【课件】GSM-R(GSM-Railway)__第18章 铁路下一代移动通信-GSM-R向LTE-R演进(2017)
GSM-R
全球铁路专用移动通信（GSM-R）GSM-R是以全球移动通信系统为平台，针对铁路的特点，适应高速铁路发展的铁路专用数字移动通信标准。
目前，欧盟已有12个国家铁路装备或准备装备GSM-R，我国铁路已经确定GSM-R为我国铁路移动通信的发展方向，青藏铁路和大秦铁路将首先采用GSM-R系统。
移动通信是铁路运营的基础。
在高速铁路对地面信号依赖逐渐减少的情况下，列车安全运行更需要高质量的通信设施，来满足列调和列车控制、司乘人员、运营指挥中心、车站管理和线路维护人员之间的话务通信等等。
这样，一个统一标准的铁路移动通信系统在开放和统一的铁路网中具有重大作用。
1 .GSM-R的由来全球移动通信系统GSM（GLOBAL SYSTEM FOR MOBILE COMMUNICATION的英文缩写）起始于1982年，是欧洲邮电局长会议（CEPT）的一个特别工作组为泛欧洲移动通信制定的一个标准。
这个工作组的名称是GSM，开始时并不指这个通信系统。
1988年在马德拉岛的GSM全体会议上，通过了系统的基本参数。
1989年欧洲通信标准研究所（ETSI）成立，特别工作组成了ETSI的一个部分。
1992年1月20日这个工作组才得以新命名SMG（Special Mobile Group），开始了对GSM标准进行详细说明。
1992年GSM网络标准开始公开，之后应用范围不断扩大，它所代表的第2代数字移动通信的份额达到了世界市场的2/3。
上世纪90年代，欧洲铁路通信多采用电缆和模拟无线技术，存在35个不同平台，仅德国铁路就有8个模拟无线系统；存在着维修、更新成本高、与现代通信不兼容等问题。
国际铁路联盟(UIC)旨在为不间断的过境运输提供一个标准铁路通信系统，进行了统一铁路通信的研究，包括：无线频带的确定以及通信系统的选取。
1995年选定了900MHz的频段。
1997年开始在法国、德国和意大利建立了试验网，在与Tetra（Terrestrial Trunked Radio）对比和试验后，针对高速铁路的需要，决定在全球数字移动通信（GSM）平台上，开发出具有铁路的专用功能的移动通信系统GSM-R（Global System for Mobile to Railway的缩写）。
铁路数字移动通信系统GSM(2024)
其他相关设备选型和配置要求
操作维护中心（OMC）
应具备完善的网络管理和监控功能，支持远程配置、故障诊断和性能 优化等操作，提供友好的用户界面和丰富的管理工具。
短消息服务中心（SMSC）
应支持短消息的存储、转发和状态报告等功能，具备良好的可靠性和 可扩展性，满足大量短消息处理的需求。
在紧急情况下，列车和车站可通 过GSM网络发起紧急呼叫，请求
救援。
故障诊断与处理
当铁路设备出现故障时，可通过 GSM网络进行远程诊断和处理，
缩短故障恢复时间。
应急指挥与协调
在突发事件中，相关部门可利用 GSM网络进行应急指挥和协调，
确保事件得到妥善处理。
04
GSM关键技术解析
时分多址技术原理及应用
安全性检测
定期对系统进行安全性检测，包括防火墙、入侵检测等安全设备的配 置和运行状态，确保系统安全稳定运行。
故障诊断方法及处理流程
01
故障诊断方法
采用专业的故障诊断工具和方法，如故障树分析、专家系统等，对故障
进行快速准确的定位。
02
故障处理流程
根据故障类型和严重程度，制定相应的处理流程。对于一般故障，可进
铁路沿线数据传
信号设备状态监测
通过GSM网络，实时监测铁路沿 线信号设备的状态，确保行车安
全。
道岔远程控制
利用GSM网络，远程控制铁路沿 线的道岔，提高运输效率。
数据采集与传输
铁路沿线的各种传感器可通过GSM 网络将采集的数据实时传输至数据 中心，为铁路运营提供数据支持。
应急通信保障
紧急呼叫与救援
铁路专用全球移动通信系统
路的特点，在空中接口中引入了语音广播 呼叫、话音通话组呼叫和用户优先级等功 能，实现了调度员与司机间的通信、调车 作业通信、远程遥控传输、车站和维修段 的地区通信、旅客服务通信，也可实现与 公网的互通互联。 • GSM-R在欧洲使用的频率是：上行876880MHz,下行921-925MHz。这段频带与GSM D900接近，硬件和软件改动少，成本较低 ；在5--l 0km范围，能满足最大速度 500km/h的高速列车运行中的通信和列车控 制；隧道内传播特性比其它频带要好；电 气化对这一频带也没有干扰。
3、GSM-R的用途
• • • • • 列车无线通信 列车无线调度电话 列车旅客无线电话 站内无线通信 编组站无线电话
4、GSM-R在世界各国的推广
