高速铁路GSM-R综合移动通信系统网络架构分析

２０１３年第２期　（总第１２４期）　信息通信　ＩＮＦ０ＲＭＡＴ１０Ｎ＆Ｃ０ＭＭＵＮＩＣＡＴ１０ＮＳ　２Ｏ１３　（Ｓｕｍ．Ｎｏ　１２４）　高速铁路ＧＳＭ—Ｒ综合移动通信系统网络架构分析　符远东　（中国铁建电气化局集团第二工程有限公司，山西太原０３００２３）　摘要：围绕全国高速铁路ＧＳＭ—Ｒ通信系统网络架构的建设现状，比较详细的阐述了ＧＳＭ—Ｒ系统在现代高速铁路通信　应用中的先进性，较清晰地阐明了ＧＳＭ—Ｒ综合移动通信体系在高速铁路中的广泛应用和不断完善过程。既从系统内部　的子系统构造、功能进行了概括性论述，又从系统的宏观配置、设计、实施等方面进行了重点分析。　关键词：ＧＳＭ—Ｒ系统；子系统；基站；核心网；铁路业务；频率分配；网络布局；覆盖；配置　中图分类号：Ｕ２３８　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—１１３１（２０１３）０２－０１７８—０２　ＧＳＭ—Ｒ（ＧｌｏｂｌｅＳｙｓｔｅｍｏｆＭｏｂｉｌｅｆｏｒＲｍｌｗａｙ）是针对铁路　对移动通信的需求而推出的专用无线通信系统，它是在公网　ＧＳＭ基础上创新开发的，在功能上有所超越的无线通信技术，　是通过无线通信方式实现移动话音、图像、视频、数据传输以　及列车运行控制的一种技术。高速铁路的业务需求对无　线通信系统在高速情况下的安全性、可靠性、实时性、便捷程　度提出了更高的要求，因此，我国目前在大范围建设以９００Ｍｈｚ　为主体的ＧＳＭ—Ｒ无线通信系统，取代既有以４５０Ｍｈｚ为主体　的无线列调通信系统，不论是从技术经济效益还是社会效益　来讲，都具有一定的先进性和前瞻性。　１　ＧＳＭ—Ｒ系统组成　１．１子系统构造　ＧＳＭ—Ｒ综合移动通信系统按照大结构分类主要由四大系　统构成，分别是基站子系统（ＢＳＳ），网络子系统（ＮＳＳ），运行与　支持维护子系统（ＯＳＳ），终端子系统（Ｍｓ）。其中，基站子系统　包括基站控制器（ＢＳＣ）、基站收发信机（ＢＴＳ）、编译码及速率　适配单元（ＴＲＡＵ）、天馈线及漏泄电缆（ＬＣｘ）；网络子系统包　括移动交换子系统（ＳＳＳ）、移动智能子系统（ＩＮ）、通用分组无　线业务子系统（ＧＰＲＳ）；运行与支持维护子系统包括网管系统　（ＯＭＣ）、数据卡管理子系统（ｓＩＭ）、计费结算营帐客服子系统；　终端子系统包括无线固定台、车载台（ＣＩＲ）、手持台（ＧＰＨ、　ＯＰＨ）。　１．２子系统功能　基站收发信机ＢＴＳ负责语音、数据和短消息的传输，并完　成无线测量预处理、各类信号处理、越区切换、收发信功率控　制等接口功能；基站控制器ＢＳＣ主要负责在其覆盖区域内的　移动性管理和无线电资源管理功能，并负责无线网络的运营　与维护功能。编译码器ＴＲＡＵ负责将１３ｋｂｉｔ／ｓ的话音或数据　信息转换成６４ｋｂｉｔ／ｓ的标准数据，完成编译码和速率的转换，　从而减少ＢＳＣ中ＰＣＭ链路数量。移动交换中心ＭＳＣ设备　负责呼叫控制；拜访位置寄存器ＶＬＲ负责存储当前ＭＳＣ区　内活动用户的数据；归属位置寄存器ＨＬＲ负责存储归属用户　永久性资料；组呼寄存器ＧＣＲ负责存储用于相关ＭＳＣ区的　语音组呼和语音广播配置属性。　ＧＰＲＳ通用分组无线业务系统由业务支持节点ＳＧＳＮ和　网关支持节点ＧＧＳＮ两大主要设备组成，负责移动分组业务　的有效实现。其中，ＳＧＳＮ负责存储已注册用户的位置信息　和签约信息；ＧＧＳＮ负责存储用户的路由信息和签约信息，路　由信息通过隧道技术，把分组数据包传送至移动台注册的　ＧＧＳＮ节点上。移动智能子系统ＳＣＰ是智能网的核心功能　１７８　设备，它负责业务逻辑和存储用户数据，实现业务数据功能　ＳＤＦ和业务控制功能ＳＣＦ。