左右的时间就被淘汰了，新的数字移动通信系统称为移动通信的主流。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数字蜂窝网络。5.1.1面状覆盖5.1.1.1小区形状在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 30%100%。因此采用六边形的设计需要较少的小区，较少的发射基站。5.1.1.2频率复用 在蜂窝系统中，系统会给每一个小区的基站分配

24、一组信道，只要相隔距离足够远，相同的信道可以在另一个小区重复使用，这就是频率复用的思想。我们把由若干个使用全部频率的小区组成的集合称为一个簇，把不同簇中使用相同频率的小区称为同频小区，任意两个同频小区之间的距离称为同频复用距离。为了避免同频小区之间的干扰，必须选定一个合适的同频复用距离。图5-2 寻找同频小区的方法构成一个簇必须满足：簇的区域能彼此邻接且无空隙地覆盖整个面积；相邻簇间同频小区的距离相等且为最大。设一个簇中的小区数为 N，满足以上条件的 N 的取值是有限的，可以通过式 2-1 确定 N的值。 （式 5-1） 其中，i，j 为非零正整数。这一公式提供了寻找最近的同频小区的方法：沿某

25、一小区的任意一条六边形链移动 I 个小区后，逆时针旋转 60 度后再移动 j 个小区，此时到达的小区即为同频小区。图 5-2 为 i=3，j=2，N=19 的情况。 设两个同频小区之间的同频复用距离为 D，小区的半径为 R，可用下式计算 （式 5-2） 由 5-2 式可见，小区的半径越小，同频复用距离就越小，频率利用率就越高。但是如果同频复用距离 D 越小，同频小区之间的干扰就会越大。为了更好的表达频率复用率与系统容量之间的关系，我们引用 D 与 R 的比值来作为衡量系统容量的一个重要参数，这一比值称为同频复用比，用 Q来表示： （式 5-3） 可见，Q 的值只与簇的大小有关，Q 的值越小，系

26、统容量越大；但是 Q 值大可以提高传播质量，因为同频干扰小。在实际的蜂窝系统设计中，要恰当的选择 Q值，在 容量和干扰之间进行折衷。目前常用的蜂窝网簇的结构有 N=12、9、7、4 和 3。5.1.1.3 提高系统容量的方法 随着用户数量的增长，需要不断地提高蜂窝系统的容量。实际中常使用的提高蜂窝系统容量的方法有小区分裂和划分扇区。小区分裂根据用户密度的变化，在现有小区的基础上划分更小的小区来提高频率复用率。划分扇区利用天线的方向性来控制干扰，从而提高系统容量。5.1.1.4位置理论 在蜂窝网络中有以下几类与区域有关的概念： 小区：一个 BTS所覆盖的全部或部分区域（扇区） ，是最小的可寻址无

27、线区域。 位置区：移动台可以任意移动但不需要进行位置更新的区域，一个位置区可由一个或多个小区组成。当 MSC 寻找移动台时，只需要在移动台所属的位置区进行呼叫，而不需要在整个 MSC 区内呼叫移动台，如图 5-4。 MSC区： 一个 MSC 管辖下的所有覆盖区域， 一个 MSC 区可有一个或若干个位置区组成。 服务区：移动用户可以获得服务的所有区域。 MSC 可以通过位置区识别码（LAI）和全球小区识别码（GCI）来识别位置区和小区。位置区识别码由三部分组成：LAI = MCC+MNC+LAC，全球小区识别码是在 LAI的基础上再加上小区识别码（CI）构成的，其结构为 GCI = MCC+MN

28、C+LAC，GCI可以全球范围内唯一地标识一个小区。 MSC 可以通过 BSC 的信令点代码（CCS7 地址）寻址一个小区，虽然在呼叫建立的过程中 MSC 不需要知道用户所在小区的位置，但是为了测量话务量 MSC 仍需要知道用户所在的小区。用户在 MSC 的 VLR 中的位置不是建立在小区的基础上的。在 VLR 中存储的是用户的位置区，即利用位置区来寻找用户。可以将一个或多个位置区为一地分配给一个 BSC，通过BSC 的信令点代码在所在的 MSC 中实现位置区和所有小区的地址逻辑。 还可以给小区分配一个位置标志码， 它是一个与小区相关的完整的电话号码， 可以用作 GSM 紧急呼叫的拨号信息，或

