GSM-R技术在我国铁路的研究与创新

■ 钟章队

截至2010年底，我国铁路营业里程达9.1万km，已投入运营的高铁8 358 km，在建高铁规模1万多km；到2015年，我国将基本建成发达完善的铁路网，铁路营业里程达到12万km以上，其中高铁1.6万km以上，西部铁路将达到5万km以上。

我国铁路技术装备政策确定建设和发展铁路专用移动通信系统（GSM-R），速度300 km/h以上的高速铁路建设基于GSM-R的CTCS-3级列车控制系统。

1 我国铁路对GSM-R系统的需求

铁路的高速移动性、服务综合性、信息传输的特殊要求，以及不断增加的营运需求等对GSM-R系统提出多种业务需求[1-3]。总体来说，这些业务需求具体包括：

（1）话音业务：点对点呼叫、语音组呼、铁路紧急呼叫、广播呼叫和多方通信；

（2）数据业务：电路域数据业务、分组域数据业务、短消息；

（3）智能网业务：功能寻址、（精确）位置寻址；

（4）补充业务：主叫号码显示、呼叫限制等；

（5）高级补充业务：增强型多优先级强插与强拆、无结构补充业务数据（USSD）、功能号显示；

（6）支持基本业务的功能：呼叫控制、用户识别鉴权、信令单元的保密、接入矩阵等；

（7）支持移动性操作的功能：位置登记、切换、漫游、呼叫重建；

（8）呼叫处理的附加功能：用户与业务管理、业务的安全保密、支持双音多频信号（DTM F）、组呼静音和取消静音。

在以上业务需求的基础上，GSM-R系统的主要应用包括：机车同步操作控制系统的信息传输；列车控制系统的信息传输；调度通信；无线车次号信息/CTC调度命令的传送；列车尾部风压信息传送；机车综合监测信息传送（弓况、工况、轴温等）；客车运行安全监测系统（TCDS）信息传送等。

2 GSM-R技术在我国铁路的研究发展历程

GSM-R在我国经过理论研究与探索、技术决策、技术实践、标准制定等阶段，目前处在网络建设和运营阶段。

2.1 研究与探索

1994年我国京沪高速铁路可行性研究启动了新一代铁路数字移动通信系统的探索，1996年开展了高速铁路无线列车控制技术和基于无线传输的安全信息通道技术研究，推动了我国铁路向信息化和自动化融合发展。

2.2 技术决策

1990年，我国铁路与西门子公司（现诺基亚-西门子公司）、国际铁路联盟（UIC）和欧洲铁路部门等单位多次就GSM-R技术及发展进行深入交流与合作。铁道部针对铁路数字移动通信技术体制展开了广泛论证，并于2002年确定建设和发展GSM-R技术装备政策。2003年2月，铁道部建立了GSM-R应用与模拟实验室。2003年9月22日，我国信息产业部（现工业和信息化部）无线电管理局批准885～889 M Hz/930～934 M Hz为铁路GSM-R使用频段。

2.3 技术实践：高原、重载、高速

2003年6月，开始建设青藏铁路、大秦铁路和胶济铁路3条GSM-R线路，研究和探索GSM-R技术在高原铁路、重载铁路和高速铁路上的应用。

青藏铁路格拉段应用多种先进技术，采用双交换机、同站址双基站无线覆盖方式，GSM-R网络达到可靠性、有效性、可维护性、安全性（RAM S）等技术指标要求，实现了基于无线通信的列车控制系统（ITCS）安全数据传输、调度通信、CTC数据传输等业务和功能。

大秦重载铁路采用GSM-R技术实现网络化无线机车同步操作控制，开行1万t，1.5万t和2万t重载组合列车，线路年运量显著提升。

胶济铁路地处我国经济发达地区，运输繁忙，线路最高速度250 km/h，采用GSM-R技术实现高速移动条件下的调度通信、CTC数据传输等业务和功能。

GSM-R技术在高原铁路、重载铁路和高速铁路的研究与探索、应用与实践中积累了大量的科学数据，为GSM-R技术标准制定和工程建设奠定了基础。

2.4 标准制定

2003年9月，铁道部启动GSM-R技术规范和标准的制定工作，并对我国铁路GSM-R网络工程建设可行性进行论证，组织编制了GSM-R系统网络建设规划。

2.5 网络建设与运营

2007年，GSM-R系统进入运营阶段。截至2010年12月底，我国已经开通运营京津城际、武广、郑西、沪宁、沪杭等速度300 km/h以上的高速铁路，合宁、石太、合武、甬台温、温福、福厦等速度250 km/h的客运专线，这些线路均建设了GSM-R系统。

