GSM-R在铁路通信中的应用 本科毕业论文(2)

兰州交通大学毕业设计（论文）

第二章 GSM-R基础 第一节 GSM-R基本原理

GSM-R （GSM for Railway）是在 GSM 蜂窝系统上增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的要素组成，能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信要求的技术。由于 GSM-R 可实现跨越国界的高速和一般列车之间的通信；能将现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中，以减少集成和运行费用；而且由于 GSM-R 是由已标准化的设备改进而成，GSM 平台上已经提供了大量的业务，因而引入铁路专用的功能时只需最低限度地改动，故能保证价格低廉、性能可靠地实现和运行；在 GSM Phase 2＋中添加了 ASCI（增强的语音呼叫业务）特性，能灵活地提供专网中所需的语音调度服务如 VBS、VGCS 和 eMLPP，因此 GSM-R 是面向未来的技术，它将从广阔的GSM 公网市场和 GSM 技术的不断演进中获益，具有巨大的发展空间。GSM-R 在欧洲取得巨大的成功，目前超过 30个铁路公司已承诺在其国际路网中使用该技术[3]。

GSM-R 系统很多技术借鉴了公网的 GSM 技术，保留了 GSM 的大体结构，使得从一开始GSM-R 系统就是一个成熟可靠的系统，它的绝大多数软硬件都已在现网中得到检验。不仅如此，由于二者都可以工作在 900M频段，因此在无线网络规划方面也是基本相同的。 GSM-R系统的规划设计也可借助于已成熟的 GSM 系统工具，可以方便快捷地为用户提供网络设计安装。GSM-R 的基本特性已在铁路网的 MORANE 试验中得到安装、测试和验证。出于众多的需要，GSM 新技术如 GPRS已经规范化并将安装使用。向 UMTS的演进将提供新的业务和更加强大的无线系统。GSM-R 据此可最大限度地引入新的业务。业务模型如图2-1所示。

图2-1 GSM与GSM-R的关系——业务模型

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蜂窝移动通信系统诞生于 20 世纪 80 年代，第一代的模拟蜂窝系统解决了移动电话业务中长期存在的阻塞和服务质量差的问题。随着数字通信技术的发展，模拟蜂窝系统在用了十年左右的时间就被淘汰了，新的数字移动通信系统成为移动通信的主流。本文将从面状覆盖和线状覆盖两种覆盖方式的角度来介绍GSM-R工作原理[10]。

一、面状覆盖 （一）小区形状

在面状覆盖的服务区中，通常采用正六边形的小区形状。六边形比正方形和正三角形在半径相同的情况下，覆盖面积要多 30%~100%。因此采用六边形的设计需要较少的小区，较少的发射基站。

（二）频率复用

在蜂窝系统中，系统会给每一个小区的基站分配一组信道，只要相隔距离足够远，相同的信道可以在另一个小区重复使用，这就是频率复用的思想。我们把由若干个使用全部频率的小区组成的集合称为一个簇，把不同簇中使用相同频率的小区称为同频小区，任意两个同频小区之间的距离称为同频复用距离。为了避免同频小区之间的干扰，必须选定一个合适的同频复用距离。

构成一个簇必须满足：簇的区域能彼此邻接且无空隙地覆盖整个面积；相邻簇间同频小区的距离相等且为最大。设一个簇中的小区数为N,满足以上条件的N的取值是有限的，可以通过式 2-1 确定N的值。

N?i2?ij?j2 （2-1）

其中，i，j为非零正整数。这一公式提供了寻找最近的同频小区的方法：沿某一小区的任意一条六边形链移动i个小区后，逆时针旋转 60 度后再移动j个小区，此时到达的小区即为同频小区。图 2-2 为 i=3，j=2，N=19 的情况。设两个同频小区之间的同频复用距离为D，小区的半径为R可用下式计算

D?3NR （2-2）

由 2-2 式可见，小区的半径越小，同频复用距离就越小，频率利用率就越高。但是如果同频复用距离D越小，同频小区之间的干扰就会越大。为了更好的表达频率复用率与系统容量之间的关系，我们引用D与R的比值来作为衡量系统容量的一个重要参数，这一比值称为同频复用比，用Q来表示：

DQ??3N （2-3）

R 7

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可见，Q的值只与簇的大小有关，Q的值越小，系统容量越大；但是Q值大可以提高传播质量，因为同频干扰小。在实际的蜂窝系统设计中，要恰当的选择Q值，在容量和干扰之间进行折衷。目前常用的蜂窝网簇的结构有N=12、9、7、4 和 3。

