【正文】 鐵路其他信息業(yè)務(wù)的需要，建設(shè)了鐵路第一個(gè)分組交換數(shù)據(jù)網(wǎng)。調(diào)度等共線電話也推廣采用了程控共線設(shè)備 [2]。而信道空閑時(shí)，別的系統(tǒng)用戶也并不能利用該信道進(jìn)行通信。鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)樞紐地區(qū)干擾嚴(yán)重，不具備網(wǎng)絡(luò)能力，移動(dòng)終端對(duì)講距離受限，鄰站交界區(qū)易發(fā)生業(yè)務(wù)中斷，各個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)分散，不能聯(lián)合組網(wǎng)，使得各系統(tǒng)之間用戶無(wú)法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，無(wú)線、有線調(diào)度網(wǎng)基本獨(dú)立，無(wú)法形成有機(jī)融合的整體。因此話音業(yè)務(wù)可以被接收或竊聽(tīng)，給行車安全帶來(lái)極大的隱患。第三節(jié) GSMR 的歷史及技術(shù)特點(diǎn)最初開發(fā) GSMR 的原因是無(wú)線頻率的利用效率較低，鐵路網(wǎng)絡(luò)之間不同的通信系統(tǒng)的互操作性有限。于是，作為 EIRENE（歐洲統(tǒng)一鐵路無(wú)線增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)）項(xiàng)目的一部分，關(guān)于 GSMR 數(shù)字無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化的工作陸續(xù)展開。GSMR 是一種基于目前世界最成熟、最通用的公共無(wú)線通信系統(tǒng) GSM 平臺(tái)上的、專門為滿足鐵路應(yīng)用而開發(fā)的數(shù)字式的無(wú)線通信系統(tǒng)，針對(duì)鐵路通信列車調(diào)度、列車控制、支持高速列車等特點(diǎn)，為鐵路運(yùn)營(yíng)提供定制的附加功能的一種經(jīng)濟(jì)高效的綜合無(wú)線通信系統(tǒng) [4]。GSMR 能滿足列車運(yùn)行速度為 0500km／小時(shí)的無(wú)線通信要求，安全性好。第二章 GSMR 基礎(chǔ)第一節(jié) GSMR 基本原理GSMR （GSM for Railway）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)境下使用的要素組成，能滿足國(guó)際鐵路聯(lián)盟提出的鐵路專用調(diào)度通信要求的技術(shù)。 GSMR 在歐洲取得巨大的成功，目前超過(guò) 30 個(gè)鐵路公司已承諾在其國(guó)際路網(wǎng)中使用該技術(shù) [3]。不僅如此，由于二者都可以工作在 900M 頻段，因此在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方面也是基本相同的。GSMR 的基本特性已在鐵路網(wǎng)的 MORANE 試驗(yàn)中得到安裝、測(cè)試和驗(yàn)證。向 UMTS 的演進(jìn)將提供新的業(yè)務(wù)和更加強(qiáng)大的無(wú)線系統(tǒng)。業(yè)務(wù)模型如圖 21 所示。隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，模擬蜂窩系統(tǒng)在用了十年左右的時(shí)間就被淘汰了，新的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)成為移動(dòng)通信的主流。一、面狀覆蓋（一）小區(qū)形狀在面狀覆蓋的服務(wù)區(qū)中，通常采用正六邊形的小區(qū)形狀。因此采用六邊形的設(shè)計(jì)需要較少的小區(qū)，較少的發(fā)射基站。我們把由若干個(gè)使用全部頻率的小區(qū)組成的集合稱為一個(gè)簇，把不同簇中使用相同頻率的小區(qū)稱為同頻小區(qū)，任意兩個(gè)同頻小區(qū)之間的距離稱為同頻復(fù)用距離。構(gòu)成一個(gè)簇必須滿足：簇的區(qū)域能彼此鄰接且無(wú)空隙地覆蓋整個(gè)面積；相鄰簇間同頻小區(qū)的距離相等且為最大。 N （21）22ij??其中， ， 為非零正整數(shù)。圖 22 為 =3， =2， =19 的情況。