3 GSM-R技术装备的研制

GSM-R技术在我国的相应标准制定已日趋完善，形成适用于铁路系统的技术体系。铁路系统对GSM-R网络有特殊的要求。因此GSM-R在设备构成和功能上与现有GSM网络有所不同，除GSM-R核心网络和无线网络设备外，我国在高速铁路无线网络优化设备、重载铁路无线通信设备等GSM-R技术设备方面均有创新。高速铁路无线网络优化设备包括GPRS接口服务器（GRIS）和GPRS归属服务器（GROS）、GSM-R接口监测系统、SIM卡及管理系统、场强、QoS和路测等测量设备、直放站和漏缆监测设备等。

3.1 核心网设备

G S M-R系统的核心设备是移动交换子系统（SSS），主要包括移动业务交换中心（M SC）、拜访位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AuC）、设备识别寄存器（EIR）、互联功能单元（IW F）、组呼寄存器（GCR）、短消息服务中心（SMSC）和确认中心（AC）等[4]。

核心网设备主要功能包括：GSM-R系统的基本交换功能、呼叫接续功能及用户数据管理和移动性管理，提供基本的话音呼叫业务和电路域数据传输业务。

3.2 GRIS/GROS

GRIS和GROS是高速铁路网络优化和铁路信息化的重要组成设备。GRIS是连接GSM-R/GPRS网络与外部分组数据网的核心设备，实现车-地各种分组数据信息的高效、可靠传输。GROS为全路所有综合无线通信设备（CIR）和GRIS提供查询归属GRIS IP地址功能，配合GPRS接口服务器实现车-地各种分组数据信息的传输。

GRIS和GROS设备保障了2006年7月1日青藏铁路开通及开通后4年多的正常运营，并实现了CTC/TCDS业务、工务晃车信息业务和地理信息系统业务。2008年济南、上海GRIS实现互联，成功保障京津城际铁路正式通车。2009年1月，太原铁路局GRIS设备实现软、硬件扩容，满足了石太高速铁路的业务需求，实现了太原GRIS与北京GROS的互联。

3.3 GSM-R接口监测系统

GSM-R接口综合监测系统是一个集信令采集分析、数据采集分析、在线用户监视、网络状况监视、查询分析、中断统计和日志图表等多种功能为一体的综合性无线网络监视分析系统，可应用于铁路各类列控系统，包括ITCS系统、LOCOTROL系统和CTCS-3级列控系统。

GSM-R接口监测系统由Abis接口监测系统、A接口监测系统、PRI接口监测系统、综合分析系统、位置跟踪系统和时间同步系统组成（见图1）。

（1）Ab is 接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）之间的通信接口。此接口支持所有向用户提供的服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。

（2）A接口定义为网络子系统（NSS）与基站子系统（BSS）之间（MSC—TRAU之间）的通信接口[5]。此接口传递移动台管理、基站管理、移动性管理、接续管理等信息。

（3）PRI接口定义为CTCS-3级列控系统无线闭塞中心（RBC）与GSM-R系统之间的通信接口。此接口传递的信息包括列控相关的消息与数据。

GSM-R网络的接口监测系统可以对GSM-R网络所有CTCS-3级列控系统用户Ab is接口、A接口和PRI接口的信令进行实时跟踪和记录，可以对BSC与BTS之间2 M环的传输闪断的实时监测与记录，可以实时显示与记录所有CTCS-3级列控系统用户通信过程的电平值、电平质量、TA值等参数。

