GSM-R技術(shù)在我國鐵路的研究與創(chuàng)新

■ 鐘章隊(duì)

截至2010年底，我國鐵路營業(yè)里程達(dá)9.1萬km，已投入運(yùn)營的高鐵8 358 km，在建高鐵規(guī)模1萬多km；到2015年，我國將基本建成發(fā)達(dá)完善的鐵路網(wǎng)，鐵路營業(yè)里程達(dá)到12萬km以上，其中高鐵1.6萬km以上，西部鐵路將達(dá)到5萬km以上。

我國鐵路技術(shù)裝備政策確定建設(shè)和發(fā)展鐵路專用移動通信系統(tǒng)（GSM-R），速度300 km/h以上的高速鐵路建設(shè)基于GSM-R的CTCS-3級列車控制系統(tǒng)。

1 我國鐵路對GSM-R系統(tǒng)的需求

鐵路的高速移動性、服務(wù)綜合性、信息傳輸?shù)奶厥庖?，以及不斷增加的營運(yùn)需求等對GSM-R系統(tǒng)提出多種業(yè)務(wù)需求[1-3]。總體來說，這些業(yè)務(wù)需求具體包括：

（1）話音業(yè)務(wù)：點(diǎn)對點(diǎn)呼叫、語音組呼、鐵路緊急呼叫、廣播呼叫和多方通信；

（2）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：電路域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、分組域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、短消息；

（3）智能網(wǎng)業(yè)務(wù)：功能尋址、（精確）位置尋址；

（4）補(bǔ)充業(yè)務(wù)：主叫號碼顯示、呼叫限制等；

（5）高級補(bǔ)充業(yè)務(wù)：增強(qiáng)型多優(yōu)先級強(qiáng)插與強(qiáng)拆、無結(jié)構(gòu)補(bǔ)充業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（USSD）、功能號顯示；

（6）支持基本業(yè)務(wù)的功能：呼叫控制、用戶識別鑒權(quán)、信令單元的保密、接入矩陣等；

（7）支持移動性操作的功能：位置登記、切換、漫游、呼叫重建；

（8）呼叫處理的附加功能：用戶與業(yè)務(wù)管理、業(yè)務(wù)的安全保密、支持雙音多頻信號（DTM F）、組呼靜音和取消靜音。

在以上業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上，GSM-R系統(tǒng)的主要應(yīng)用包括：機(jī)車同步操作控制系統(tǒng)的信息傳輸；列車控制系統(tǒng)的信息傳輸；調(diào)度通信；無線車次號信息/CTC調(diào)度命令的傳送；列車尾部風(fēng)壓信息傳送；機(jī)車綜合監(jiān)測信息傳送（弓況、工況、軸溫等）；客車運(yùn)行安全監(jiān)測系統(tǒng)（TCDS）信息傳送等。

2 GSM-R技術(shù)在我國鐵路的研究發(fā)展歷程

GSM-R在我國經(jīng)過理論研究與探索、技術(shù)決策、技術(shù)實(shí)踐、標(biāo)準(zhǔn)制定等階段，目前處在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營階段。

2.1 研究與探索

1994年我國京滬高速鐵路可行性研究啟動了新一代鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)的探索，1996年開展了高速鐵路無線列車控制技術(shù)和基于無線傳輸?shù)陌踩畔⑼ǖ兰夹g(shù)研究，推動了我國鐵路向信息化和自動化融合發(fā)展。

2.2 技術(shù)決策

1990年，我國鐵路與西門子公司（現(xiàn)諾基亞-西門子公司）、國際鐵路聯(lián)盟（UIC）和歐洲鐵路部門等單位多次就GSM-R技術(shù)及發(fā)展進(jìn)行深入交流與合作。鐵道部針對鐵路數(shù)字移動通信技術(shù)體制展開了廣泛論證，并于2002年確定建設(shè)和發(fā)展GSM-R技術(shù)裝備政策。2003年2月，鐵道部建立了GSM-R應(yīng)用與模擬實(shí)驗(yàn)室。2003年9月22日，我國信息產(chǎn)業(yè)部（現(xiàn)工業(yè)和信息化部）無線電管理局批準(zhǔn)885～889 M Hz/930～934 M Hz為鐵路GSM-R使用頻段。