但是如果同頻復(fù)用距離 越小，同頻小區(qū)之間的干擾就會(huì)越大。在實(shí)際的蜂窩系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要恰當(dāng)?shù)倪x擇 值，在容量和干擾之間進(jìn)行折衷。N圖 22 尋找同頻小區(qū)的方法（三）提高系統(tǒng)容量的方法 隨著用戶數(shù)量的增長(zhǎng)，需要不斷地提高蜂窩系統(tǒng)的容量。小區(qū)分裂根據(jù)用戶密度的變化，在現(xiàn)有小區(qū)的基礎(chǔ)上劃分更小的小區(qū)來(lái)提高頻率復(fù)用率。（四）位置理論 在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中有以下幾類與區(qū)域有關(guān)的概念： 小區(qū)：一個(gè) BTS 所覆蓋的全部或部分區(qū)域（扇區(qū)），是最小的可尋址無(wú)線區(qū)域。當(dāng) MSC 尋找移動(dòng)臺(tái)時(shí)，只需要在移動(dòng)臺(tái)所屬的位置區(qū)進(jìn)行呼叫，而不需要在整個(gè) MSC 區(qū)內(nèi)呼叫移動(dòng)臺(tái)，如圖 23 所示。 服務(wù)區(qū)：移動(dòng)用戶可以獲得服務(wù)的所有區(qū)域。位置區(qū)識(shí)別碼由三部分組成：LAI = MCC+MNC+LAC，全球小區(qū)識(shí)別碼是在 LAI 的基礎(chǔ)上再加上小區(qū)識(shí)別碼（CI）構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)為 GCI = MCC+MNC+LAC+CI，GCI 可以全球范圍內(nèi)唯一地標(biāo)識(shí)一個(gè)小區(qū)。用戶在 MSC 的 VLR 中的位置不是建立在小區(qū)的基礎(chǔ)上的。可以將一個(gè)或多個(gè)位置區(qū)唯一地分配給一個(gè) BSC，通過(guò) BSC 的信令點(diǎn)代碼在所在的 MSC 中實(shí)現(xiàn)位置區(qū)和所有小區(qū)的地址邏輯。越區(qū)切換時(shí)移動(dòng)用戶從一個(gè) MSC/VLR 切換到另一個(gè) MSC/VLR 區(qū)域中， 因此前一個(gè) MSC 必須知道后一個(gè) MSC 的位置區(qū)。 移動(dòng)用戶在位置區(qū)中必須進(jìn)行位置登記，移動(dòng)臺(tái)的位置信息儲(chǔ)存在位置寄存器功能單元（HLR 和 VLR）中。 位置區(qū)的劃分要考慮兩方面的原因：登記和尋呼。反之，如果一個(gè)位置區(qū)就是一個(gè)小區(qū)，那么尋呼的代價(jià)最小，登記的代價(jià)最大。本論文介紹的 GSMR 系統(tǒng)應(yīng)用于鐵路，應(yīng)當(dāng)采用線狀覆蓋的方式。鐵路沿線的覆蓋示意圖如圖24 所示。沿著覆蓋區(qū)域的分布按照 n 個(gè)小區(qū)為一組的間隔可以進(jìn)行頻率復(fù)用，n 的取值要考慮到頻率利用率、同頻干擾和建網(wǎng)成本，一般可以取 4。為了保證在覆蓋區(qū)域盡可能不出現(xiàn)弱場(chǎng)區(qū)，要保證相鄰小區(qū)間有一定的重疊范圍。圖 26 線狀覆蓋的同頻干擾在圖 26 中，假設(shè)移動(dòng)臺(tái)位于小區(qū) A 的邊界 P 點(diǎn)，小區(qū)半徑為 R，路徑損耗指數(shù)為 4。S（三）平衡設(shè)計(jì) 線性覆蓋在線性區(qū)域的兩側(cè)應(yīng)該是對(duì)稱的，在高速移動(dòng)的環(huán)境中要盡量使小區(qū)的數(shù)目最小，中繼效率最大，每個(gè)小區(qū)的信道都可以為兩個(gè)方向的用戶服務(wù)，這就要求較高的基站發(fā)射功率。平衡的設(shè)計(jì)保證上下行鏈路具有同等的強(qiáng)度，使得任意小區(qū)的雙向用戶都有較好的接收質(zhì)量。兩個(gè)發(fā)射天線和兩個(gè)接收天線分別指向道路兩邊，下行鏈路的信號(hào)從小區(qū)沿著道路向兩個(gè)方向輻射。每個(gè)天線與一個(gè)多路耦合器連接，多路耦合器由預(yù)選濾波器、放大器和分離器組成。美國(guó)的農(nóng)村服務(wù)區(qū)高速公路系統(tǒng)采用的就是這種方案。 擴(kuò)展小區(qū)：半徑 35km~120km，主要用于沿海地區(qū)海域的覆蓋。 宏小區(qū)：半徑 1km~35km，用于高速公路和人口較稠密的地區(qū)。 