图2-2 寻找同频小区的方法

（三）提高系统容量的方法

随着用户数量的增长，需要不断地提高蜂窝系统的容量。实际中常使用的提高蜂窝系统容量的方法有小区分裂和划分扇区。小区分裂根据用户密度的变化，在现有小区的基础上划分更小的小区来提高频率复用率。划分扇区利用天线的方向性来控制干扰，从而提高系统容量。

（四）位置理论

在蜂窝网络中有以下几类与区域有关的概念：

小区：一个 BTS所覆盖的全部或部分区域（扇区），是最小的可寻址无线区域。 位置区：移动台可以任意移动但不需要进行位置更新的区域，一个位置区可由一个或多个小区组成。当 MSC 寻找移动台时，只需要在移动台所属的位置区进行呼叫，而不需要在整个 MSC 区内呼叫移动台，如图 2-3所示。

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MSC区：一个 MSC 管辖下的所有覆盖区域，一个 MSC 区可有一个或若干个位置区组成。

服务区：移动用户可以获得服务的所有区域。

MSC/VLR通过信令点代码寻址 BSSBSS通过信令点代码寻址小区小区小区小区小小区小区小区小区小区小区区小区位置区位置区位置区

图2-3 小区和位置区

MSC 可以通过位置区识别码（LAI）和全球小区识别码（GCI）来识别位置区和小区。位置区识别码由三部分组成：LAI = MCC+MNC+LAC，全球小区识别码是在 LAI的基础上再加上小区识别码（CI）构成的，其结构为 GCI = MCC+MNC+LAC+CI，GCI可以全球范围内唯一地标识一个小区。

MSC 可以通过 BSC 的信令点代码（CCS7 地址）寻址一个小区，虽然在呼叫建立的过程中 MSC 不需要知道用户所在小区的位置，但是为了测量话务量 MSC 仍需要知道用户所在的小区。用户在 MSC 的 VLR 中的位置不是建立在小区的基础上的。在 VLR 中存储的是用户的位置区，即利用位置区来寻找用户。可以将一个或多个位置区唯一地分配给一个 BSC，通过BSC 的信令点代码在所在的 MSC 中实现位置区和所有小区的地址逻辑。还可以给小区分配一个位置标志码，它是一个与小区相关的完整的电话号码，可以用作 GSM 紧急呼叫的拨号信息，或者用来替代该信息，用作紧急呼叫的拨号短代码。

越区切换时移动用户从一个MSC/VLR切换到另一个MSC/VLR区域中， 因此前一个MSC必须知道后一个 MSC 的位置区。对于一个 MSC，它不仅应该知道与它相邻的、可能发生越区切换的 MSC 的位置区，还应该知道其他的一些外部位置区。

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移动用户在位置区中必须进行位置登记，移动台的位置信息储存在位置寄存器功能单元（HLR 和 VLR）中。移动台要不断地向 MSC 的 VLR 提供自己的位置信息，这一过程叫做位置更新。

位置区的划分要考虑两方面的原因：登记和寻呼。如果一个位置区包括了整个 MSC 的业务域，那么它的登记的代价是最小的，即位置更新的次数最小，但是寻呼的代价是最大的，即 MSC 需要向所属的所有移动台发出寻呼信息。反之，如果一个位置区就是一个小区，那么寻呼的代价最小，登记的代价最大。

二、 线状覆盖

通常面状覆盖用于城市、乡村等地域宽阔的地带，而在铁路、公路、狭长的水面上这样的呈带状的地区，往往采用线状覆盖的方式。本论文介绍的 GSM-R 系统应用于铁路，应当采用线状覆盖的方式。线状覆盖使用的蜂窝基本原理与面状覆盖类似，只是在小区频率组的分配和重叠区的问题上要单独考虑。铁路沿线的覆盖示意图如图2-4所示。

图2-4 铁路沿线的覆盖示意

（一）频率的分配

在线状覆盖中，一般以圆形小区为模型来进行分析和设计，如图 2-5所示。沿着覆盖区域的分布按照n个小区为一组的间隔可以进行频率复用，n的取值要考虑到频率利用率、同频干扰和建网成本，一般可以取 2、3、4。

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图2-5 线状覆盖的频率复用

（二）重叠区的确定

在铁路或公路的覆盖中，移动台往往处于高速移动状态，信号的场强变化复杂，很难确定相邻小区的覆盖边界，通常从场强的平均变化这一意义上来理解覆盖区域。为了保证在覆盖区域尽可能不出现弱场区，要保证相邻小区间有一定的重叠范围。确定重叠

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