我國鐵路GSM-R的建設與發(fā)展

■ 馬芳

國際鐵路聯(lián)盟（U IC）提出的鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R），經(jīng)過長期深入的研究，已經(jīng)成為對各國鐵路專用移動通信系統(tǒng)由模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)演進有重大影響的技術。早在1994年，我國鐵路即開始對鐵路無線通信技術演進方向的研究，相繼對模擬集群、TETRA和GSM-R等技術進行理論研究、技術比選和工程試驗，結合我國鐵路發(fā)展的需求，特別是高速鐵路列車控制系統(tǒng)的需求，于2003年將GSM-R確定為我國鐵路數(shù)字移動技術的基本制式。在隨后的幾年里，我國鐵路通過引進、消化、吸收、再創(chuàng)新，使GSM-R走上快速發(fā)展的道路，在列車控制、高原鐵路、貨運重載成套技術的形成和發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，特別是在高速鐵路建設和運營中GSM-R技術體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，進一步推動GSM-R技術在世界鐵路范圍內(nèi)的延伸，帶動了高速移動通信技術的發(fā)展，促進了GSM-R產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

1 網(wǎng)絡規(guī)劃和建設

為適應我國鐵路路網(wǎng)結構和運輸模式的實際情況，GSM-R技術引入我國之后，在網(wǎng)絡結構、功能實現(xiàn)、業(yè)務應用、配套設備等方面都存在再規(guī)劃、再開發(fā)和本土化的問題，GSM-R要在我國獲得長足的發(fā)展，滿足我國鐵路運輸組織的要求，必須進行系統(tǒng)全面的功能試驗驗證。從2003年開始，我國鐵路陸續(xù)在格爾木—拉薩、大同—秦皇島、濟南—青島開通試驗線，分別采用廠商提供的網(wǎng)絡設備開展GSM-R試驗應用，積累了大量的網(wǎng)絡建設基本經(jīng)驗。2005年制定了GSM-R網(wǎng)絡技術規(guī)劃，確定我國鐵路GSM-R總體技術方案（技術體制），為GSM-R技術的發(fā)展奠定了堅實的基礎。

1.1 核心網(wǎng)規(guī)劃和建設的特點

我國鐵路路網(wǎng)的基本特點是：規(guī)模大、點多線長，以鐵路局為中心進行區(qū)域化運輸組織。鐵道部組織專家針對這些特點進行深入研究和反復論證，在借鑒歐洲鐵路GSM-R組網(wǎng)經(jīng)驗和我國移動通信運營商網(wǎng)絡運營經(jīng)驗的基礎上，確定了我國鐵路GSM-R核心網(wǎng)的建設組網(wǎng)模式，即設置北京、武漢為全國核心網(wǎng)骨干業(yè)務節(jié)點，在北京、武漢、西安三地設置區(qū)域的話務匯接中心。

我國鐵路GSM-R核心網(wǎng)規(guī)劃包括電路域、智能網(wǎng)和分組域。電路域核心網(wǎng)采取統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一建設、分步實施的策略，19個核心網(wǎng)節(jié)點隨著鐵路建設項目安裝調試和聯(lián)網(wǎng)。智能網(wǎng)采用業(yè)界通用的業(yè)務控制點（SCP）集中設置方案，全網(wǎng)設置一對具有異地容災備份功能的SCP，基于CAM EL3協(xié)議實現(xiàn)智能網(wǎng)業(yè)務功能。分組域采用二級網(wǎng)絡結構，通用分組無線服務業(yè)務（GPRS）本地網(wǎng)與歸屬M SC同址設置，骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)路由由鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)承載。

目前，已完成北京和武漢核心節(jié)點之間的地理容災和冗余備份處理系統(tǒng)建設，形成北京、西安、武漢路由匯聚交換層，建成開通12個GSM-R核心交換節(jié)點，后續(xù)節(jié)點將逐步建設，并實現(xiàn)重要節(jié)點的冗余備份。