要求用高的干擾隔離度，使用少量頻率就可以實(shí)現(xiàn)密集頻率復(fù)用。 微微小區(qū)：半徑小于 ，用于室內(nèi)環(huán)境，如商場(chǎng)、會(huì)議中心、辦公樓等。一般來(lái)講，宏小區(qū)的天線架設(shè)在建筑物的頂部，微小區(qū)的天線低于建筑物，微微小區(qū)的天線一般安裝在室內(nèi)。這里介紹分層小區(qū)的覆蓋。常采用的是兩層的結(jié)構(gòu)。GSMR 陸地網(wǎng)絡(luò)可以看作是某個(gè)固定網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，如 ISDN；或者是一個(gè)采用統(tǒng)一編號(hào)方案的 MSC 的集合。作為鐵路專用的網(wǎng)絡(luò)，GSMR 可以有限地、有條件地與地面的公眾或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連。GSMR 陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)由三個(gè)子系統(tǒng)組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖 27 所示。移動(dòng)臺(tái)除了具有通過(guò)無(wú)線接口（Um）接入到 GSMR 系統(tǒng)的一般處理功能外，還為移動(dòng)用戶提供了人機(jī)接口 [8]。BSC 用來(lái)管理 BTS 與 MSC 之間的信息流。BSS 中還可能存在編碼速率適配單元（TRAU），它實(shí)現(xiàn)了 GSMR 編碼速率向標(biāo)準(zhǔn)的 PSTN 或 ISDN 速率的轉(zhuǎn)換。P S T N 、 I S T N 、 P S D N信 令 系 統(tǒng) N O . 7 S S 7G C RG M S CV L RH L R A U CE I RM S CV L RO M N 接 口M ST R A UB S CB T S B T SA 接 口A t e r 接 口B S S 基 站子 系 統(tǒng)U m接口O M C R O M C RO S S 操作 和 維護(hù) 子 系統(tǒng)圖 27 GSMR 陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）建立在移動(dòng)交換中心（MSC）上，負(fù)責(zé)端到端的呼叫、用戶數(shù)據(jù)管理、移動(dòng)性管理和與固定網(wǎng)絡(luò)的連接。 操作和維護(hù)子系統(tǒng)（OSS）是相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，為 GSMR 網(wǎng)絡(luò)提供管理和維護(hù)功能。OSS 主要提供移動(dòng)用戶管理、移動(dòng)設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)操作和控制三類功能。 組成 GSMR 網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)子系統(tǒng)之間、 BSS 與移動(dòng)臺(tái)之間、與固定網(wǎng)絡(luò)之間的互連都提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口。GSMR 網(wǎng)絡(luò)的信令系統(tǒng)采用 信令網(wǎng)傳送呼叫控制信息和其他信令信息。呼叫處理緊急呼叫 短消息業(yè)務(wù) 為支持蜂窩系統(tǒng)的操作提供以下功能： 切換 與 GSM 網(wǎng)追求最大用戶系統(tǒng)容量不同， GSMR系統(tǒng)更側(cè)重于系統(tǒng)的有效性，這是鐵路特殊的需求，因此 GSMR 在網(wǎng)絡(luò)覆蓋上有更多的重疊，網(wǎng)絡(luò)設(shè)施也采用冗余備份。典型的基于GSM/GSMR 的鐵路通信網(wǎng)與普通的 GSM PLMN 并無(wú)大的區(qū)別，在其網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元、標(biāo)準(zhǔn)接口和連接的擴(kuò)展上也無(wú)大的區(qū)別。鐵路網(wǎng)與公網(wǎng)的主要區(qū)別在于由鐵路網(wǎng)特殊需求引起的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和規(guī)劃上的區(qū)別。