ＳＳＰ接受ＳＣＰ的指令控制，提供　业务交换功能ＳＳＦ和呼叫控制功能ＣＣＦ；ＳＳＰ以ＭＳＣ／ＧＧＳＮ　为基础，以必要的软件、硬件和Ｎｏ．７信令系统接口集成ＳＳＦ　功能。　运行与支持维护子系统ＯＳＳ分为：对应移动交换子系统　的操作维护中心ＯＭＣ　Ｓ和对应基站子系统的操作维护中心　ＯＭＣ—Ｒ。运行与支持维护子系统ＯＳＳ是系统设备与操作人　员进行人机界面的中介，负责实现各子系统的集中维护与操　作，完成包括设备管理、用户管理以及网络维护操作一系列功　能。终端子系统分为无线固定终端和移动终端两大部分。移　动终端是ＧＳＭ—Ｒ移动通信系统网络的无线接入部分，是铁路　无线通信业务实现的关键载体，主要包括机车台ＣＩＲ和手持　台ＧＰＨ、ＯＰＨ两大类型。移动台ＭＳ是由移动设备ＭＥ和用　户识别数据模块ＳＩＭ卡组成。移动设备ＭＥ与基站子系统　ＢＳＳ之间通过空中无线接口Ｕｍ实现互联；数据模块ＳＩＭ卡　负责存储和管理用户的特定信息。移动设备ＭＥ与数据模块　ＳＩＭ卡之间采用国际标准接口进行互联。　２　ＧＳＭ—Ｒ网络布局及频率分配　２．１网络架构布局　在我国，ＧＳＭ．Ｒ核心网网络采用二元网络结构，包括移动　汇接网ＴＭＳＣ和移动本地网ＭＳＣ。汇接网ＴＭＳＣ全国仅设　３处，分别为北京、武汉、西安汇接中心，兼作ＭＳＣ和ＧＭＳＣ；　本地网ＭＳＣ／ＳＳＰ／ＳＧＳＮ／ＧＧＳＮ全国共设ｌ９个，在铁路局所在　地设置１８个，另外根据青藏线的特殊性在拉萨设置１个。其　全路核心网逻辑结构如图１所示，实线表示主用路由；虚线表　示备用路由。　图１全路核心网逻辑结构示意图　２．２无线频率的分配　ＧＳＭ．Ｒ无线通信系统采用９００Ｍｈｚ工作频段；上行使用　８８５—８８９Ｍｈｚ（移动台发，基站收）频段，下行使用９３０—９３４Ｍｈｚ　信息通信　符远东：高速铁路ＧＳＭ—Ｒ综合移动通信系统网络架构分析　（基站发，移动台收）频段，总共４Ｍｈｚ频率带宽；双工收发频　域数据业务，我们就不得不提到一个词一ＧＰＲＳ（通用分组无　率间隔为４５Ｍｈｚ相邻频道间隔为２００Ｋｈｚ，根据以上参数划　线业务）。对于ＧＰＲＳ，我们现在常用的手机上网业务，按流　分为２１个载频（频点），频道编号为９９９至１０１９，扣除低端９９９　量或包月的形式来计费。都是通过ＧＰＲＳ来实现的。我们　和高端１０１９两个频点作为隔离保护，实际可用频点仅ｌ９个，　常用的手机的ＧＰＲＳ模式都是３＋２的，即下行３个时隙，上　具体如下表１所示。　行２个时隙的分配方式。　表１全路无线频率分配表　在欧洲ＧＳＭ．Ｒ标准体系中没有将ＧＰＲＳ技术应用到铁　频ｉｔ号　基站接收　基站发射　谨号　基站接收　基站发射　路通信中。我国铁路先于欧洲发展基于ＧＳＭ—Ｒ的ＧＰＲＳ业　频率（１ｙ旺Ｉｚ）　频率（ｍｚ）　频率（　ｚ）　频军（ｒ￣－Ｉｚ）　务，是根据我国铁路运输需要对通信业务需求量特别大、但频　率资源又十分紧张的现实情况下而进行的技术提升，为提高　ｉ０Ｏ１　８８５．４００　９３０．４ｏｏ　有限的频率资源利用率而引入的特有功能，其在欧洲是没有　１ＯＯ２　目０２．８ｏｏ　ｌｏ１４　９０３．ｏｏｏ　的。ＧＳＭ—Ｒ内加入ＧＰＲＳ，把一些特定的铁路业务来通过　ｌｏｏ４　ＧＰＲＳ进行分组传输，以提高频率的利用率。　８８０．４Ｏ０　９３１．４００　９３０．６００　４　ＧＳＭ—Ｒ网络覆盖及配置　１Ｏ０７　１Ｏ１８　８８８．８００　９３３．８００　以郑西高铁为例，在西安设置２套基站控制器ＢＳＣ设备、　１００８　８８６．８ｏ０　９３１．８Ｏ０　１ＯＯ９　８８７．Ｏ００　９ａ２．