1.2 無線網(wǎng)技術規(guī)劃和建設的特點

我國GSM-R無線網(wǎng)規(guī)劃建設綜合考慮了鐵路運輸?shù)母鞣N應用場景，策略是：統(tǒng)一規(guī)劃、按線建設、分等級裝備。無線網(wǎng)規(guī)劃的重點是新建高等級鐵路、應用分散自律調度集中指揮系統(tǒng)（CTC）的線路、運行CTCS列車控制系統(tǒng)的線路和開通重載組合貨運列車機車同步操縱系統(tǒng)的線路，進一步考慮在擴能改造和提速線路上應用，最終實現(xiàn)在路網(wǎng)干線上全面應用。

在普速線路，一般采用單層網(wǎng)覆蓋方式；在高速鐵路線上，采用深度冗余技術和高可靠性產(chǎn)品，構建單層交織覆蓋無線網(wǎng)絡，有效避免單點故障引起的網(wǎng)絡中斷；在部分特殊的線路，如青藏鐵路和大秦線則采用同站址雙基站無線覆蓋方式，提高GSM-R網(wǎng)絡的可靠性和可用性。針對復雜的地理環(huán)境，采用基站與光纖直放站相結合技術，優(yōu)化網(wǎng)絡覆蓋質量，目的是在保證基本功能的前提下，盡可能節(jié)約建設投資。目前我國鐵路已經(jīng)建成GSM-R無線網(wǎng)約1.3萬km，在建網(wǎng)絡近6 000 km，規(guī)劃網(wǎng)絡約6.2萬km。

2 業(yè)務發(fā)展和應用

我國鐵路GSM-R業(yè)務取得了長足的發(fā)展，承載的業(yè)務覆蓋鐵路行車指揮、運營維護、安全監(jiān)控等多個方面，按業(yè)務類型分為4類。

（1）話音通信類：提供列車無線調度通信、公務通話、區(qū)間治安防范、施工養(yǎng)護、應急通信等業(yè)務。包括點對點呼叫、功能尋址、位置尋址、廣播呼叫、語音組呼、緊急呼叫、多優(yōu)先級強拆、呼叫限制等功能。

我國鐵路調度通信在結構和功能上均有別于歐洲GSM-R語音通信系統(tǒng)，我國調度通信系統(tǒng)關鍵技術裝備基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化，其中自主研制的固定用戶接入交換機（FAS），既能滿足與移動業(yè)務交換中心（M SC）互聯(lián)承載GSM-R話音業(yè)務的要求，也可以兼容我國鐵路既有調度通信系統(tǒng)的功能。交換機、調度臺、機車綜合無線通信設備（CIR）、專用作業(yè)手持終端（OPH）、通用手持終端（GPH）等移動話音終端和SIM卡也實現(xiàn)了國產(chǎn)化，并隨著第一條GSM-R線路的開通投入現(xiàn)場應用。

（2）電路域數(shù)據(jù)傳輸類：包括列車運行控制信息、機車同步操控信息、組合貨運列車列尾風壓信息等使用GSM-R電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務。

（3）GPRS分組域數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務：包括調度命令信息、車次號校核信息、車載監(jiān)控裝置信息、客運信息等。其中調度命令信息傳輸是我國CTC的重要組成部分，調度命令傳輸業(yè)務將列車的車次號自動校核信息、臨時調度命令、前方車站的進路預告信息等通知到列車司機，為此，鐵道部組織制定了GSM-R車次號/調度命令信息傳輸技術方案，研制開發(fā)了GPRS接口服務器（GRIS）、GPRS用戶歸屬服務器（GROS）、車次號編解碼器、機車綜合無線通信設備等系統(tǒng)設備和終端，成功地解決跨鐵路局、跨調度區(qū)段的調度命令信息傳輸問題，大大提高了行車指揮信息傳輸?shù)男省?/p>