29、者用来替代该信息，用作紧急呼叫的拨号短代码。图5-4小区和位置区越区切换时移动用户从一个MSC/VLR切换到另一个MSC/VLR区域中， 因此前一个MSC必须知道后一个 MSC 的位置区。对于一个 MSC，它不仅应该知道与它相邻的、可能发生越区切换的 MSC 的位置区，还应该知道其他的一些外部位置区。 移动用户在位置区中必须进行位置登记，移动台的位置信息储存在位置寄存器功能单元（HLR 和 VLR）中。移动台要不断地向 MSC 的 VLR 提供自己的位置信息，这一过程叫做位置更新。 位置区的划分要考虑两方面的原因：登记和寻呼。如果一个位置区包括了整个 MSC 的业务域，那么它的登记的代价是最小

30、的，即位置更新的次数最小，但是寻呼的代价是最大的，即 MSC 需要向所属的所有移动台发出寻呼信息。反之，如果一个位置区就是一个小区，那么寻呼的代价最小，登记的代价最大。5.1.2 线状覆盖 通常面状覆盖用于城市、乡村等地域宽阔的地带，而在铁路、公路、狭长的水面上这样的呈带带状的地区，往往采用线状覆盖的方式，如图 2-8 所示。本书讲述的 GSM-R 系统应用于铁路，应当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。铁路沿线的覆盖示意如图5-5。图5-5 铁路沿线的覆盖示意5.1.2.1频率的分配 在线状覆盖中，一般以圆形小区为模

31、型来进行分析和设计，如图 5-6 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。图5-6线状覆盖的频率复用5.1.2.2重叠区的确定 在铁路或公路的覆盖中，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。为了保证在覆盖区域尽可能不出现弱场区，要保证相邻小区间有一定的重叠范围。确定重叠区的大小是一个很复杂的问题，如果重叠区太小，可能会出现弱场区；重叠区太大同频干扰增大，越区切换时间太长，不易控制，因此要恰当设计重叠区域的大小。

32、图5-7 线状覆盖的同频干扰在图 5-7 中，假设移动台位于小区 A 的边界 P 点，小区半径为 R，路径损耗指数为 4。那么利用式 2-6，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：1) 两小区复用（式 5-4）2) 三小区复用 （式5-5）3) n 小区复用（式5-6）因此，可以根据式 2-18和 S/I的设计要求，求出重叠区的宽度 a。5.1.2.3 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

33、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，多路耦合其又预选滤波器、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。美国的农村服务区高速公路系统采用的就是这种方案。5.1.2.4 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

34、型： z 扩展小区：半径 35km120km，主要由于沿海地区海域的覆盖。 z 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。 z 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。 z 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。

35、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。常采用的是两层的结构。5.2 GSM-R网络结构和功能GSM-R 陆地移动网络是由一个管理者或专门的机构组织建立并执行操作的，它的目的是为铁路提供陆地移动通信的各种业务。GSM-R 陆地网络可以看作是某个固定网络的扩展，如ISDN；或者是一个采用统一编号方案的 MSC 的集合。MSC 作为陆地移动网络和固定网络的接入单元。作为铁路专用的网络，GSM-R 可以有限地、有条件地与地面的公众或专用网络进行互连。 一个 GSM-R 陆地移动系统由若干个功能实体组成，这些功能实体所实现的功能的集合

36、就是网络能够提供给用户的所有基本业务和补充业务，以及对于用户数据和移动性的操作和管理。GSM-R 陆地移动网络由三个子系统组成，其基本结构如图 5-8 所示：图5-8 GSM-R陆地移动网络的基本结构移动台是接入 GSM-R 网络的用户设备，包括移动终端（ME）和终端设备（TE） ，或通过终端适配器与 ME 连接的 TE。移动台除了具有通过无线接口（Um）接入到 GSM-R 系统的一般处理功能外，还为移动用户提供了人机接口。 基站子系统（BSS）由一个基站控制器（BSC）和若干个基站收发信机（BTS）组成，BTS 主要负责与一定覆盖区域内的移动台（MS）进行通信，并对空中接口进行管理。BSC用