应用在青藏铁路格拉段的GSM-R网络接口监测系统可以在完全不影响网络正常运行的情况下对网络进行监视，通过对全线ITCS用户接口信令和数据的实时跟踪和记录，监测ITCS用户的所有通信事件，能够获得车载通信单元通信流程，实时监视各个采集链路状态，还可以查询原始信令，用户信令、切换事件、中断事件、告警情况等，导出excel报表，从而对通信中断等故障给出详细的原因分析和判断，定位网络故障，有效提高网络接通率、完善QoS保障体系，自动分析所有在线列车的网络连接和通信状况，对保障基于GSM-R网络的ITCS列控用户安全有效、稳定可靠运行起着十分重要的作用。

3.4 SIM卡及管理系统

GSM-R SIM卡是用户身份模块，应用于机车综合无线通信设备、作业手持台、调车手持台、通用手持台、列车控制系统车载通信设备、机车同步操控系统车载通信设备等，可实现机卡分离管理。SIM卡主要的功能有：数据存储、网络注册、鉴权加密、安全防护等，并配有相应的SIM卡管理系统。

3.5 场强、QoS、路测等测试设备

3.5.1 场强测试设备

场强覆盖是衡量蜂窝移动通信服务质量的重要指标，GSM-R无线网络场强覆盖指标用机车车顶全向接收天线的输入端射频信号最小可用接收电平Prm in（d Bm）来描述。GSM-R无线网络场强覆盖测试仪器主要由测试接收机及天馈系统、测距单元、测试用计算机及相关测试软件组成。该仪器应具有良好的抗振性能，并能适应测试车厢的工作环境。图2是Grffin场强测试系统[6]，Griffin场强测试仪的主要功能是实现采集、存储、编辑、统计处理场强数据。测量时可以通过连接距离传感器采用距离触发或时间触发两种触发方式。

3.5.2 QoS测试设备

网络QoS指标的高低会直接影响列车无线通信的质量和控制系统的稳定[7]。GSM-R网络QoS指标的测试，主要对语音、电路数据和通用分组无线服务业务（GPRS）的指标参数进行测试。性能参数包括语音中的呼叫建立时间和呼叫建立失败概率、电路数据中的端到端传输时延和GPRS业务中的吞吐量等。GSM-R网络QoS测试系统包括测试控制部分、测试终端和机车综合无线通信设备天线等。

3.6 直放站、漏缆监测设备

GSM-R网络中的中继传输设备包括各种直放站和干线放大器。为了实现对网络中的中继设备进行管理，需要采用GSM-R中继传输设备统一管理系统。该系统由监控中心、中继传输设备及通信网络组成，其功能是对GSM-R中继传输设备统一进行远程监控、维护和管理。

漏泄电缆监测系统（LRM S）由监测主机（LCM）、从机（LCS）和信号接入器3部分组成。LRM S利用实时电缆损耗测量和环境参数测量等技术，对漏缆线路进行实时监测、故障及时发现、信息及时上报，为铁路无线通信系统可靠运行和列车运行安全提供可靠保障，为维护单位形成维护修和故障修有机结合的维护规程，提供手段上的支持，确保漏缆线路安全可靠，很好地解决LXC漏泄电缆及时检测和事前维护问题。

3.7 重载铁路无线通信设备

采用GSM-R技术实现的网络化无线机车同步操作控制系统由运营设备和支撑设备组成，运营设备包括机车控制单元（LOCOTROL）、车载通信单元（OCU）、地面应用节点（AN）、GSM-R无线通信网络、可控列尾装置等；运营支撑设备包括LOCOTROL地面维护、OCU监测及出入库检测、AN操作维护终端、GSM-R 网络管理与维护、可控列尾监测及检测等[8]设备。

在工作期间，通过GSM-R无线网络，OCU与AN建立电路数据连接，并向AN登记编组的主控机车号和自身机车号，以主控机车号作为该编组的识别号。AN为同一编组的所有机车建立一个安全数据会议，然后将主控机车OCU发来的数据透明转发至从控机车OCU，同时将从控机车OCU发来的数据转发至主控机车OCU，实现同步。

