铁路数字集群通信系统的特点与发展

ixekukuya

摘要：数字集群通信系统采用先进的数字技术、数字信令方式、语音数字编码技术、调制解调技术，集多功能于一体，在技术上和系统容量上满足大型共网的建设要求，能提供指挥调度、电话互连、数据传输、短消息收发等多种业务。文章将针对我国目前主流的铁路数字集群通信系统的特点与发展进行了介绍。
关键词：铁路数字集群通信系统；GSM-R；TETRA；数字信令；语言数字；通信网络
中图分类号：U285 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）32-0089-04
集群系统是一种具有交换和控制双重功能的专用移动通信调度系统，这将使一个国家最先进的通信技术和微加工技术紧密结合，许多连同少量的用户通道合理地将集群控制器的信道分配给用户，在许多用户共用一个通道数互相不干扰的情况下，使专用移动通信系统发展到高级阶段。它的主要特点是连接时间短、高优先级的集群系统共享资源，可以提供备用和应急电话、有线电话网、语音加密、支持传真数据等业务的互操作性。
1　集群制式的移动通信网络
专用无线移动通信系统也经常被使用在集群中的标准（也被称为大区）的移动通信网络中，例如，GSM-R（铁路移动通信全球系统）是在调度的移动通信系统的铁路集成提到的，是专门为铁路通信设计的数字移动通信系统。这是增加的8时隙200kHz带宽TDMA调度通信功能构成的一个集成专用移动通信系统的GSM蜂窝系统上的多种方式。用GSM基础设施提供先进的语音通话服务，以独特的铁路调度服务和信息技术作为一个平台，使铁路部门实现铁路管理信息都共享在这个平台上。GSM-R系统是基于GSM规格的协议，优先级组呼，广播呼叫铁路运输调度通信功能，适用于铁路通信的需求。为了完成功能的调度通信，GSM-R系统和GSM系统是不同的组呼叫寄存器（GCR）是在其结构中增加。更重要的是，GSM-R系统除了具有语音传输功能具有数据传输功能，它可以实现机车主板计算机结合GPS卫星定位系统，控制列车和地面之间的距离，实时传输火车信息，确保列车安全的目的。因此，铁路运输指挥调度通信系统GSM-R网络关闭其网络和业务需求的调度通信，具有安全性和实时性等特点，只需要有限的互操作性，这是与外部的通信网络，实现铁路运输指挥和业务需求。铁路专用电话网，铁路网互连的各种MIS信息，在一定程度上，可以与公共网络互连互通，保证各类业务之间的顺序开展。
2　GSM-R的组成及特点
从集群通信的角度来看，GSM-R是基于GSM技术在公共网络上的调度通信功能，是专门用于铁路无线通信数字集群通信系统的整合。其突出的特点是从自动列车控制信息传输的高速铁路调度通信的语音通信到统一的无线通信平台。这是一个全功能的、高效的通信系统集成先进的通信信号。GSM-R可提供包括列车调度通信、货运调度通信、牵引变电调度通信、调度和专用通信站通信、应急通信、施工养护通信和交叉通信等功能。
GSM-R能满足列车运行速度500公里每小时安全的无线通信的要求。GSM-R通信系统由6个子系统：切换子系统（SSS）、基站子系统（BSS）、操作和维护子系统（OMC）、通用分组无线电服务子系统（GPR）、终端子系统和移动智能网络子系统（IN）中的网关构成，并通过切换子系统（SSS）的网关移动交换中心（GMSC），以实现所述互连和所述电路的其他的通信网络的操作，通过通用分组无线服务系统（GPRS）支持节点（GGSN），以实现与其他分组数据网络业务的互操作性。GSM-R通信系统包括：交换机、基站、机车通信设备、移动电话和其他设备。开关是GSM-R系统的核心，其主要的CPU处理器和各种功能模块包括：CPU处理器、交换结构、内部总线、双备份配置。这双备份的硬件结构和完整的软件系统具有很高的可靠性，专门开发用于铁路通信系统的基站覆盖范围的要求，特别适用于恶劣的自然环境和无人值守的铁路沿线的类型。GSM-R网络，它就像普通的GSM手机一样能进行语音通话，但也具备增加铁路运输专用调度通信的功能，甚至能够无线传输图像和数据信息。GSM-R铁路综合数字移动通信系统与GPS卫星定位技术相结合，以实现通信和信号技术的深度融合。电子地图和卫星定位技术相结合，使工作人员远在千里之外就能对列车运行状态一目了然。