37、来管理 BTS 与 MSC 之间的信息流。BTS 与 BSC 之间通过 Abis 接口通信。BSS 中还可能存在编码速率适配单元（TRAU） ，它实现了 GSM-R 编码速率向标准的 PSTN 或 ISDN 速率的转换。TRAU 与BSC 通过 Ater接口连接。网络子系统（NSS）建立在移动交换中心（MSC）上，负责端到端的呼叫、用户数据管理、移动性管理和与固定网络的连接。 NSS 通过 A 接口连接 BSS，与固定网络的接口决定于互联网络的类型。 操作和维护子系统（OSS）是相对独立的子系统，为 GSM-R 网络提供管理和维护功能。它的具体功能由操作维护中心（OMC）来完成，其中 OMC-

38、R负责管理 BSS，OMC-S 负责管理 NSS。OSS 主要提供移动用户管理、移动设备管理、网络操作和控制三类功能。 任何 GSM-R 陆地移动通信网络都必须与固定网络连接，一同完成移动用户与移动用户之间、移动用户与固定用户之间的通信。 组成 GSM-R 网络的各个子系统之间、BSS 与移动台之间、与固定网络之间的互连都提供了标准的接口。 网络中的不同设备可以通过标准的接口来实现移动业务的本地和国际互连。GSM-R 网络的信令系统采用 NO.7 信令网传送呼叫控制信息和其他信令信息。 GSM-R 网络为支持基本业务提供以下功能： 呼叫处理用户身份的鉴权 紧急呼叫 语音组呼和语音广播 短消息业

39、务 信令信息的加密 除此之外，GSM-R 网络还为支持各种补充业务提供了相应的功能。 为支持蜂窝系统的操作提供以下功能： 位置登记 切换 呼叫重新建立 GSM-R 网络还具有网络管理功能和一些附加功能，如呼叫处理的排队、安全功能、不连续发送和接收（DTX/DTR）等。 与 GSM 网追求最大用户系统容量不同，GSM-R 系统更侧重于系统的有效性，这是铁路特殊的需求，因此 GSM-R 在网络覆盖上有更多的重叠，网络设施也采用冗余备份。可选择将 GSM 系统的 MSC、VLR、EIR、GCR、SSP、HLR、AUC 置于一个网元中，且随着网络的增长而分散到多个网元中，这样可以形成一个经济、便于维护

40、的网络结构。 典型的基于 GSM/GSM-R 的铁路通信网与普通的 GSM PLMN并无大的区别，在其网络的网元、标准接口和连接的扩展上也无大的区别。在公网的基础上引入一系列的新技术，即可用于铁路部门。铁路网与公网的主要区别在于由铁路网特殊需求引起的网络结构和规划上的区别。5.2.1 BSS 结构和功能 BSS是 GSM-R 系统网络中最基本的组成部分。它有两种基本组成设备，分别是基站收发信机（BTS）和基站控制器（BSC） 。一台 BSC 可以管理多达几十个 BTS。此外，还有一种可选择设备速率适配单元（TRAU） 。BSS 的总体结构如图 5-9 所示：GSM-R系统的网络子系统（NSS）

41、提供了处理建立、维持和清除呼叫的所有信令协 议的功能，以及为移动环境下通信提供的特定功能。NSS提供的主要功能如下： z 为用户移动特征提供的特定功能，如寻呼 z 呼叫过程中对无线资源的管理 z 管理与 BSS之间的信令协议 z 位置登记，即 VLR之间的互连 z 切换过程 z 查询 HLR获得 MS的漫游号码 z 与其他的移动功能实体交换信令信息 z 管理语音组呼、语音广播、增强多优先级与强拆的呼叫建立 z 用户的鉴权 图5-9 BSS 的总体结构5.2.2. NSS 结构和功能基本的 NSS 由六个功能实体组成，分别是：移动交换中心（MSC） ，归属位置寄存器（HLR） ，拜访位置寄存器（