它有兩種基本組成設(shè)備，分別是基站收發(fā)信機(jī)（BTS ）和基站控制器（BSC）。此外，還有一種可選擇設(shè)備——速率適配單元（TRAU） [3] 。NSS 提供的主要功能如下： 呼叫過(guò)程中對(duì)無(wú)線資源的管理 位置登記，即 VLR 之間的互連 查詢 HLR 獲得 MS 的漫游號(hào)碼 管理語(yǔ)音組呼、語(yǔ)音廣播、增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)與強(qiáng)拆的呼叫建立 另外，NSS 中還可以有實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音組呼和語(yǔ)音廣播的實(shí)體（GCR ），用于短消息業(yè)務(wù)的短消息服務(wù)中心（SMSSC ）和統(tǒng)計(jì)服務(wù)器，這些功能實(shí)體可以根據(jù)具體的需要進(jìn)行選擇。圖 29 NSS 結(jié)構(gòu)和接口三、OSS 結(jié)構(gòu)和功能 OSS 可以分為兩部分：對(duì)應(yīng) BSS 的操作與維護(hù)中心（OMCR）和對(duì)應(yīng) NSS 的操作與維護(hù)中心（OMCS ）。OMCS 通過(guò) OMN 接口與 MSC 相連。它的一側(cè)與設(shè)備相連（不包括 BTS，對(duì) BTS 的操作維護(hù)是經(jīng)過(guò) BSC 進(jìn)行管理），另一側(cè)是作為人機(jī)接口的計(jì)算機(jī)工作站。系統(tǒng)的每個(gè)組成部分都可以通過(guò)特有的網(wǎng)絡(luò)連接至 OMC，從而實(shí)現(xiàn)集中維護(hù)。當(dāng)前在崗的人員通過(guò)將自己的 MSISDN 登記到該功能號(hào)碼上，建立起功能號(hào)碼和真實(shí)用戶之間的聯(lián)系。在功能尋址業(yè)務(wù)中，每個(gè) MSISDN 可以建立與多個(gè)功能號(hào)碼的映射關(guān)系，但是一個(gè)功能號(hào)碼一次只能指定給一個(gè)用戶。也可以由管理員修改 MSISDN 與功能號(hào)碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系。按照 EIRENE 規(guī)范，MSC 通過(guò) MAP 操作 SRI（SendRoutingInfo）從FFN（FollowMe Function Node）查詢到與功能號(hào)碼對(duì)應(yīng) MSISDN，該過(guò)程與標(biāo)準(zhǔn)GSM 網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中 MSC 通過(guò) SRI 操作從 HLR 查詢漫游號(hào)碼的流程完全相同，同時(shí) HLR 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)功能也能夠方便、可靠地管理功能號(hào)碼與 MSISDN 之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 [5]。第二節(jié) 調(diào)度通信調(diào)度通信系統(tǒng)的組網(wǎng)如圖 31 所示。司機(jī)可以通過(guò)短號(hào)呼叫機(jī)車所在區(qū)域的調(diào)度員，也可以通過(guò)按緊急呼叫按鈕向所屬區(qū)間的調(diào)度員發(fā)起高優(yōu)先級(jí)的緊急呼叫，該緊急呼叫被調(diào)度臺(tái)終端優(yōu)先接入或排隊(duì)等待處理 [6]。相鄰車站值班員之間也可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的語(yǔ)音呼叫。司機(jī)利用 VGCS/VBS 可以向其所屬區(qū)域的所有司機(jī)和調(diào)度員發(fā)起語(yǔ)音組呼或語(yǔ)音廣播。簡(jiǎn)單地說(shuō)，VGCS 就是要實(shí)現(xiàn)多個(gè)人可以講話（至多 6 個(gè)講者），更多的人可以作為聽(tīng)者（聽(tīng)者數(shù)量無(wú)限制）的業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)用戶：簽約 VGCS 業(yè)務(wù)的移動(dòng)用戶，如機(jī)車司機(jī)，被叫業(yè)務(wù)用戶通過(guò)組呼區(qū)域內(nèi)的組呼通道參與組呼的話音通信。