GSM-R系統(tǒng)在城市軌道交通無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

敬歡 劉春蘭

摘要：隨著城市軌道交通建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)，軌道交通控制調(diào)度工作對無線通信效率及質(zhì)量也有了更高的要求，為滿足這一要求，GSM-R系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也得到進(jìn)一步拓展。為進(jìn)一步探究GSM-R系統(tǒng)在城市軌道無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，文章結(jié)合已有的相關(guān)資料和經(jīng)驗(yàn)，首先介紹了GSM-R系統(tǒng)的基本情況，并提出了這項(xiàng)技術(shù)在城市軌道交通無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用空白；其次，闡述了GSM-R系統(tǒng)在應(yīng)用過程中的幾項(xiàng)主要業(yè)務(wù)需求；最后，結(jié)合具體需求，從多個角度著手，詳細(xì)探討了城市軌道交通無線通信系統(tǒng)中GSM-R系統(tǒng)的主要應(yīng)用方向，并探究了各個應(yīng)用方向具體通信方式的實(shí)現(xiàn)路徑，以期為后續(xù)工作中GSM-R系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：GSM-R系統(tǒng)；城市軌道交通；無線通信

中圖分類號：TN929

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來，各地城市軌道交通建設(shè)仍在不斷推進(jìn)，為確保軌道交通系統(tǒng)的高效率運(yùn)行，基于GSM-R技術(shù)打造相關(guān)的通信系統(tǒng)是不可或缺的重要舉措。通過應(yīng)用GSM-R系統(tǒng)，軌道交通車輛調(diào)度控制等方面將更為便捷，其現(xiàn)實(shí)意義較為突出。因此在實(shí)際工作中，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)對GSM-R系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，推動城市軌道交通建設(shè)質(zhì)量的進(jìn)一步提升。

1 GSM-R系統(tǒng)及其在城市軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用的不足

GSM-R系統(tǒng)起源于歐洲國家，后傳入我國，基于已有的經(jīng)驗(yàn)，該系統(tǒng)目前在鐵路專用通信領(lǐng)域已經(jīng)取得較快發(fā)展。具體來看，該系統(tǒng)主要面向廣義的軌道交通領(lǐng)域通信設(shè)計，屬于一種典型的綜合專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)，將同一個無線通信平臺統(tǒng)一納入整體的軌道交通系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動控制信息的傳輸，以及語音調(diào)度通信等功能^［1-2］。在當(dāng)前主流的GSM-R系統(tǒng)中，通常以GSM移動通信技術(shù)為核心，該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，GSM-R系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）、操作與維護(hù)子系統(tǒng)（OSS）三部分。其中，基站子系統(tǒng)是由一個基站控制器（BSC）和若干個基站收發(fā)信機(jī)（BTS）組成。基站收發(fā)信機(jī)主要通過無線接口與移動臺（MS）相連，其主要作用是，與一定覆蓋區(qū)域內(nèi)的移動臺進(jìn)行通信，并對空中接口進(jìn)行管理。同時，所有基站收發(fā)信機(jī)均連接到基站控制器上?；究刂破鞯闹饕δ軇t是在其覆蓋范圍內(nèi)，提供無線電資源管理、移動性管理和無線電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營與維護(hù)管理，上述功能模塊之間的通信均基于A bis接口進(jìn)行^［3］。

從目前的實(shí)際情況來看，雖然GSM-R系統(tǒng)已在多個領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用，但其在交通領(lǐng)域的應(yīng)用還相對較少。通過查閱大量參考文獻(xiàn)可知，GSM-R系統(tǒng)在交通領(lǐng)域中的有限應(yīng)用均集中于鐵路交通領(lǐng)域，在城市軌道交通領(lǐng)域存在明顯空白。因此，對GSM-R系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域中的應(yīng)用需求，仍需要做進(jìn)一步分析，以明確城市軌道交通對GSM-R系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的需求，并以此對各個功能模塊展開設(shè)計。

2 GSM-R系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用中的主要業(yè)務(wù)需求分析

2.1 功能尋址方面的要求

功能尋址是GSM-R系統(tǒng)的典型特征之一，其允許通過功能號碼對用戶進(jìn)行呼叫，而功能號碼則是識別功能和應(yīng)用的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通過對軌道交通中的要素賦予特定的功能號，即可保證用戶號碼和物理終端之間的獨(dú)立性。具體來看，功能號的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的MSISDN結(jié)構(gòu)相類似，也可從其他外部網(wǎng)絡(luò)來撥打這些號碼。由于功能號碼業(yè)務(wù)在編號方案上具有一定的特殊性，因此其與普通呼叫方式存在一定差異，具體編號方案和觸發(fā)方式，如表1所示。