42、VLR） ，设备识别寄存器（EIR）和互连功能单元（IWF） 。如图5-23 所示。另外，NSS中还可以有实现语音组呼和语音广播的实体（GCR） ，用于短消息业务的短消息服务中心（SMS-SC）和统计服务器，这些功能实体可以根据具体的需要进行选择。 结构如图5-10所示。图5-10 NSS 结构和接口5.2.3 OSS 结构和功能 OSS可以分为两部分：对应BSS的操作与维护中心（OMC-R）和对应NSS的操作与维护中心（OMC-S） 。OMC-R与BSC的连接有两种途径：一种是直接通过X.25数据网络与BSC相连；另一种是BSC先与TRAU相连，然后通过MSC再与OMC-R连接。OMC-S通

43、过OMN接口与MSC相连。 OSS是操作人员与系统设备之间的中介，它实现了系统的集中操作与维护，完成了包括移动用户管理、移动设备管理及网络操作维护等功能。它的一侧与设备相连（不包括BTS，对BTS的操作维护是经过BSC进行管理） ，另一侧是作为人机接口的计算机工作站。这些专门用于操作维护的设备被称为操作维护中心OMC。系统的每个组成部分都可以通过特有的网络连接至OMC，从而实现集中维护。6.参考文献 1 钟章队 ,李旭 ,蒋文怡 1铁路综合数字移动通信系统(GS M2 R) M 1北京:中国铁道出版社 , 2007 . 121 2 Subset 093 V21310 GS M2 R inter

44、face Class 1 Requirements 3 运基信号 2010 224号 GTCS2 3级列控系统无线通信功能接口规范 S1中华人民共和国铁道部 , 20101 4 EN50159 - 2 Rail way app licati ons2 Communicati on, signalling and processing systems Part 2: Safety related communicati on in open transmissi on systems 5 张曙光 1CTCS2 3级列控系统总体技术方案 M 1北京:中国铁道出版社 , 2008 . 6 科技运 2

45、008 168号 1CTCS2 3级列控系统 GS M2 R网络需求规范 S1中华人民共和国铁道部 , 20081 7 04E11712 ETCS/GS M2 R Quality of Service2 Operati and Analysis 8 华为技术有限公司. GSM 无线网络规划与优化 M . 北京: 人民邮电出版社, 2006 9 张威. GSM 网络优化原理与工程 M . 北京: 人民邮电出版社, 20037.心得小结一周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，

46、和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。在此次课程设计中，我主要是负责对GSM-R无线通信部分的分析研究。通过本文主要对中国列车运行控制系统（CTCS）的基本功能、体系结构、工作原理、控制模式、应用等级以及CTCS的关键设备（地面设备、车载设备、GMS-R）进行了介绍。并重点介绍了GMS-R的工作原理、网络机构和功能。我国铁路地域广大、列车种类繁多、提速以后线路允许速度不统一，同为绿灯却有多种速度含义。另外，我国铁路行车主要特点是客货混跑、高低速列车共线运行，这样必然要求客货列车均需装备ATP，从而使得我国发展ATP的难度明显大于国外。 我国铁路实行以地面信号为主、以机车信号为辅的行车方式，对列车运行实行开环控制，依靠司机严守信号保证行车安全。因此，习惯于现有机车信号监控装置的控车模式。目前，机车普遍安装的通用机车信号未达到主体化的水平。机车信号基于轨道电路和站内电码化，但轨道电路制式繁多，有的根本不能满足“主体化”的要求，将面临淘汰。信号基础装备薄弱，影响了是我国ATP的发展。GSMR移动通信系统用于铁路信号、用于ATP系统和铁路综合移动信息平台，技术上有明显优势，产品得到多家厂商的支持，这在欧盟已得到证明。我国GSM-R网络建设还在起步阶段，影响了基于GSM-R的CTCS的实施。我国铁路第六次大