（4）數(shù)據(jù)與話音同傳（編組站調車通信）業(yè)務：我國鐵路編組站的作業(yè)模式與歐洲有很大區(qū)別，主要表現(xiàn)在調車組成員之間的通信需要提供數(shù)話同傳業(yè)務，既要在通話的同時進行安全數(shù)據(jù)傳輸，還要進行調車作業(yè)單的傳送。為滿足大、中型編組站的安全數(shù)據(jù)、調車單、語音組呼等通信要求，我國鐵路進行了GSM-R系統(tǒng)承載編組站通信業(yè)務的嘗試。在GSM-R網(wǎng)絡設備供應商的技術支持下，采用1.5VGCS信道的通信模式，即講者利用組呼信道之外的0.5專用信道發(fā)送安全數(shù)據(jù)，聽者利用組呼信道的上行信道發(fā)送安全數(shù)據(jù)，在新豐鎮(zhèn)編組站成功實現(xiàn)了數(shù)話同傳業(yè)務，滿足端到端安全控制數(shù)據(jù)傳輸延遲小于500 m s的要求。目前，已通過終端與網(wǎng)絡的工程試驗，效果良好。

3 技術標準的發(fā)展

在深入研究UIC EIRENE功能需求規(guī)范（FRS）和系統(tǒng)需求規(guī)范（SRS）的基礎上，鐵道部組織技術人員結合我國鐵路路網(wǎng)結構、運輸組織的特點，根椐設計、施工、維護、設備研發(fā)等不同階段的工作需要，制定成套的我國鐵路GSM-R技術標準。主要包括：

（1）系統(tǒng)類標準：包括名詞術語，總體技術方案、編號計劃、智能網(wǎng)、GPRS、調度通信等；

（2）工程類標準：包括工程設計規(guī)范、施工指南、驗收規(guī)范等；

（3）設備類標準：包括機車綜合無線通信設備技術條件、手持臺、中繼傳輸設備等；

（4）應用業(yè)務類標準：包括調度通信、調度命令信息傳送技術條件等；

（5）接口和測試類標準：包括FAS與GSM-R接口、歸屬位置寄存器（HLR）與SCP接口等；

（6）維護類標準：包括運用質量標準、維護規(guī)則等。

以上標準分別以鐵路標準、技術條件、暫行技術條件、規(guī)則等形式發(fā)布，在我國鐵路GSM-R系統(tǒng)建設和發(fā)展中發(fā)揮了重要的理論指導作用。隨著實踐的逐步深入，鐵道部還將根椐實際應用中的具體情況不斷組織完善更新。

4 互聯(lián)互通測試

為適應我國鐵路分線分期建設模式和GSM-R系統(tǒng)由多個供應商設備組網(wǎng)的需要，鐵道部于2006年啟動對不同廠商GSM-R網(wǎng)絡設備互聯(lián)互通功能性測試。通過試驗室測試和工程現(xiàn)場測試，對不同廠商提供的交換網(wǎng)、無線網(wǎng)、智能網(wǎng)、GPRS設備功能及其互聯(lián)之后的系統(tǒng)功能進行全面驗證，包括GSM-R電路域、分組域、智能網(wǎng)的基本功能和鐵路特殊功能，以及點呼、組呼/廣播、優(yōu)先級呼叫/強占、呼叫限制、功能號呼叫等鐵路特殊業(yè)務。

實驗室測試階段，無線網(wǎng)設備與核心網(wǎng)之間采用不同廠商之間的6種混合組網(wǎng)模式，核心網(wǎng)節(jié)點之間則通過長途電路將分布在北京、廣州、西安的供貨商實驗室設備連接起來進行。歷時3年，通過實驗室和工程現(xiàn)場兩個階段，完成廠商之間核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、智能網(wǎng)、GPRS相互之間的1 359項互聯(lián)互通測試用例，驗證本地節(jié)點之間、本地節(jié)點與無線網(wǎng)絡之間C/D/G，A，E，G r，Gb，Gn，L接口的互聯(lián)互通能力，達到了預期目標。2011年，啟動廠商設備之間的互聯(lián)互通測試。

通過互聯(lián)互通測試，不僅為多廠商GSM-R設備互聯(lián)組網(wǎng)掃清了技術障礙，同時形成我國鐵路GSM-R數(shù)字移動通信網(wǎng)接口測試規(guī)范，為后期進行的接口監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)、工程建設期的網(wǎng)絡調試、投入運營后的維護管理，以及設備升級、擴容測試等提供了重要的技術依據(jù)。