2.3 技術(shù)實(shí)踐：高原、重載、高速

2003年6月，開始建設(shè)青藏鐵路、大秦鐵路和膠濟(jì)鐵路3條GSM-R線路，研究和探索GSM-R技術(shù)在高原鐵路、重載鐵路和高速鐵路上的應(yīng)用。

青藏鐵路格拉段應(yīng)用多種先進(jìn)技術(shù)，采用雙交換機(jī)、同站址雙基站無線覆蓋方式，GSM-R網(wǎng)絡(luò)達(dá)到可靠性、有效性、可維護(hù)性、安全性（RAM S）等技術(shù)指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)了基于無線通信的列車控制系統(tǒng)（ITCS）安全數(shù)據(jù)傳輸、調(diào)度通信、CTC數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)和功能。

大秦重載鐵路采用GSM-R技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化無線機(jī)車同步操作控制，開行1萬t，1.5萬t和2萬t重載組合列車，線路年運(yùn)量顯著提升。

膠濟(jì)鐵路地處我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，運(yùn)輸繁忙，線路最高速度250 km/h，采用GSM-R技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速移動條件下的調(diào)度通信、CTC數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)和功能。

GSM-R技術(shù)在高原鐵路、重載鐵路和高速鐵路的研究與探索、應(yīng)用與實(shí)踐中積累了大量的科學(xué)數(shù)據(jù)，為GSM-R技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定和工程建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)制定

2003年9月，鐵道部啟動GSM-R技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，并對我國鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)可行性進(jìn)行論證，組織編制了GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃。

2.5 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與運(yùn)營

2007年，GSM-R系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)營階段。截至2010年12月底，我國已經(jīng)開通運(yùn)營京津城際、武廣、鄭西、滬寧、滬杭等速度300 km/h以上的高速鐵路，合寧、石太、合武、甬臺溫、溫福、福廈等速度250 km/h的客運(yùn)專線，這些線路均建設(shè)了GSM-R系統(tǒng)。

3 GSM-R技術(shù)裝備的研制

GSM-R技術(shù)在我國的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)制定已日趨完善，形成適用于鐵路系統(tǒng)的技術(shù)體系。鐵路系統(tǒng)對GSM-R網(wǎng)絡(luò)有特殊的要求。因此GSM-R在設(shè)備構(gòu)成和功能上與現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)有所不同，除GSM-R核心網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備外，我國在高速鐵路無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)備、重載鐵路無線通信設(shè)備等GSM-R技術(shù)設(shè)備方面均有創(chuàng)新。高速鐵路無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)備包括GPRS接口服務(wù)器（GRIS）和GPRS歸屬服務(wù)器（GROS）、GSM-R接口監(jiān)測系統(tǒng)、SIM卡及管理系統(tǒng)、場強(qiáng)、QoS和路測等測量設(shè)備、直放站和漏纜監(jiān)測設(shè)備等。

3.1 核心網(wǎng)設(shè)備

G S M-R系統(tǒng)的核心設(shè)備是移動交換子系統(tǒng)（SSS），主要包括移動業(yè)務(wù)交換中心（M SC）、拜訪位置寄存器（VLR）、歸屬位置寄存器（HLR）、鑒權(quán)中心（AuC）、設(shè)備識別寄存器（EIR）、互聯(lián)功能單元（IW F）、組呼寄存器（GCR）、短消息服務(wù)中心（SMSC）和確認(rèn)中心（AC）等[4]。

核心網(wǎng)設(shè)備主要功能包括：GSM-R系統(tǒng)的基本交換功能、呼叫接續(xù)功能及用戶數(shù)據(jù)管理和移動性管理，提供基本的話音呼叫業(yè)務(wù)和電路域數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

3.2 GRIS/GROS

GRIS和GROS是高速鐵路網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和鐵路信息化的重要組成設(shè)備。GRIS是連接GSM-R/GPRS網(wǎng)絡(luò)與外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的核心設(shè)備，實(shí)現(xiàn)車-地各種分組數(shù)據(jù)信息的高效、可靠傳輸。GROS為全路所有綜合無線通信設(shè)備（CIR）和GRIS提供查詢歸屬GRIS IP地址功能，配合GPRS接口服務(wù)器實(shí)現(xiàn)車-地各種分組數(shù)據(jù)信息的傳輸。

