现代通信技术在铁路中的运用及其发展趋势

TabithaAns

摘 要 首先介绍了现代通信技术GSM-R系统结构，接着探讨了青藏铁路、胶济铁路提速工程以及大秦线等的应用GSM-R情况，进而展望了现代通信技术在铁路中运用的发展趋势，即GSM-R系统必将紧跟和利用GSM的新技术，开发新的应用业务，特别是数据方面的业务，如建立列车无线局域网为乘客在旅途中提供高速上网的环境等。
关键词 现代通信技术；铁路；GSM-R
中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）041-104-02
近年来，我国铁路建设等一系列的技术进步推动了我国铁路通信的发展。根据《国家铁路“十二五”发展规划》的要求，到2015年全国铁路营业里程将达到12万公里左右，基于这样庞大的铁路交通运输网的便捷、安全，就必须要选择一种新的铁路数字移动通信技术，而现代通信新技术GSM-R系统能满足这一要求。探讨GSM-R在我国铁路的应用，能为铁路列车调度和我国铁路自动控制系统CTCS提供可靠、大容量、高效的信息传输通道，实现列车安全、高速、正点的运行的目标，推动我国铁路向高速化、信息化、现代化的方向发展。
1 GSM-R系统结构概述
典型的GSM-R网络结构如图1所示。首先是椭圆形小区覆盖，在沿路轨方向安装定向天线；其次是扇型小区覆盖，适用于话务量较大但对速度的要求较低的编组站；再次是全小区覆盖，适用于人口密度不高的低速路段和轨道交织处。另外，以上的小区都应有一个或几个收发信机，具体收发信机的数量由话务量决定。
我国铁路采用的GSM-R系统主要组成部分包括：
1）基站子系统BSS。包括基站收发信机（BTS）、基站控制器（BSC）、编译码速率适配单元（TRAU）等。
2）网络交换子系统NSS。包括移动交换中心（MSC）、网关移动交换中心（GMSC）、拜访位置寄存器（VLR）、组呼寄存器（GCR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）、短消息（SMSC）、确认中心（AC）、固定用户接入交换机（FAS）等设备。
3）智能网系统IN。包括业务控制点（SCP）、业务交换点（SSP）、业务管理系统（SMS）等，HLR、MSC也是重要的智能网业务节点。
4）通用分组无线业务系统GPRS。包括网关业务支持节点（GGSN）、业务支持节点（SGSN）、分组控制单元（PCU）、域名服务器（DNS）、认证服务器（Radius）等设备。
5）运行和维护子系统OSS。包括交换网络管理子系统（OMC-S）、无线网络管理子系统（OMC-R）、GPRS网络管理子系统（OMC-D）、直放站管理子系统（OMC-T）、FAS网络管理系统（OMC-F）。
6）终端。GSM-R系统终端包括固定终端和移动终端。
2 现代通信技术在铁路中的运用
近年来，由于中国铁路网的扩张和提速，铁道部门急需建立一个集调度指挥、信息传输、公务移动、列车控制一体化的移动通信平台，这就对铁路专用的移动通信系统提出了新的要求。而GSM-R系统可以满足上述要求，它可以通过建立覆盖全路范围的移动通信系统，形成现代化的调度、指挥、控制、通信工具，使铁路各级人员通过GSM-R系统共享全路范围内的各种信息，并可向社会提供各种铁路客货运输及服务信息。
1996-1997年，铁道部提项《高速铁路无线列控技术探索的研究（96x07）》，《基于无线传输的安全信息通道技术研究（96x07-B）》。
1997-2000年，西门子公司、北电公司、国际铁路联盟（UIC）多次来中国交流GSM-R技术及发展，中国铁路部门多次组团考察欧洲GSM-R的进展。
基于GSM-R系统的各种优点，铁道部在2001年底在GSM-R和Tetra两种系统中做出了选择GSM-R系统的决定。2003年9月22日，信息产业部批准了上行885-889MHz、下行930-934MHz频段为我国的GSM-R系统使用。这标志着GSM-R建设在中国的正式开始。从那时开始，中国大陆所有新建的铁路线全部采用GSM-R系统（如青藏线、大秦线、胶济线、郑西线、京津城际线、武广客运专线等）。基于我国铁路应用特色，我国铁路GSM-R承载的铁路业务如图2所示。
2.1 青藏铁路
青藏铁路是国内采用先进的GSM-R无线通信技术和FAS调度系统的铁路之一，铁路全长1956公里，多年冻土地段就高达550公里，对铁路通信系统不论是从系统性能、业务类型，还是维护水平都提出了极高的要求，运用GSM-R网络达到了可靠性、有效性，可维护性、安全性等技术指标要求。
2.2 胶济铁路提速工程
胶济线是客货混运铁路线，东起青岛，西止济南，电磁环境复杂，运输繁忙。铁道部织了多家单位积极开展200 KM/H干线GSM-R应用创新，很好的适应了胶济铁路建设和发展的需要，创造了在繁忙干线运营GSM-R的新经验。
2.3 大秦线
大秦线是我国最早使用GSM-R的铁路线，也是世界上第一条将GSM-R技术与LOCOTROL机车同步操控技术相结合开行2万吨重载组合列车的货运铁路线。
大秦线2万吨重载组合列车开始利用800 MHz电台，采用4x5000t的组合方式开行2万吨重载组合列车，800 MHz电台的传输距离为650 m。由于运输组织要求采用2x10000t组合方式开行2万吨重载组合列车，开始使用GSM-R网络进行LOCOTROL信息传输，一系列的重大技术课题在大秦线上首次研究试验并取得了成功：