處于聽(tīng)狀態(tài)的業(yè)務(wù)用戶可以通過(guò)搶上行的操作（按 PTT（Push To Talk）鍵）獲得講話權(quán)參與講話，搶上行的操作按照“先到先得”的方式進(jìn)行，誰(shuí)先搶到誰(shuí)說(shuō)話，其他業(yè)務(wù)用戶只有當(dāng)上行空閑時(shí)才可以繼續(xù)搶上行的操作。VGCS 允許用戶建立到屬于某一指定服務(wù)區(qū)和組識(shí)別號(hào)（Group ID ）的一組用戶的呼叫，呼叫期間所有的調(diào)度員都可以發(fā)言，但是所有的業(yè)務(wù)用戶搶占一個(gè)上行通道。組呼建立時(shí)間小于 2 秒。作業(yè)人員在與當(dāng)時(shí)所在地調(diào)度員聯(lián)系時(shí)可以撥打統(tǒng)一的短號(hào)碼，系統(tǒng)利用依賴位置尋址業(yè)務(wù)將當(dāng)前呼叫路由到合適的調(diào)度員。該業(yè)務(wù)用于機(jī)車司機(jī)通過(guò)短號(hào)呼叫機(jī)車所在區(qū)域的調(diào)度員。在當(dāng)前 EIRENE 規(guī)范框架內(nèi)，該位置信息是基于 GSM 網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的小區(qū) ID，MSC完全可以解析呼叫建立消息當(dāng)中的小區(qū) ID 信息，并根據(jù)小區(qū) ID 信息與短號(hào)從 MSC 內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)查詢得到合適調(diào)度員的號(hào)碼并將呼叫路由到合適的調(diào)度員。功能尋址與基于位置的路由的 MSC 實(shí)現(xiàn)方式與智能網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方式相比有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 呼叫處理速度快；第四節(jié) 增強(qiáng)多級(jí)優(yōu)先和強(qiáng)占業(yè)務(wù)（eMLPP ）eMLPP（Enhanced MultiLevel Precedence and Preemption）業(yè)務(wù)允許網(wǎng)絡(luò)根據(jù)用戶的不同優(yōu)先級(jí)在網(wǎng)絡(luò)資源被占用的情況下實(shí)施不同的策略：排隊(duì)和搶占，另外還可采用不同的呼叫建立和指配過(guò)程以滿足不同優(yōu)先級(jí)呼叫對(duì)時(shí)延的要求 [11]。在增強(qiáng)多級(jí)優(yōu)先和強(qiáng)占業(yè)務(wù)（eMLPP）中，每個(gè) GSM 用戶被分配一個(gè)或多個(gè)特定的優(yōu)先級(jí)權(quán)限，用戶可以在自己的權(quán)限內(nèi)選擇每個(gè)特定呼叫使用的優(yōu)先級(jí)，不同優(yōu)先級(jí)的呼叫占用網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)先級(jí)別不同。eMLPP 業(yè)務(wù)包含兩個(gè)部分：快速呼叫建立、排隊(duì)和搶占。排隊(duì)和搶占是指在缺乏網(wǎng)絡(luò)資源（包括處理能力、信令信道和業(yè)務(wù)信道）的情況下，高優(yōu)先級(jí)的呼叫不會(huì)釋放，可以優(yōu)先排隊(duì)，甚至可以搶占低優(yōu)先級(jí)呼叫的資源。其它 5 級(jí)供用戶使用，這 5 級(jí)可以在所有支持 eMLPP 業(yè)務(wù)的地方使用，可以和提供 MLPP 業(yè)務(wù)的 ISDN 網(wǎng)絡(luò)互通。鐵路運(yùn)營(yíng)中，不同身份的用戶擁有不同的功能號(hào)碼。從而定義 GSMR 網(wǎng)絡(luò)中主叫方與被叫方的接入關(guān)系 [9]。呼叫的類別由基于移動(dòng)臺(tái)的操作模式自動(dòng)確定：移動(dòng)臺(tái)在調(diào)車模式時(shí)按動(dòng)緊急呼叫按鈕發(fā)起的呼叫為調(diào)車緊急呼叫，其他情況下的緊急呼叫即為列車緊急呼叫。第四章 GSMR 在呼和浩特局鐵路通信中應(yīng)用的設(shè)計(jì)呼和浩特鐵路局位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部。管界東起京包線（北京—包頭）的古店站與孤山站間 K380+500 處與太原局毗鄰；西至包蘭線（包頭東—蘭州