GRIS和GROS設(shè)備保障了2006年7月1日青藏鐵路開通及開通后4年多的正常運(yùn)營，并實(shí)現(xiàn)了CTC/TCDS業(yè)務(wù)、工務(wù)晃車信息業(yè)務(wù)和地理信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)。2008年濟(jì)南、上海GRIS實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，成功保障京津城際鐵路正式通車。2009年1月，太原鐵路局GRIS設(shè)備實(shí)現(xiàn)軟、硬件擴(kuò)容，滿足了石太高速鐵路的業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)了太原GRIS與北京GROS的互聯(lián)。

3.3 GSM-R接口監(jiān)測系統(tǒng)

GSM-R接口綜合監(jiān)測系統(tǒng)是一個集信令采集分析、數(shù)據(jù)采集分析、在線用戶監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)狀況監(jiān)視、查詢分析、中斷統(tǒng)計(jì)和日志圖表等多種功能為一體的綜合性無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視分析系統(tǒng)，可應(yīng)用于鐵路各類列控系統(tǒng)，包括ITCS系統(tǒng)、LOCOTROL系統(tǒng)和CTCS-3級列控系統(tǒng)。

GSM-R接口監(jiān)測系統(tǒng)由Abis接口監(jiān)測系統(tǒng)、A接口監(jiān)測系統(tǒng)、PRI接口監(jiān)測系統(tǒng)、綜合分析系統(tǒng)、位置跟蹤系統(tǒng)和時間同步系統(tǒng)組成（見圖1）。

（1）Ab is 接口定義為基站子系統(tǒng)的兩個功能實(shí)體基站控制器（BSC）和基站收發(fā)信臺（BTS）之間的通信接口。此接口支持所有向用戶提供的服務(wù)，并支持對BTS無線設(shè)備的控制和無線頻率的分配。

（2）A接口定義為網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）與基站子系統(tǒng)（BSS）之間（MSC—TRAU之間）的通信接口[5]。此接口傳遞移動臺管理、基站管理、移動性管理、接續(xù)管理等信息。

（3）PRI接口定義為CTCS-3級列控系統(tǒng)無線閉塞中心（RBC）與GSM-R系統(tǒng)之間的通信接口。此接口傳遞的信息包括列控相關(guān)的消息與數(shù)據(jù)。

GSM-R網(wǎng)絡(luò)的接口監(jiān)測系統(tǒng)可以對GSM-R網(wǎng)絡(luò)所有CTCS-3級列控系統(tǒng)用戶Ab is接口、A接口和PRI接口的信令進(jìn)行實(shí)時跟蹤和記錄，可以對BSC與BTS之間2 M環(huán)的傳輸閃斷的實(shí)時監(jiān)測與記錄，可以實(shí)時顯示與記錄所有CTCS-3級列控系統(tǒng)用戶通信過程的電平值、電平質(zhì)量、TA值等參數(shù)。

應(yīng)用在青藏鐵路格拉段的GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測系統(tǒng)可以在完全不影響網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的情況下對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)視，通過對全線ITCS用戶接口信令和數(shù)據(jù)的實(shí)時跟蹤和記錄，監(jiān)測ITCS用戶的所有通信事件，能夠獲得車載通信單元通信流程，實(shí)時監(jiān)視各個采集鏈路狀態(tài)，還可以查詢原始信令，用戶信令、切換事件、中斷事件、告警情況等，導(dǎo)出excel報表，從而對通信中斷等故障給出詳細(xì)的原因分析和判斷，定位網(wǎng)絡(luò)故障，有效提高網(wǎng)絡(luò)接通率、完善QoS保障體系，自動分析所有在線列車的網(wǎng)絡(luò)連接和通信狀況，對保障基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的ITCS列控用戶安全有效、穩(wěn)定可靠運(yùn)行起著十分重要的作用。

3.4 SIM卡及管理系統(tǒng)

GSM-R SIM卡是用戶身份模塊，應(yīng)用于機(jī)車綜合無線通信設(shè)備、作業(yè)手持臺、調(diào)車手持臺、通用手持臺、列車控制系統(tǒng)車載通信設(shè)備、機(jī)車同步操控系統(tǒng)車載通信設(shè)備等，可實(shí)現(xiàn)機(jī)卡分離管理。SIM卡主要的功能有：數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡(luò)注冊、鑒權(quán)加密、安全防護(hù)等，并配有相應(yīng)的SIM卡管理系統(tǒng)。

