面向C3系统的GSM-R网络

　　摘要：分析GSM-R数字移动通信网络建设的必要性，探讨基于客运专线列控系统对GSM-R的业务、网络服务质量、网络设计及网络无线覆盖等要求下的设计与建设。
　　
　　关键词：GSM-R网络、CTCS
　　
　　CTCS（ChineseTrainControlSystem）中国列车运行控制系统，是轨道交通系统的神经中枢，它以分级的形式满足不同线路运输需求，保证列车运行安全、有序、高效。GSM-R（GSMforRailways）系统是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统。主要提供无线列调、编组调车通信、区段养护维修作业通信、应急通信、隧道通信等语音通信功能，可为列车自动控制与检测信息提供数据传输通道，并可提供列车自动寻址和旅客服务。
　　为了满足客运专线调度集中、列车控制、旅客列车移动信息的接人服务和动车段采集列车多种信息等大量车一地之间的双向信息传输的需求，发展GSM-R被确定为我国铁路的技术政策。基于GSM-R网络的无线机车信号有如下优点：⑴信息双向传输，有信号回示；⑵岔区信号连续显示；⑶数字信号传输，抗干扰能力强；⑷数据直接取自于联锁，不存在车站电码问题；⑸车载图形化显示，语音提示无须司机问路；⑹采用自律轮询控制方式，应变时间短；⑺便于与CTC，GPS等系统连接，构成新型列控系统。
　　CTCS的体系结构按铁路运输管理层、网络传输层、地面设备层和车载设备层配置。CTCS分为CTCS0~CTCS4五级，随着客运专线的建设和高速铁路研究，CTCS3级列控系统成为300km/h及以上高速动车组的主用列控系统，满足验收速度350km/h，且最小追踪间隔3分钟的要求。CTC3级列控系统是基于GSM-R无线通信实现车地信息双向传输，无线闭塞中心（RBC）生成行车许可，同时具备CTCS2级功能的列车运行控制系统。CTCS3级列控系统车载设备采用目标距离连续速度控制模式、设备制动优先的方式监控列车安全运行。
　　CTCS3在CTCS2基础上，通过集成，地面增加无线闭塞中心RBC，车载ATP增加CTCS2和无线接收模块。CTCS3级列控系统主要包括3部分：地面子系统、车载子系统和GSM-R网络。另外，还有一些外部接口，如列车、联锁设备、调度集中设备和动态监测等接口。系统行车指令由无线闭塞中心(RBC)通过GSM-R网络发送给列车，车载ATP设备按接收到的移动授权及动车组数据，生成控制速度和目标距离控制曲线，控制列车安全运行。轨道占用由轨道电路检测，里程确认通过应答器完成。
　　客运专线列控系统对GSM-R的要求：
　　一、对GSM-R业务的要求
　　(1)数据业务。是指在GSM-R网络上，从车载侧IGSM-R接口到地面侧IFIX接口的数据接入和传输。CTCS3级列控系统需要GSM-R网络提供的数据承载业务具有5个特性：电路交换异步透明数据传输；GSM-R网络应支持多种速率数据传输，包括2.4、4.8、9.6kb/s，其中4.8kb/s异步透明数据传输是承载CTCS3级列控业务的首选方式；非限制数字信息(UDI)；全速率无线信道；只支持数据传输，不支持话音/数据交替传输。
　　(2)补充业务。补充业务是对基本业务的修改和补充。需要GSM-R网络提供的补充业务包括：增强多优先级与强拆，CTCS3级列控业务的优先级为1级；主叫号码识别显示(可选)；被叫号码识别显示可选)；用户到用户信令1(可选)。需要GSM-R网络支持的补充业务包括多优先级与强拆，CTCS3级列控业务的优先级为1级。
　　二、对GSM-R网络服务质量的要求
　　GSM-R网络应支持列车高速运行时车到地和地到车的透明数据通信。因此，列控数据传输对网络服务质量(QoS)提出较高要求。
　　(1)网络注册时延。GSM-R网络注册时延应满足：≤30s(95％)，≤35s(99％)；GSM-R网络注册时延>40S时，被认定为注册失败。
　　(2)连接建立时延。连接建立时延是指连接请求方从发起连接请求到收到连接已成功建立的指示之间的时间间隔。移动用户主叫的连接建立时延应满足：<8.5S(95％)，≤10S(100％)；连接建立时延>10S，则认为连接建立失败。同时，因GSM-R网络存在连接建立失败率，尝试建立安全连接的次数为3次，这样连接建立时延为30秒。
　　(3)用户数据帧传送时延。用户数据帧传送时延是指用户数据帧发起传送请求到该用户数据帧成功传送之间的时问间隔。用户数据帧是指测试数据帧，长度为30Byte。用户数据帧(30Byte)传送时延应满足：≤0.5S(99％)。根据《CTCS3级列控系统运营场景》，车载设备和RBC数据交换时延最大按20秒考虑。
　　(4)链路断开(失效)概率。链路断开(失效)概率是指在累积的连接保持时间内非主动释放的累积次数。连接建立失败概率<10时，链路断开(失效)概率应<0.1/h。
　　(5)传输干扰。当接收到30Byte用户数据帧与发送的用户数据帧存在部分或完全偏离，则发生传输干扰。整个数据块的时间将作为一次传输干扰处理。传输干扰时间TTI应满足：<0.8s(95%)，<1s(99%)。传输无差错时间（传输恢复时间）TREC应满足：>20s(95%)，>7s(99%)。
　　三、对GSM-R网络设计的要求
　　MSC与RBC之间的连接方式应综合考虑RBC设置地点、管辖区域、MSC设置地点和管辖区域等因素，合理选择，尽可能提高系统的可靠性。RBC应与其管辖范围相应的MSC相连，当RBC管界跨2个相邻MSC时，应同时连接2个MSC。MSC与RBC之间采用ISDNPRI接口(2Mb/s)，信令规程采用DSS1信令方式。MSC至RBC的PRI接口应根据RBC需求进行配置，接口冗余由RBC考虑。RBC应尽可能连接到MSC的不同外围接口单元上，从而保证某个外围接口单元故障时，RBC仍能通过其他外围接口单元与MSC连接。对于CTCS3级列控系统，连接到RBC的每个车载设备占用一个无线信道。在进行GSM-R网络容量规划时，需要特殊考虑枢纽和大站区域，保证CTCS3级列控业务应用。
　　四、对GSM-R网络无线覆盖的要求
　　GSM-R网络无线覆盖指标应满足在95％统计概率下，对于8W的列控机车台，在增益为0dBm的机车车顶天线处的最小接收电平不低于-92dBm。该电平值考虑了最大3dBm机车台馈线损耗和3dBm设备老化余量。在满足设计要求的前提下，GSM-R网络设计应采取措施尽量控制越区切换发生的频率(如控制基站间距等)，以避免频繁越区切换对列控数据传输造成影响。目前时速在300km/h以上的京津线和京沪线均采用双MSC，异站址交织双层无线覆盖。全线配置双套核心网设备（包括MSC，IN，SGSN等）和双套无线网络设备（包括BSC，BTS等），两套基站采用异站址交织双层网络覆盖，基站采用环形连接。为列控数据传输提供可靠和安全的服务。在RBC切换区域，列控数据传输密集，GSM-R切换区应尽量避免与该区域重合，减少数据重传带来的时延或切换失败引起的通信中断。

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