ｏｏｏ　编译码和速率适配单元（ＴＲＡＵ）设备、分别负责管辖Ａ、Ｂ层　３　ＧＳＭ—Ｒ系统承载的业务　基站（ＢＴＳ）设备。ＢＳＣ与基站间按２Ｍ／Ｅ１环路设计，３—５个　ＢＴＳ环形组网，构成与ＢＳＣ的链接，这样组网的原理是提高系　３．１电路域业务　统的可靠性。原因：１个２Ｍ相当于１２０ｘ１６Ｋ，则１２０／８＝１５载　电路域业务又分为电路域数据业务和电路域话音业务。　频，这样３－５个基站，每个基站２载频，共６．１０个载频，预留一　电路域数据业务主要指的是列车控制信息（Ｃ３列控业务）；电　定的余量，比较合理。　路域话音业务就是调度移动通信语音（基础语音）业务、高级　高速铁路ＧＳＭ．Ｒ系统普遍按照单网交织冗余覆盖的实　语音业务。ＧＳＭ—Ｒ除了提供基础语音通话功能外，还具备较　施方案，即奇数站１、３、５－＂Ｎ组成第一层环路保护网，偶数站　高级的语音功能，如：优先级与强拆（ｅＭＬＰＰ）、语音组呼　２、４、６…Ｎ＋Ｉ组成另一层环路保护网。当其中一个基站如果　（ＶＧＣＳ）、语音广播（ＶＢＳ）。　因某种事由出现故障时，那么相邻两个小区的覆盖电平还能　优先级是指呼叫建立时给呼叫指定一个优先级，该呼叫　够正常达到系统规定的性能要求。具体如下图２所示。　就以该优先级参与网络资源的调配和竞争；强拆是当网络中　目前没有空闲资源可以利用时，具有较高优先级用户就可以　抢占那些低优先级用户的信道资源而进行通信。语音组呼是　指一个讲话（呼叫的发起人），多人聆听；当发起人停止讲话，　某个人需要讲时，需要先进行申请，同意后也可以讲话。语音　广播意味着只能由发起人讲话，其他人没有讲话的权力。语　音组呼和语音广播可以用于实现调度指挥、紧急通信等功能，　主要适用于铁路行车指挥调度系统。电路域业务主要针对于　那些对实时性要求较高，又要十分准确地传递信息，具有最高　或者较高的优先级的业务。一般用于列车控制，调度语音指　图２单网交织冗余覆盖示意图　挥行车，铁路应急指挥通信等重要的业务。所以采用电路交　换数据传输方式，配置固定信道，无法和其他信道共享。以此　参考文献：　来保证传输的实时性和准确性。电路交换数据传输系统是通　［１】廖敏，钟章队．高速铁路无线传输系统有效性分析［Ｊ］．中国　过占用一条话音信道提供端到端的数据传输；建立完成后，每　铁路，２０００　条链路数据独占一个时隙（即一个信道）；数据传输速率最高　［２】　张字威．ＴＥＴＲＡ与ＧＳＭ—Ｒ技术应用分析［Ｊ］．移动通信，　为９．６ｋｂｐｓ。　２００２　３．２分组域业务　［３】钟章队．２ｌ世纪通信新技术【Ｍ】．北京：中国铁道出版社，　目前，高速铁路ＧＳＭ．Ｒ网所承载的分组域数据业务有　１９９９　无线车次号信息、调度命令、近路预告信息等。分组域数据　［４］钟章队，李旭，蒋文怡．铁路综合数字移动通信系统【Ｍ］．北　业务主要针对于那些对实时性要求较低（与电路域业务相　京：中国铁道出版社，２００３　比），突发性强，有一定的数据量的业务。采用分组交换技术，　【５】张传福等．ＴＤ—ＳＣＤＭＡ通信网络规划与设计［Ｍ】．北京：　可以高效传输数据和信令，只有当传输数据时才占用网络资　人民邮电出版社，２００９　源。优化了对网络资源和无线资源的利用，同时提高了传输　［６　铁道部．６】ＧＳＭ—Ｒ数字移动通信网技术（暂行）［ｓ】．科　的速率。无线资源中的一个频点即一个ＴＤＭＡ帧可分配１　技运（２０Ｏ６）１２０号　到８个无线接口时隙。这些时隙能为用户所共享，且上行链　路和下行链路的分配是的。可以同时使用８个时隙进　作者简介：符远东（１９７５一），男，甘肃白银人，研究方向为铁路通　行数据传输，最高速率可达１７１．２ｋｂｐｓ（理论值）。说到分组　信新技术。　１７９