3.5 場強(qiáng)、QoS、路測等測試設(shè)備

3.5.1 場強(qiáng)測試設(shè)備

場強(qiáng)覆蓋是衡量蜂窩移動通信服務(wù)質(zhì)量的重要指標(biāo)，GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)場強(qiáng)覆蓋指標(biāo)用機(jī)車車頂全向接收天線的輸入端射頻信號最小可用接收電平Prm in（d Bm）來描述。GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)場強(qiáng)覆蓋測試儀器主要由測試接收機(jī)及天饋系統(tǒng)、測距單元、測試用計(jì)算機(jī)及相關(guān)測試軟件組成。該儀器應(yīng)具有良好的抗振性能，并能適應(yīng)測試車廂的工作環(huán)境。圖2是Grffin場強(qiáng)測試系統(tǒng)[6]，Griffin場強(qiáng)測試儀的主要功能是實(shí)現(xiàn)采集、存儲、編輯、統(tǒng)計(jì)處理場強(qiáng)數(shù)據(jù)。測量時可以通過連接距離傳感器采用距離觸發(fā)或時間觸發(fā)兩種觸發(fā)方式。

3.5.2 QoS測試設(shè)備

網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)的高低會直接影響列車無線通信的質(zhì)量和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定[7]。GSM-R網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)的測試，主要對語音、電路數(shù)據(jù)和通用分組無線服務(wù)業(yè)務(wù)（GPRS）的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行測試。性能參數(shù)包括語音中的呼叫建立時間和呼叫建立失敗概率、電路數(shù)據(jù)中的端到端傳輸時延和GPRS業(yè)務(wù)中的吞吐量等。GSM-R網(wǎng)絡(luò)QoS測試系統(tǒng)包括測試控制部分、測試終端和機(jī)車綜合無線通信設(shè)備天線等。

3.6 直放站、漏纜監(jiān)測設(shè)備

GSM-R網(wǎng)絡(luò)中的中繼傳輸設(shè)備包括各種直放站和干線放大器。為了實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中的中繼設(shè)備進(jìn)行管理，需要采用GSM-R中繼傳輸設(shè)備統(tǒng)一管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由監(jiān)控中心、中繼傳輸設(shè)備及通信網(wǎng)絡(luò)組成，其功能是對GSM-R中繼傳輸設(shè)備統(tǒng)一進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、維護(hù)和管理。

漏泄電纜監(jiān)測系統(tǒng)（LRM S）由監(jiān)測主機(jī)（LCM）、從機(jī)（LCS）和信號接入器3部分組成。LRM S利用實(shí)時電纜損耗測量和環(huán)境參數(shù)測量等技術(shù)，對漏纜線路進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、故障及時發(fā)現(xiàn)、信息及時上報，為鐵路無線通信系統(tǒng)可靠運(yùn)行和列車運(yùn)行安全提供可靠保障，為維護(hù)單位形成維護(hù)修和故障修有機(jī)結(jié)合的維護(hù)規(guī)程，提供手段上的支持，確保漏纜線路安全可靠，很好地解決LXC漏泄電纜及時檢測和事前維護(hù)問題。

3.7 重載鐵路無線通信設(shè)備

采用GSM-R技術(shù)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)化無線機(jī)車同步操作控制系統(tǒng)由運(yùn)營設(shè)備和支撐設(shè)備組成，運(yùn)營設(shè)備包括機(jī)車控制單元（LOCOTROL）、車載通信單元（OCU）、地面應(yīng)用節(jié)點(diǎn)（AN）、GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)、可控列尾裝置等；運(yùn)營支撐設(shè)備包括LOCOTROL地面維護(hù)、OCU監(jiān)測及出入庫檢測、AN操作維護(hù)終端、GSM-R 網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)、可控列尾監(jiān)測及檢測等[8]設(shè)備。