为了满足铁路传输的高可靠性，覆盖范围、服务质量和网络的可用性是一个重要的铁路通信系统。GSM-R系统使用了独特的算法和小区规划，成功地克服因信号失真引起的过高的速度，以减少信道切换，从而大大提高了通信系统的可靠性。GSM-R系统在该地区的网络规划，能有效利用现有资源。根据现有铁路系统的机房条件、供电能力、传输条件，铁路系统的使用接下来要考虑的是基站站点易于维护，并提供广泛的网络覆盖解决方案，以满足铁路覆盖。同时含有平面也可用于覆盖和含有链覆盖网络覆盖区域和覆盖全国的GSM-R系统可以被配置。链涵盖，例如铁路沿线、车站及枢纽地区的覆盖面，GSM-R系统将完成无线列调功能，更重要的是举办一些重要的控制序列数据，这需要设有铁路的双网络覆盖覆盖，以确保可靠的无线数据传输通道和车站。我们应该改变现状，一旦铁路沿线的带状分布300公里范围内，每小时列车运行大约以每75秒的速度沿铁路线实行无线覆盖。出于这个原因，在连接中的相邻小区的重叠区域中，设置了一定的深度，以减少在弱电场区域的可能性。随着列车速度的移动台与小区半径越大，则重叠区域具有足够的长度。GSM-R细胞的冗余覆盖，缩短了基间隔，使得移动台始终是在2小区覆盖范围内。因此，GSM-R系统有一个非常独特的地方，它的信号采取了双重覆盖，这是类似的双机备份，两套信号控制系统交错重叠。一旦一套系统出现了问题和故障，另一套系统仍然可以保持正常的通信，以保护高速列车运行通信的连续性。
在双沿铁路线网络组BTS，形成两个不同的层，每一层由所述特定BSC控制。分布结构有两种：BTS设备安装在同一台机器上的位置的两个层，这两层是相同的覆盖区域；间隔机器位置的两层BTS设备的安装。这两种方案，前者的特点是易于安装和成本较低，但对自然环境影响设备的运行情况，两层BTS将失败，而后者具有更高的成本和复杂的安装，但另一个层对自然环境影响较小，层的中断服务不会受到影响。出于安全考虑，后者是更好的，如果你考虑到安装成本和设计的复杂性，前者是更好的。此外，为了防止相互干扰的两个层，每一层分别具有不同频率。所述基站系统使用相同的站地址冗余双层结构，在相同的方式，有利于天线设置。
3　地面集群无线电通讯——TETRA
泛欧集群无线电系统，陆地集群无线电通信（TETRA）为欧洲的数字集群通信标准的数字集群系统，是基于数字时分多址（TDMA）技术的无线集群移动通信系统。该系统是ETSI（欧洲电信标准协会）的制造商和检测部门，甚至政府部门都联合使用它，以满足欧洲国家的专业部门建立一个统一的标准，开放的系统设计满足了移动通信的需求。TETRA数字集群通信系统的功能和技术规格适合应用于生产指挥，相同的技术平台、广域网的数据传输和语音服务的数字无线通信适合于指挥调度。TETRA数字集群系统还支持强大的移动台（DMO）、离网直接认证、空中接口加密和终端到终端的加密。TETRA数字集群通信系统也有虚拟专用网络的功能，可以使一个物理网络为多个不相关的组织。TETRA数字集群系统具有丰富的功能、更高的频率利用率、高通信质量，组网灵活，具有许多新的应用（车辆定位、图像传输、移动互联网、数据库查
询等）。
TETRA主要技术特点：信道间隔为25kHz；调制，r/4DQPSK；调制的信道位速率为36kbit/s；
语音编码速率为4.8kbit/s的（ACELP）；接入方式的TDMA（4槽）；用户的数据传输速率为7.2kbit/s（每个时隙）；可变范围的数据速率为2.4～28.8kbit/s；访问协议时隙ALOHA。TETRA系统空中接口帧结构：TETRA移动无线电规范分为V+D（语音+数据）和PDO（分组数据优化）。邮箱信息和电子、快速管理和快速调度、媒体信息、远程数据访问、电脑文件传输、视频和多媒体X.25协议的分组交换虚电路在整个信息的快速传递主要依靠TETRAPDO应用程序来实现。TETRAV+D系统使用TDMA多址接入的模式和n/4QPSK调制方法，调制的信道具有36kbit/s的比特率。TETRAV+D空中接口定义了七种脉冲串，其特征在于上行链路，下行链路4种。控制上行链路脉冲串中包含的信息的上升和PA线性化，尾随位加扰的比特，训练序列和导向周期，高级别每7.08ms子时隙可以携带168比特的信息。上行链路的线性爆裂，包含的崛起和PA线性化信息和指南周期的，突发仅用于控制的硬件性能和高层次的信息不发送。正常的上行链路突发，占据了整个85/6ms槽，包括上升和PA线性化资讯、尾随位、炒位、训练序列和导周期，每个85/6ms的插槽，可搭载432位高层次的信息。正常连续的下行链路突发，包括一个训练序列和相位调整加扰位，每个85/6ms的插槽可以进行462位或246位的高层次信息。同步的连续的下行链路脉冲串中包含的训练序列，该相位调整，频率校正，加扰的比特，在同步用训练序列，每个85/6ms插槽可以进行366位或150位高级别信息的发送。正常不连续的下行链路突发包括上升和PA线性化的信息、相位调整、扰频比特的训练序列、引导周期等，每个85/6ms的插槽，可以进行462位高级别信息的发送。同步的不连续的下行链路突发的上升和PA线性化的信息，相位调整，扰频同步比特块，同步加扰的比特的训练序列，引导周期，每个85/6mS插槽可以携带366比特的高级别信息。