在確定功能號碼后，需要基于功能尋址過程實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的通信。在此環(huán)節(jié)中，強(qiáng)制向移動臺發(fā)送功能相關(guān)的子地址，該“子地址”信息在功能號碼中予以導(dǎo)出。在軌道交通領(lǐng)域中，功能尋址的主要作用是對軌道交通系統(tǒng)內(nèi)的目標(biāo)車輛進(jìn)行準(zhǔn)確鎖定，以實(shí)現(xiàn)可能的調(diào)度需要。

2.2 基于位置的尋址需求

基于位置的尋址業(yè)務(wù)（以下簡稱“LDA”）功能模塊在GSM-R系統(tǒng)中的重要性較為突出，通常與其他業(yè)務(wù)配合應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)對軌道交通系統(tǒng)內(nèi)列車的管理。LDA業(yè)務(wù)確保一個從移動用戶發(fā)起的呼叫可以被路由至正確的管理者。由于軌道交通系統(tǒng)下的列車位置呈現(xiàn)動態(tài)變化，因此在不同的位置區(qū)域，其相應(yīng)的管理賬戶也呈現(xiàn)動態(tài)變化的態(tài)勢^［4］。

具體來看，在基于位置的尋址業(yè)務(wù)中，其主要業(yè)務(wù)流程如下：（1）需要發(fā)出請求的移動用戶（主要為列車駕駛?cè)耍┫蚬芾碣~戶（主要為調(diào)度員和軌道交通車站值班人員）撥打短號碼進(jìn)行位置尋址。在滿足觸發(fā)條件后，移動臺（MSC）向智能網(wǎng)發(fā)送操作指令“Initial DP”，其中，在參數(shù)Location Information中包含移動用戶的識別碼。（2）系統(tǒng)判斷移動用戶所撥出的號碼是否有效。如號碼有效，則根據(jù)呼叫產(chǎn)生的主叫位置信息和短號碼，查找對應(yīng)用戶的功能號碼。（3）系統(tǒng)查找到對應(yīng)用戶的功能號碼后，發(fā)送Connect操作，實(shí)現(xiàn)二者之間的通信連接。在此環(huán)節(jié)中，仍基于DP3觸發(fā)方式進(jìn)行觸發(fā)。通過以上業(yè)務(wù)流程，系統(tǒng)即可確定軌道交通系統(tǒng)中特定車輛的位置坐標(biāo)信息，從而對其運(yùn)行情況予以實(shí)時掌控，必要時發(fā)出相應(yīng)調(diào)度指令。

2.3 增強(qiáng)型多級別處理要求

增強(qiáng)型多級別處理（以下簡稱“e MLPP”）主要提供對用戶的多種優(yōu)先級別的定義。由于軌道交通系統(tǒng)中各類用戶的優(yōu)先級不同，因此該業(yè)務(wù)模塊基于優(yōu)先級別上的差異，在呼叫建立和切換過程中需進(jìn)行合理的系統(tǒng)資源分配。在呼叫進(jìn)行過程中，優(yōu)先提供資源給優(yōu)先級別高的用戶。具體來看，此環(huán)節(jié)的應(yīng)用主要分為以下兩個方面。

2.3.1 e MLPP用戶起呼

當(dāng)一個用戶發(fā)起呼叫時，該用戶首先對本次呼叫選擇一個優(yōu)先級別，該級別的數(shù)值可選擇缺省值或非缺省值。如該優(yōu)先級別的數(shù)值為非缺省值，則該優(yōu)先級別會下放至系統(tǒng)中，而后系統(tǒng)將數(shù)據(jù)庫中存儲的用戶信息中的優(yōu)先級別與收到的優(yōu)先級別進(jìn)行比較，根據(jù)不同的比較結(jié)果，對優(yōu)先級別進(jìn)行分配和對話務(wù)進(jìn)行接續(xù)。該環(huán)節(jié)主要存在以下幾種可能：（1）如用戶要求的優(yōu)先級別不高于用戶預(yù)設(shè)的優(yōu)先級別，則系統(tǒng)分配數(shù)據(jù)庫中預(yù)設(shè)的用戶級別以進(jìn)行呼叫；（2）如用戶要求了更高的優(yōu)先級別，則系統(tǒng)分配該用戶的最高優(yōu)先級別進(jìn)行呼叫；（3）如用戶對該次呼叫未要求優(yōu)先級別，則系統(tǒng)提取該用戶的缺省優(yōu)先級別，并以此進(jìn)行分配；（4）如發(fā)起呼叫的用戶不屬于e MLPP用戶，則系統(tǒng)為其分配一個網(wǎng)絡(luò)缺省優(yōu)先級別，以完成本次呼叫。