在工作期間，通過GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)，OCU與AN建立電路數(shù)據(jù)連接，并向AN登記編組的主控機(jī)車號和自身機(jī)車號，以主控機(jī)車號作為該編組的識別號。AN為同一編組的所有機(jī)車建立一個安全數(shù)據(jù)會議，然后將主控機(jī)車OCU發(fā)來的數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)至從控機(jī)車OCU，同時將從控機(jī)車OCU發(fā)來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至主控機(jī)車OCU，實(shí)現(xiàn)同步。

4 GSM-R技術(shù)創(chuàng)新

“十一五”期間，GSM-R技術(shù)創(chuàng)新遵循理論創(chuàng)新、技術(shù)裝備創(chuàng)新、工程技術(shù)創(chuàng)新、運(yùn)營維護(hù)創(chuàng)新、管理創(chuàng)新的循環(huán)路線（見圖3），取得了顯著成果。

4.1 重載鐵路GSM-R技術(shù)創(chuàng)新

面臨山區(qū)鐵路通信可靠性、長大下坡道周期循環(huán)制動、長大列車縱向沖動等三大技術(shù)難題，經(jīng)過兩年半的工程建設(shè)，采用GSM-R技術(shù)，自主開發(fā)地面應(yīng)用節(jié)點(diǎn)、機(jī)車通信單元等成套傳輸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化無線機(jī)車同步操控系統(tǒng)，2006年3月18日，在大秦線成功開通運(yùn)行2萬t重載組合列車。大秦線從年設(shè)計(jì)運(yùn)量1億t迅速提升，2006年大秦線年運(yùn)量達(dá)到2.5億t，2007年達(dá)到3.0億t，2008年達(dá)到3.4億t，2011年預(yù)計(jì)達(dá)到4.5億t以上，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

4.2 高原鐵路GSM-R技術(shù)創(chuàng)新

2007年7月1日，面臨多年凍土、高寒缺氧、生態(tài)脆弱三大世界性難題，經(jīng)過三年半的試驗(yàn)段科學(xué)試驗(yàn)和工程建設(shè)，在青藏鐵路格拉段應(yīng)用GSM-R技術(shù)實(shí)現(xiàn)了ITCS系統(tǒng)，建成了世界上線路最長、海拔最高的青藏高原鐵路，它是我國第一條基于無線通信實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的線路，也是第一條應(yīng)用GSM-R技術(shù)，自主研發(fā)GRIS，實(shí)現(xiàn)調(diào)度命令、列車停穩(wěn)信息、列車進(jìn)路預(yù)告信息、無線車次號信息等CTC數(shù)據(jù)傳輸，為后續(xù)新線建設(shè)和我國鐵路GSM-R技術(shù)規(guī)范的制定積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

4.3 高速鐵路GSM-R技術(shù)創(chuàng)新

GSM-R系統(tǒng)的Qo S指標(biāo)完全滿足350 km/h條件下CTCS-3級列控系統(tǒng)信息傳輸需求。2009年12月26日、2010年2月6日，武廣、鄭西高速鐵路開通運(yùn)營，最高運(yùn)營速度350 km/h，最小追蹤間隔3 m in。這兩條高速鐵路的GSM-R 系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化采用接口監(jiān)測系統(tǒng)、場強(qiáng)測試儀、QoS測試儀等先進(jìn)工具，實(shí)現(xiàn)了調(diào)度通信、CTC數(shù)據(jù)和CTCS-3級列控系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用業(yè)務(wù)。

4.4 GSM-R網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通

2006年8月21日，“GSM-R相關(guān)技術(shù)研究——GSM-R網(wǎng)絡(luò)工程互聯(lián)互通功能性測試”項(xiàng)目正式啟動，在北京、廣州、西安聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行測試，目標(biāo)是根據(jù)互聯(lián)互通測試大綱和3GPP，ETSI，UIC等相關(guān)規(guī)范和要求，驗(yàn)證本地節(jié)點(diǎn)之間、本地節(jié)點(diǎn)與無線網(wǎng)絡(luò)之間C/D/G，A，E，Gr，Gb，Gn，L接口的互聯(lián)互通，解決GSM-R現(xiàn)場組網(wǎng)和高速鐵路建設(shè)的急需。