4 GSM-R技术创新

“十一五”期间，GSM-R技术创新遵循理论创新、技术装备创新、工程技术创新、运营维护创新、管理创新的循环路线（见图3），取得了显著成果。

4.1 重载铁路GSM-R技术创新

面临山区铁路通信可靠性、长大下坡道周期循环制动、长大列车纵向冲动等三大技术难题，经过两年半的工程建设，采用GSM-R技术，自主开发地面应用节点、机车通信单元等成套传输设备，实现了网络化无线机车同步操控系统，2006年3月18日，在大秦线成功开通运行2万t重载组合列车。大秦线从年设计运量1亿t迅速提升，2006年大秦线年运量达到2.5亿t，2007年达到3.0亿t，2008年达到3.4亿t，2011年预计达到4.5亿t以上，经济效益十分明显。

4.2 高原铁路GSM-R技术创新

2007年7月1日，面临多年冻土、高寒缺氧、生态脆弱三大世界性难题，经过三年半的试验段科学试验和工程建设，在青藏铁路格拉段应用GSM-R技术实现了ITCS系统，建成了世界上线路最长、海拔最高的青藏高原铁路，它是我国第一条基于无线通信实现列车运行控制系统的线路，也是第一条应用GSM-R技术，自主研发GRIS，实现调度命令、列车停稳信息、列车进路预告信息、无线车次号信息等CTC数据传输，为后续新线建设和我国铁路GSM-R技术规范的制定积累了丰富的经验。

4.3 高速铁路GSM-R技术创新

GSM-R系统的Qo S指标完全满足350 km/h条件下CTCS-3级列控系统信息传输需求。2009年12月26日、2010年2月6日，武广、郑西高速铁路开通运营，最高运营速度350 km/h，最小追踪间隔3 m in。这两条高速铁路的GSM-R 系统无线网络优化采用接口监测系统、场强测试仪、QoS测试仪等先进工具，实现了调度通信、CTC数据和CTCS-3级列控系统安全数据传输等应用业务。

4.4 GSM-R网络互联互通

2006年8月21日，“GSM-R相关技术研究——GSM-R网络工程互联互通功能性测试”项目正式启动，在北京、广州、西安联网进行测试，目标是根据互联互通测试大纲和3GPP，ETSI，UIC等相关规范和要求，验证本地节点之间、本地节点与无线网络之间C/D/G，A，E，Gr，Gb，Gn，L接口的互联互通，解决GSM-R现场组网和高速铁路建设的急需。

2007年12月29日，GSM-R网络互联互通测试按计划完成第一阶段室内静态测试工作及试验，共提交951项测试用例，被测试网络设备成功通过了互联互通测试，制定了8项GSM-R接口技术条件和测试规范，基本解决了GSM-R网络互联互通的技术障碍。

2009年11月30日，GSM-R互联互通测试在第一阶段静态测试的基础上，根据北京、武汉、济南、西安、太原、成都等GSM-R网络建设需要，利用现场网络按计划完成第二阶段动态测试工作及试验，促进了GSM-R目标网建设的顺利进行。

2009年12月，建成GSM-R核心汇接网，实现了互联互通，在北京、武汉、西安三地投入使用。

5 GSM-R技术的演进

GSM-R作为第二代无线通信技术，其信息传输速率、频谱效率等受到自身的限制，无法满足未来高速铁路无线通信系统的总体需求，因此，GM S-R技术需要向下一代铁路无线通信技术演进。

5.1 未来铁路无线通信技术的总体需求

我国最新颁布的中长期铁路网调整规划旨在进一步扩大路网规模，完善布局结构，提高运输质量。体现了原规划快速扩充运输能力、迅速提高装备水平的要求，将发展高速铁路，提高货运线路的重载运输能力，积极发展西部铁路建设。因此为适应高速铁路、重载铁路、西部铁路的进一步发展，需要建立面向新型列车控制系统和铁路安全保障的“下一代专用宽带无线移动通信系统”；为适应数字铁路、智慧铁路、物联网等发展，需要发展无线传感器网络技术、射频识别（RFID）、云计算、无线通信；为适应高速铁路网络、综合交通网络等运营要求，需要发展高速铁路旅客移动信息服务系统。