2.3.2 e MLPP用戶的預(yù)占用

在e MLPP業(yè)務(wù)模式下，允許一個移動用戶接聽優(yōu)先級別高于自身優(yōu)先級別的通話。同時，當(dāng)被叫方具有呼叫等待功能，或被叫方擁有已激活的自動應(yīng)答功能時，均會出現(xiàn)被叫預(yù)占用。當(dāng)出現(xiàn)被叫預(yù)占用后，由被叫用戶決定是否對本次通話進(jìn)行預(yù)占用，如決定進(jìn)行預(yù)占用后，則存在以下兩種可能：（1）如被叫用戶擁有呼叫保持業(yè)務(wù)，則被叫用戶保持前次通話，并接續(xù)高優(yōu)先級別通話。（2）如被叫用戶無呼叫保持業(yè)務(wù)，則釋放前次通話，優(yōu)先開啟高優(yōu)先級別的呼叫；如被叫用戶決定不接收預(yù)占用，則繼續(xù)執(zhí)行呼叫等待功能。在該業(yè)務(wù)模塊中，為實(shí)現(xiàn)對優(yōu)先級別的有效分離，e MLPP通常設(shè)置七個優(yōu)先級別，分別編號為A，B，0～4。其中，A和B兩個最高的優(yōu)先級用于網(wǎng)絡(luò)緊急呼叫，0～4則分配給軌道交通系統(tǒng)中的其他用戶，數(shù)字越小則優(yōu)先級別越高，反之亦然。概括而言，基于以上兩方面的措施，管理人員將依托于GSM-R技術(shù)，對優(yōu)先級較高的區(qū)間和車輛進(jìn)行及時的響應(yīng)和干預(yù)處理舉措。

3 GSM-R系統(tǒng)在城市軌道交通無線通信中的應(yīng)用策略

3.1 調(diào)度通信

在城市軌道交通運(yùn)行過程中，軌道交通調(diào)度屬于其中最為重要的通信手段，對提升軌道交通運(yùn)行效率有著重要作用。結(jié)合實(shí)際功能需求來看，調(diào)度通信業(yè)務(wù)主要包括列車調(diào)度通信、牽引變電調(diào)度通信和其他調(diào)度與專用通信（包括施工維護(hù)、應(yīng)急管理、站場通信等）。系統(tǒng)構(gòu)成和組網(wǎng)方式如圖2所示。

由圖2可知，在GSM-R系統(tǒng)應(yīng)用于調(diào)度通信環(huán)節(jié)中，通常并非單獨(dú)應(yīng)用，而是采取無線和有線混合組網(wǎng)的方式進(jìn)行。具體來看，此類調(diào)度通信系統(tǒng)在構(gòu)成上，主要可分為調(diào)度臺、基本服務(wù)集系統(tǒng)（BSS）、固定用戶接入交換機(jī)模塊（FAS）、軌道交通專用通信移動終端、軌道車輛綜合無線通信設(shè)備（CIR）等部分所構(gòu)成。當(dāng)前，無線網(wǎng)絡(luò)在城市軌道交通系統(tǒng)中基本實(shí)現(xiàn)了全覆蓋，無線終端CIR也覆蓋了軌道交通內(nèi)的全部車輛，有線終端則主要用于滿足軌道交通車站和調(diào)度臺的需要。而在組網(wǎng)方面，有線與無線相結(jié)合的方式仍然是城市軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)組建過程的首選，通常在總調(diào)度室內(nèi)設(shè)置固定用戶接入交換機(jī)模塊，并使之與MSC相連接，結(jié)合需要在沿線車站增設(shè)FAS或接入總調(diào)度室FAS，且車站臺和調(diào)度臺也可在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)與MSC的連接，由此即可滿足軌道車輛調(diào)度通信的實(shí)際需要，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)車機(jī)聯(lián)控通信。

3.2 軌道車輛運(yùn)行信息的傳輸

在軌道交通系統(tǒng)中，車輛運(yùn)行信息的傳送是一項(xiàng)至關(guān)重要的內(nèi)容，主要包括軌道列車運(yùn)行時的編號以及軌道列車停穩(wěn)兩方面的信息。為確保以上兩方面的信息得以有效傳輸，在實(shí)際的GSM-R系統(tǒng)設(shè)計中，通常從以下兩個部分著手進(jìn)行設(shè)計：（1）包含GPRS和采集監(jiān)控數(shù)據(jù)的GSM-R網(wǎng)絡(luò)；（2）CIR模塊?；谝陨显O(shè)計，即可對目標(biāo)軌道車輛的IP地址進(jìn)行自動更新。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合所獲得的列車停穩(wěn)信息，傳輸車輛編號信息，以進(jìn)行后續(xù)的相關(guān)處理。