1）调度通信主要包括列车无线调度通信和牵引供电调度通信。
2）通信方式采用电路域数据通信方式技术课题。①机车同步操控信息传送实现重载列车的本务机车与补机机车之间信息的无线传送。②调车机车信号和监控信息传送调车监控地面设备和调车监控车载设备之间无线数据传送。
3）通信方式采用通用分组数据交换（GPRS）方式的技术课题。①列车无线车次号校核信息及列车停稳信息传送实现列车―地面之间车次号信息和列车停稳信息的无线传送。②调度命令传送实现机车和调度员之间调度命令的无线传送。③调度命令包括调度命令、行车凭证、调车作业通知单和列车接车进路预告信息。④列车尾部装置信息传送实现列尾主机与机车台（机车综合无线通信设备）之间尾部风压数值、告警等信息的传送。
4）区间公务移动通信实现水电、工务、信号、通信、供电、桥梁守护等部门区间维护人员的移动通信。
3 现代通信技术在铁路中运用的发展趋势
GSM-R作为一种较成熟的技术，目前在铁路上的应用未完全开发，还有很大的拓展空间，能提供更强大的业务功能。尽快开发GSM-R的业务应用，是推进铁路信息化进程的有效举措。
3.1 更丰富的数据传输业务
GPRS是基于GSM-R的移动分组数据业务，在移动终端和数据网之间提供连接，支持IP协议和X.25协议，GPRS最大速率可达171.2 kbit/s，可实现“一直在线”。
首先，原来利用有线来传输的监测等信号可用GPRS无线传输。如：保障列车运行安全，要对轴温、载重、车速等指标进行监测。通常的做法：设在轨边的采集器将监测到的数据通过电缆传输到相应的管理网处理；在列车上采集的数据，以无线传输的方式传给设在轨心的接收器，再通过电缆传输到管理网处理。维护管理麻烦，线路成本高。
利用GSM-R的做法是：在采集器上安装GPRS MODEM，无论采集器是在轨边还是在列车上，都可以无线的方式直接传输数据信息到GSM-R基站，利用GPRS技术连接到相应的管理网，节省了地面线路且更方便更易维护。
这种技术也可应用于编组站、货场等地的监测数据的传送。
其次，利用GPRS提供更优质的服务。如：移动售票。列车上的售票机安装GPRS MODEM，无线传输数据信息到GSM-R基站，基站传输到与SGSN节点，SGSN与GGSN通信，GGSN与现有的计算机售票网连接。就可实现旅客在列车上可购买任一车次的车票，与在车站售票窗口购买完全相同。用这种方式可以使GSM-R信号能覆盖的地方进行移动售票，比如站台、车站广场等地方，可以极大的节约旅客售票的时间。
3.2 短消息业务功能
短消息业务在公网的应用取得了巨大成功，但由于短消息业务的非实时性、不可靠性，目前未在铁路GSM-R中普遍应用。但随着铁路GSM-R的发展，GSM-R应用的范围会越来越大，对于安全性实时性要求不高的数据传送，短消息业务非常适合且有方便灵活的优势。有着公网应用的成功经验，GSM-R开通短消息业务不困难，设置短消息业务设备，升级相关软件即可，对于智能业务的实现提供了更为方便的平台。
3.3 适合铁路运营的智能业务
为实现铁路运营应用，已开发使用了一些铁路所特有的智能业务，如：优先级业务、功能寻址、基于位置的寻址等等。
首先，现有智能业务需进一步优化。现有智能业务存在一定的限制。如：目前基于位置的寻址是基于小区的位置寻址，由于小区间存在着重叠区，那么这种寻址就可能会出现呼叫错误，如果开发基于GPS的位置寻址会更精确。
再如：功能寻址中的利用车次号寻址。我国的长途列车用同一车次号，同一车次同一时间会出现在不同路段，即同一车次对应多列正运营的列车。现在各线GSM-R网段未互联，使用各自的智能网系统，只在本路段寻址，不会有重号问题，将来各线智能节点要联网，这种寻址方式就需优化。
其次，开发新的智能业务。借鉴公网经验，结合铁路运营特点，开发新的智能业务。如：虚拟专用网业务（VPN），车辆、电力、工务等系统可建立自己的移动虚拟专用网。在虚拟网内定义用户级别，有不同的呼叫限制。
公网基于短消息平台开发了大量智能业务，如：短信通知手机关机期间的呼叫，简单的创意，技术实现容易，却带来了巨大效益。GSM-R也应集思广益，开发适合铁路的、实用的、易实现的、有特色的智能业务。
3.4 业务用户群的扩展
目前GSM-R的用户量有限，主要集中于行车一线的工作人员。
首先，GSM-R强大的系统功能可承载大量的业务用户。应让更多的铁路站段利用GSM-R无线传输功能，每个铁路职工的工作电话都可以利用GSM-R移动终端。
其次，GSM-R可以与公网网络及其业务互通，能给铁路旅行者带来方便。同时由于GSM-R互连功能强大，可以有效地连接公网、固化网、数据网以及其它移动网，并且在移动通信服务方面，还能给铁路旅行者提供列车上的语音和增值业务等服务。
展望未来，GSM-R强大的系统还要提供更多的服务功能。现有的GSM-R系统以2G技术为基础，主要的应用在语音方面。随着GSM网络的不断演进以及运营商和终端用户对GSM-R业务需求的不断发展，GSM-R系统必将紧跟和利用GSM的新技术，开发新的应用业务，特别是数据方面的业务，如建立列车无线局域网为乘客在旅途中提供高速上网的环境等。
相信随着中国铁路建设的深入，在我们的努力下，到2020年，我们会到一个网络完善、业务丰富、能提供可靠高速高质信息传输的GSM-R网络。
参考文献
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