随着无线通信技术的飞速发展，用户对无线通信服务的需求无处不在。我国高速列车长途跨越1 000～3 000 km距离，京沪高速铁路、京广港高速铁路、沪昆高速铁路、北京（上海、广州）—乌鲁木齐横跨多个铁路局。随着高速铁路网的形成，满足铁路旅客移动信息服务，是高速铁路网可持续发展的需要。

2009年6月，IBM公司在北京成立全球铁路创新中心，提出“智慧铁路”发展策略，其目标是打造安全、高效、绿色、智能的铁路，利用智能信息管理解决运力紧张、运能浪费、运转低效和运营不安全等问题。智慧铁路是利用更透彻的感知和度量、更全面的互联互通、更深入的智能化三大特点，实现智能信息的网络化，进而在整个铁路系统、企业内部以及合作伙伴之间实现信息的互联和共享，将铁路基础设施与互联网连接，形成铁路物联网。

未来的通信网络是一个普遍基于IP的网络，包括网络控制、传输网络、信令网络、交换网络，移动性管理及应用都会基于IP技术来提供。高速铁路无线通信系统也必将普遍使用IP技术进行转变。旅客移动信息服务、智慧铁路及通信网络IP化需求这三股力量正在驱动着GSM-R系统不断向前发展。

5.2 未来向LTE-R的演进

所有信息产品都有自己的生命周期，现有GSM-R系统还有10～15年产品生命周期，在此之后设备升级、维护和运营等成本将极大增加。在未来3GPP将不会充分支持及维护以GSM Phase2+技术标准为基础的GSM-R相关的产品。高速铁路飞速发展，旅客对移动信息服务的需求巨大，智慧铁路的发展及通信网络IP化在驱动着GSM-R系统向下一代铁路无线通信系统演进。

未来高速铁路应用将使用宽带和多媒体业务及新的附加业务，如导航业务 、远程急救、视频监控等。其还将支持新型列车控制和多媒体调度通信、安全监控、提供旅客移动信息服务等。GSM-R应当遵循GSM的趋势演进，引入新的无线通信技术，提高频谱利用率、网络容量和所支持的数据传输速率，同时提高实时性，如正交频分复用技术（OFDM）、多输入输出天线技术（M IMO）、自组织网络、认知无线电、协作中继、协同传输等。鉴于3G技术使用的频点太高，不能满足铁路部门希望经济、实惠地实现网络在广泛地域内的覆盖目标，而且在语音业务上3G技术与2G技术并没有本质区别等诸多因素，UIC明确表示3G技术不适用于铁路。因此，未来GSM-R不会过渡到3G，而是直接过渡到“准4G”的LTE-R技术。UIC认为，已安装的GSM-R系统可以强化其应用，同时铁路部门也应大胆创新，向LTE-R演进是GSM-R发展的必然趋势。LTE能够提供简单、高效、低时延、低造价的网络，同时可以提供安全的话音和数据业务。另外，LTE基于全IP的网络架构，允许电信运营商和铁路运营商共同开发统一的车-地通信系统，并重用已部署的站点和设备，节省投资成本。未来5～10年内GSM-R系统将与LTE-R系统并存，GSM-R网络仍然承担着安全数据传输的工作，而LTE-R系统将承担非安全数据业务。再利用大约10年时间，大力发展LTE-R系统，由两种系统共存的过渡状态向LTE-R系统演进。这样核心网络将向去EPS技术演进，无线网络设备将采用软件无线电技术以适应多模通信的需求。无线一键通（POC）功能将代替VGCS/VBS，话音业务的服务质量将进一步提升；安全数据业务将采用分组交换方式。

6 结束语

我国GSM-R技术从无到有，经过十几年的发展，在我国铁路广泛推广应用，并结合我国铁路运输需要进行了应用创新、技术创新和技术装备研制。通过回顾GSM-R技术在我国铁路的发展历程，描述GSM-R技术在我国高速、重载和高原铁路的创新与应用，重点介绍高速铁路无线网络优化设备、重载铁路无线通信设备，围绕未来铁路建设和发展需要，结合无线通信技术发展方向，提出未来我国铁路无线通信技术演进路线。

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