2007年12月29日，GSM-R網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通測試按計(jì)劃完成第一階段室內(nèi)靜態(tài)測試工作及試驗(yàn)，共提交951項(xiàng)測試用例，被測試網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成功通過了互聯(lián)互通測試，制定了8項(xiàng)GSM-R接口技術(shù)條件和測試規(guī)范，基本解決了GSM-R網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的技術(shù)障礙。

2009年11月30日，GSM-R互聯(lián)互通測試在第一階段靜態(tài)測試的基礎(chǔ)上，根據(jù)北京、武漢、濟(jì)南、西安、太原、成都等GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要，利用現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)按計(jì)劃完成第二階段動態(tài)測試工作及試驗(yàn)，促進(jìn)了GSM-R目標(biāo)網(wǎng)建設(shè)的順利進(jìn)行。

2009年12月，建成GSM-R核心匯接網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通，在北京、武漢、西安三地投入使用。

5 GSM-R技術(shù)的演進(jìn)

GSM-R作為第二代無線通信技術(shù)，其信息傳輸速率、頻譜效率等受到自身的限制，無法滿足未來高速鐵路無線通信系統(tǒng)的總體需求，因此，GM S-R技術(shù)需要向下一代鐵路無線通信技術(shù)演進(jìn)。

5.1 未來鐵路無線通信技術(shù)的總體需求

我國最新頒布的中長期鐵路網(wǎng)調(diào)整規(guī)劃旨在進(jìn)一步擴(kuò)大路網(wǎng)規(guī)模，完善布局結(jié)構(gòu)，提高運(yùn)輸質(zhì)量。體現(xiàn)了原規(guī)劃快速擴(kuò)充運(yùn)輸能力、迅速提高裝備水平的要求，將發(fā)展高速鐵路，提高貨運(yùn)線路的重載運(yùn)輸能力，積極發(fā)展西部鐵路建設(shè)。因此為適應(yīng)高速鐵路、重載鐵路、西部鐵路的進(jìn)一步發(fā)展，需要建立面向新型列車控制系統(tǒng)和鐵路安全保障的“下一代專用寬帶無線移動通信系統(tǒng)”；為適應(yīng)數(shù)字鐵路、智慧鐵路、物聯(lián)網(wǎng)等發(fā)展，需要發(fā)展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、射頻識別（RFID）、云計(jì)算、無線通信；為適應(yīng)高速鐵路網(wǎng)絡(luò)、綜合交通網(wǎng)絡(luò)等運(yùn)營要求，需要發(fā)展高速鐵路旅客移動信息服務(wù)系統(tǒng)。

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，用戶對無線通信服務(wù)的需求無處不在。我國高速列車長途跨越1 000～3 000 km距離，京滬高速鐵路、京廣港高速鐵路、滬昆高速鐵路、北京（上海、廣州）—烏魯木齊橫跨多個鐵路局。隨著高速鐵路網(wǎng)的形成，滿足鐵路旅客移動信息服務(wù)，是高速鐵路網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展的需要。

2009年6月，IBM公司在北京成立全球鐵路創(chuàng)新中心，提出“智慧鐵路”發(fā)展策略，其目標(biāo)是打造安全、高效、綠色、智能的鐵路，利用智能信息管理解決運(yùn)力緊張、運(yùn)能浪費(fèi)、運(yùn)轉(zhuǎn)低效和運(yùn)營不安全等問題。智慧鐵路是利用更透徹的感知和度量、更全面的互聯(lián)互通、更深入的智能化三大特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)智能信息的網(wǎng)絡(luò)化，進(jìn)而在整個鐵路系統(tǒng)、企業(yè)內(nèi)部以及合作伙伴之間實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)和共享，將鐵路基礎(chǔ)設(shè)施與互聯(lián)網(wǎng)連接，形成鐵路物聯(lián)網(wǎng)。

未來的通信網(wǎng)絡(luò)是一個普遍基于IP的網(wǎng)絡(luò)，包括網(wǎng)絡(luò)控制、傳輸網(wǎng)絡(luò)、信令網(wǎng)絡(luò)、交換網(wǎng)絡(luò)，移動性管理及應(yīng)用都會基于IP技術(shù)來提供。高速鐵路無線通信系統(tǒng)也必將普遍使用IP技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)變。旅客移動信息服務(wù)、智慧鐵路及通信網(wǎng)絡(luò)IP化需求這三股力量正在驅(qū)動著GSM-R系統(tǒng)不斷向前發(fā)展。