3.3 傳輸調(diào)度命令

在城市軌道交通的實(shí)際運(yùn)行過程中，調(diào)度人員需要向車站及軌道列車發(fā)出相應(yīng)的調(diào)度命令，對軌道交通系統(tǒng)內(nèi)的列車運(yùn)行情況、列車調(diào)度情況、突發(fā)狀況等進(jìn)行指揮控制，這是城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行管理工作中的重要組成部分，對提高軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量也起著決定性的作用。因此，在傳輸調(diào)度命令環(huán)節(jié)中，其關(guān)鍵是提升調(diào)度命令傳輸?shù)乃俣群蜏?zhǔn)確度，結(jié)合這一需要，通常以GPRS方式進(jìn)行調(diào)度命令的傳輸。具體來看，該功能模塊主要由綜合無線通信設(shè)備、綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)、調(diào)度指揮系統(tǒng)設(shè)備三方面所組成。在該功能模塊中，GSM-R系統(tǒng)的主要作用是對調(diào)度命令的傳輸過程予以“加速”。

3.4 軌道列車進(jìn)路預(yù)告

軌道列車進(jìn)路預(yù)告信息是城市軌道交通系統(tǒng)調(diào)度工作中所需的重要信息，如何將此類信息予以及時采集和傳輸則是需要重點(diǎn)研究的一項(xiàng)內(nèi)容。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，在實(shí)際工作中，該項(xiàng)業(yè)務(wù)通常由GSM-R系統(tǒng)中的GPRS（分組交換系統(tǒng)）提供的非安全無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。具體來看，在該業(yè)務(wù)模式下，GSM-R分組域應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)主要包括列車綜合無線通信設(shè)備CIR、GPRS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、GPRS接口服務(wù)器（GRIS）、GPRS歸屬服務(wù)器（GROS）和其他通信服務(wù)器等模塊，以實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛與其他模塊之間的信息高效傳輸。同時，在GPRS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，又可分為基站BTS、基站控制器BSC、分組控制單位PCU、服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)SGSN、網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)GGSN等部分。

基于上述功能模塊，軌道列車進(jìn)路預(yù)告的通信流程主要分為以下幾個步驟：首先是CIR模塊開機(jī)并附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)中。此環(huán)節(jié)下，CIR啟動后會注冊GPRS網(wǎng)絡(luò)，由HLR模塊將用戶是否能夠使用GPRS業(yè)務(wù)的信息發(fā)送至SGSN中。同時，此過程需要由SGSN和HLR對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證通過后即可完成附著過程。其次是CIR獲取自身IP地址，主要通過系統(tǒng)DNS服務(wù)器解析確定目標(biāo)設(shè)備所屬的網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN。而后，由系統(tǒng)進(jìn)行身份驗(yàn)證，如車輛設(shè)備的號碼正確通過驗(yàn)證，則返回消息給網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN。在該返回消息中，含有為CIR分配的IP地址。同時，CIR模塊會按照設(shè)定的頻次，定時向調(diào)度終端發(fā)送車輛信息，包括運(yùn)行距離、車輛編號等，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，為發(fā)送調(diào)度指令和進(jìn)路預(yù)告提供依據(jù)。

4 結(jié)語

整體來看，當(dāng)前GSM-R系統(tǒng)在城市軌道交通無線通信中的應(yīng)用尚處于初級發(fā)展階段，仍具有較高的發(fā)展空間。在今后的工作中，為進(jìn)一步發(fā)揮GSM-R系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢，需要結(jié)合實(shí)際情況和已有的研究經(jīng)驗(yàn)，對GSM-R系統(tǒng)的具體架構(gòu)和功能模塊等部分進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并考慮融入更多最新技術(shù)，使之朝著數(shù)字化、智能化和綜合化的方向進(jìn)一步發(fā)展。

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（編輯 姚 鑫）

Application of GSM-R system in wireless communication system of urban rail transit

Jing Huan， Liu Chunlan

（Nanchong Vocational and Technical College， Nanchong 637131， China）

Abstract： With the further promotion of urban rail transit construction， the rail transit control and dispatching work also has higher requirements for wireless communication efficiency and quality. To meet this requirement， the application scope of GSM-R system has been further expanded.In order to further explore the application of GSM-R system in urban rail wireless communication system， the paper first introduces the basic situation of GSM-R system based on existing relevant information and experience， and then expounds several main businesses of GSM-R system in the application process; At last， the main application directions of GSM-R system in urban rail transit wireless communication system are discussed in detail from multiple perspectives， and the specific communication methods of each application direction are explored， so as to provide some reference for the application of GSM-R system in the follow-up work.

Key words： GSM-R system; urban rail transit; wireless communication