5 網(wǎng)絡運營管理

5年來的GSM-R運營維護工作中，以鐵路專用通信維護部門為主導，以設備供貨商為技術支持，制定了一系列GSM-R網(wǎng)絡維護管理辦法、測試方法，針對我國鐵路GSM-R面臨的一些突出問題，如開放環(huán)境中無線電干擾、設備故障、業(yè)務應用設備故障，以及使用人員操作使用不當?shù)戎苯佑绊懢W(wǎng)絡服務質量的問題，進行持續(xù)的監(jiān)控和優(yōu)化，實現(xiàn)了網(wǎng)絡的穩(wěn)定運行和運用質量的不斷提高。

一是全面掌握網(wǎng)絡狀況。鐵道部基礎設施檢測中心和有關鐵路局利用檢測車定期進行GSM-R網(wǎng)絡性能質量測試，利用網(wǎng)管和接口監(jiān)測設備，實時跟蹤監(jiān)測CTCS-3級列控車載設備的網(wǎng)絡通信行為，鐵道部、鐵路局每月對GSM-R網(wǎng)絡及其承載的應用業(yè)務進行運用質量統(tǒng)計分析，通過對這些數(shù)據(jù)的綜合分析，為網(wǎng)絡優(yōu)化提供有效的依據(jù)。

二是維護GSM-R沿線電磁環(huán)境的安全。鐵道部組織專業(yè)無線電檢測隊伍，采取定點測試與動態(tài)掃描相結合，必要時關閉基站測試的方法，定期對GSM-R沿線周邊電磁環(huán)境進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)干擾源并配合清頻。在國家無線電管理部門的支持下，鐵道部、鐵路局與各地方無線電管理部門建立GSM-R頻率長效保護機制，加強GSM－R網(wǎng)絡干擾清頻協(xié)調工作，在高速鐵路沿線基本實現(xiàn)階段性清頻目標，保障了GSM－R網(wǎng)絡運用的需要。

三是嚴格管理施工作業(yè)。我國鐵路GSM-R統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施的建設步驟，決定了這個網(wǎng)絡面臨著大量的新建網(wǎng)絡對既有網(wǎng)絡運行狀態(tài)的干擾。頻繁的新增數(shù)據(jù)制作、新入網(wǎng)設備調試、新增核心網(wǎng)節(jié)點互聯(lián)等每一項作業(yè)稍有不慎，都有可能對運行中的網(wǎng)絡帶來難以預料的影響，輕者影響部分業(yè)務，重者造成網(wǎng)絡癱瘓。鐵道部實行嚴格的施工作業(yè)和數(shù)據(jù)管理制度，凡是涉及網(wǎng)絡數(shù)據(jù)變化、核心網(wǎng)互聯(lián)的作業(yè)，實施方案一律由鐵道部審核批準，并指派專業(yè)技術人員現(xiàn)場協(xié)調盯控，確保每一次施工的安全。

6 結束語

我國鐵路GSM-R在發(fā)展、建設過程中，不斷汲取其他國家鐵路和電信運營商的成熟經(jīng)驗，根據(jù)我國鐵路實際，在國際標準的基礎上，補充完善我國鐵路運輸模式下的GSM-R業(yè)務實現(xiàn)方案，探索一套行之有效的工程建設、網(wǎng)絡管理方法，促進了我國鐵路GSM-R的順利發(fā)展。我國鐵路將一如既往地加強國際技術合作，面向各種運營條件，開展GSM-R關鍵技術的研究，使系統(tǒng)平臺更加穩(wěn)定；開展核心網(wǎng)的技術演進及冗余備份方案的研究，進一步提高網(wǎng)絡的可用性；開展無線網(wǎng)絡優(yōu)化理論和維護技術的研究，達到科學維護、實時響應、及時網(wǎng)優(yōu)、穩(wěn)定質量的運維目標；開展GSM-R頻率規(guī)劃技術和綜合業(yè)務實現(xiàn)方法研究，進一步實現(xiàn)資源利用率最大化?？梢灶A見，隨著我國鐵路GSM-R向目標網(wǎng)建設的有序推進，鐵路數(shù)字移動通信網(wǎng)將會發(fā)揮更大的作用。