5.2 未來向LTE-R的演進(jìn)

所有信息產(chǎn)品都有自己的生命周期，現(xiàn)有GSM-R系統(tǒng)還有10～15年產(chǎn)品生命周期，在此之后設(shè)備升級、維護(hù)和運(yùn)營等成本將極大增加。在未來3GPP將不會充分支持及維護(hù)以GSM Phase2+技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的GSM-R相關(guān)的產(chǎn)品。高速鐵路飛速發(fā)展，旅客對移動信息服務(wù)的需求巨大，智慧鐵路的發(fā)展及通信網(wǎng)絡(luò)IP化在驅(qū)動著GSM-R系統(tǒng)向下一代鐵路無線通信系統(tǒng)演進(jìn)。

未來高速鐵路應(yīng)用將使用寬帶和多媒體業(yè)務(wù)及新的附加業(yè)務(wù)，如導(dǎo)航業(yè)務(wù) 、遠(yuǎn)程急救、視頻監(jiān)控等。其還將支持新型列車控制和多媒體調(diào)度通信、安全監(jiān)控、提供旅客移動信息服務(wù)等。GSM-R應(yīng)當(dāng)遵循GSM的趨勢演進(jìn)，引入新的無線通信技術(shù)，提高頻譜利用率、網(wǎng)絡(luò)容量和所支持的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時提高實(shí)時性，如正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）、多輸入輸出天線技術(shù)（M IMO）、自組織網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知無線電、協(xié)作中繼、協(xié)同傳輸?shù)?。鑒于3G技術(shù)使用的頻點(diǎn)太高，不能滿足鐵路部門希望經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在廣泛地域內(nèi)的覆蓋目標(biāo)，而且在語音業(yè)務(wù)上3G技術(shù)與2G技術(shù)并沒有本質(zhì)區(qū)別等諸多因素，UIC明確表示3G技術(shù)不適用于鐵路。因此，未來GSM-R不會過渡到3G，而是直接過渡到“準(zhǔn)4G”的LTE-R技術(shù)。UIC認(rèn)為，已安裝的GSM-R系統(tǒng)可以強(qiáng)化其應(yīng)用，同時鐵路部門也應(yīng)大膽創(chuàng)新，向LTE-R演進(jìn)是GSM-R發(fā)展的必然趨勢。LTE能夠提供簡單、高效、低時延、低造價的網(wǎng)絡(luò)，同時可以提供安全的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。另外，LTE基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，允許電信運(yùn)營商和鐵路運(yùn)營商共同開發(fā)統(tǒng)一的車-地通信系統(tǒng)，并重用已部署的站點(diǎn)和設(shè)備，節(jié)省投資成本。未來5～10年內(nèi)GSM-R系統(tǒng)將與LTE-R系統(tǒng)并存，GSM-R網(wǎng)絡(luò)仍然承擔(dān)著安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鳎鳯TE-R系統(tǒng)將承擔(dān)非安全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。再利用大約10年時間，大力發(fā)展LTE-R系統(tǒng)，由兩種系統(tǒng)共存的過渡狀態(tài)向LTE-R系統(tǒng)演進(jìn)。這樣核心網(wǎng)絡(luò)將向去EPS技術(shù)演進(jìn)，無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將采用軟件無線電技術(shù)以適應(yīng)多模通信的需求。無線一鍵通（POC）功能將代替VGCS/VBS，話音業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量將進(jìn)一步提升；安全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將采用分組交換方式。

6 結(jié)束語

我國GSM-R技術(shù)從無到有，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，在我國鐵路廣泛推廣應(yīng)用，并結(jié)合我國鐵路運(yùn)輸需要進(jìn)行了應(yīng)用創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)裝備研制。通過回顧GSM-R技術(shù)在我國鐵路的發(fā)展歷程，描述GSM-R技術(shù)在我國高速、重載和高原鐵路的創(chuàng)新與應(yīng)用，重點(diǎn)介紹高速鐵路無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)備、重載鐵路無線通信設(shè)備，圍繞未來鐵路建設(shè)和發(fā)展需要，結(jié)合無線通信技術(shù)發(fā)展方向，提出未來我國鐵路無線通信技術(shù)演進(jìn)路線。

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