TETRA的主要优点是：完整性良好的调度功能；呼叫建立快（通常小于1秒）；终端到终端的加密安全模式；强大的直接功能。该系统是专业的部门，如警察、消防、救护、机场、港口、地铁、轻轨广泛使用，但铁路部门需要解决以下不足之处：切换和漫游功能弱。TETRA基站覆盖区域为基本单元区域网络结构上的汇率制度和汇率制度之间的互连能力，让用户漫游能力薄弱，需要频繁使用的用户跨网漫游和全国联网的铁路需要的，功能显然是不足的。不为铁路用户的需求制定相应的标准，到目前为止，没有世界的可行性研究和分析的干线铁路的应用程序，而不是做了现场试验为主线铁路上的应用，特别是不要有任何国家的高速铁路的应用研究和试验。已不能满足铁路信号、列车控制系统和远程控制的需求。到目前为止，还没有TETRA技术的列车控制系统的发展。
4　铁路数字集群通信系统的发展
模拟集群通信系统相对于无线列调的通信系统来说，成本更高，结构更复杂，但在组呼叫、网络调度、削弱关键技术的故障有明显的优势。国家标准工作组（L组）根据ITU（国际电信联盟）推荐一些优秀的数字集群系统，在合理的性价比、开放性的标准、先进的技术、系统的灵活性和环境适应性的首选标准的基础上制定一个开放的系统TETRA和iDEN数字集群通信标准，在适合中国的国情和市场需求的基础上，将很快颁布国家工作委员会出台的标准，这标志着数字集群统一规划，研究和发展将纷纷效仿。外国的iDEN、TETRAFHMA系统、数字集群通信系统的技术已经成熟，出现了大量的应用程序，设备基本上是健全的。
（1）调度功能的语音通话，主要是单一的呼叫、组呼、呼叫团队、所有的呼叫、紧急呼叫、转移呼叫，还包括呼叫排队占线自动回叫、组呼的主调度呼叫。随着新一代的多基站系统和多系统的联网要求的组呼，可以跨越多个基站和多个系统，这是一个重要的指标，以反映集群系统技术先进。此外，集群系统的呼叫连接建立时间短，跨多个系统组呼呼叫的连续时间小于700毫秒，无线列调系统的点是很难做到的。
（2）管理系统的网络结构广泛应用了计算机网络技术中。指挥中心可以通过网络接口的TCP/IP协议来访问指挥中心的网络平台，实现远程指挥和调度、远程监控以及用户友好或供应商的集群进行远程维护和管理。模拟集群通信系统的调度命令的功能是模拟强大的集群系统，列车调度实现无线网络调度。
（3）故障弱化体现在两个方面，网络的拓扑结构和软件设计。集群系统通常有一个集中式控制结构和分段控制。对于控制系统基站交换控制中心和中继链路连接时间，集中式控制系统具有绝对的优势。信令信道可用于软件设计的定时开关或故障切换的情况下的正常工作的保护，也可以被检测到由千的加扰的情况下，发送器和接收器的发射功率是正常的关闭失败的频道。模拟集群通信系统能够做到：有线接口故障不影响通话的无线用户之间的语音交换，单元故障不会影响无线基站的用户呼叫控制中心，链路故障不影响工作的子基站。用传统的通信手段，子基站信号将减弱。
（4）具有频率共用，设施共用，覆盖范围共享，费用分摊，提高服务质量，连接速度快，呼叫安全，无线的信道利用率，易于扩展，易于使用，自动运行，信息保密等方面的优势，另外，还支持多种通讯及数据服务，排队和优先级呼叫，呼叫统计和计费的无线列空调系统的优势。
5　结语
虽然模拟集群通信系统与数字集群通信系统、GSM-R系统相比具有频率低，业务类型是有限的，不能提供高速数据业务，保密性差，容易被窃听，移动设备笨重，网络管理和控制某些不足等问题，但根据铁路的情况和需求，使用模拟集群通信系统更加适合。模拟集群通信系统在世界上，技术相对成熟，价格远低于数字集群系统和GSM-R系统，模拟集群通信系统充分满足了用户的需求。
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（责任编辑：秦逊玉）