• 瑞典 1998.6 签署欧洲第一个GSM-R商业合同，覆 盖路网80%，迄今7500KM铁路采用GSM-R。 • 德国 1999年 签署框架合同，在2004年前建成覆 盖24500KM的GSM-R网络，占德国铁路的2/3。 • 英国 1999. 10 准备在西海岸铁路装GSM-R。 • 西班牙 2000. 10 马德里-莱里达高速铁路采用 GSM-R。 • 荷兰 2002.10 荷兰GSM-R安装工程开始 • 法国 2003.9 签署为期15年的GSM-R合同，首先 在东TGV安装GSM-R。
• 具体的实际应用：青藏线、大秦线、厦深 高铁、广深港高铁、胶济线、武广线、郑 西线、新丰镇编组站、石太线、合宁线、 合武线、京津城际线,京沪高铁等。Fra bibliotek谢谢观赏！
2、GSM-R的特点
• GSM-R采用时分多路复用技术 时分多路复用：可实现不同功能的多路信 号分时段轮流占用同一个公共传输信道， 有多少路信号就划分出相同数量的时间间 隙，每路信号占用一个固定编号的时间间 隙，从而实现在同一个公共传输信道上以 时间分割方式进行多路传输。
【课件】GSM-R(GSM-Railway)__第1章 概述(2017新)
中国高铁走出去
o 2015年6月，俄罗斯，在中俄投资合作委员会第二次会议 框架下，由中国中铁二院工程集团有限责任公司参与投 标的俄罗斯首条高速铁路的规划设计合同在圣彼得堡正 式签署。
o 2015年9月，美国，中国铁路国际(美国)有限公司与美国 西部快线公司在拉斯维加斯市签署协议，双方将组建合 资公司，建设并经营“西部快线高速铁路”。
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二、为什么要建设GSM-R?
GSM-R在欧洲的发展状况：
l最早开始建设的国家：瑞典（1998年） l在全国范围内普速干线建设的国家：意大利（7500km）、荷兰 （2800km） lGSM-R覆盖里程最长的国家：德国（36000km） l最早在高速线开通ETCS2的国家：意大利，罗马－那不勒斯 ， 2005年12月21日商用，运营时速347km/h；米兰－都灵2006年2月 10日正式商用运行，设计时速350km/h。
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一、什么是GSM-R？
铁路相对GSM公网的特殊需求：
（1）用户级别不同（高级语音呼叫，包括：组呼、群呼、 增强多优先级与强拆）
（2）功能寻址（调度） （3）基于位置的寻址（机车呼叫前方车站、后方车站） （4）高速情况下的移动通信 （5）大量特殊的数据业务需求（列控、列尾、车次号等）
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二、为什么要建设GSM-R?
背景介绍：中国高速铁路
到2015年底，中国高速铁路和快速城际铁路运营线路共计71条（段），含设 计时速200Km/h运营总里程达2.36万公里，高铁运营里程达到1.9万公里。 截至2016年底，中国高铁运营里程突破2.2万公里，居世界第一，占世界高铁 总里程的60%以上。
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2015年9月24日，成都，英国财长奥斯本参观成都东站，坐在高铁驾驶室内留影。
GSM-R铁路综合数字移动通信系统
隧道和地下车站覆盖
GSM-R系统采用特殊的信号传输技术，实现了隧道 和地下车站的有效覆盖，保证了在这些区域的通信 质量。
山区和荒漠覆盖
GSM-R系统具备在山区和荒漠等复杂地形 下的覆盖能力，能够满足在这些区域的通信 需求。
兼容性好
与现有通信系统兼容
GSM-R系统与现有的公众移动通信网络兼容，如GSM、GPRS等，方便用户在铁路沿线及列车上使用 手机、上网等通信服务。
GSM-R铁路综合数字移动通信系 统
目录
• 引言 • GSM-R系统的组成 • GSM-R系统的功能 • GSM-R系统的优势 • GSM-R系统的应用场景 • GSM-R系统的未来发展
01 引言ห้องสมุดไป่ตู้
目的和背景
铁路运输是全球范围内重要的交通方 式之一，保障铁路运输的安全和效率 至关重要。
GSM-R系统是为了满足铁路运输在移 动通信方面的特殊需求而设计的，旨 在提供高效、可靠的通信服务，支持 列车控制、调度、旅客信息等多种应 用。
VS
远程监控
GSM-R系统可以用于远程监控货运列车 的运行状态和货物安全，提高运输安全性 和可靠性。
06 GSM-R系统的未来发展
5G技术在GSM-R系统中的应用
5G技术将为GSM-R系统带来更高的数据传输速率、更低的延迟和更高的可靠性，提 升铁路运输的安全性和效率。
5G技术将促进铁路移动通信系统的升级，支持更高清的视频监控、更准确的定位和 更智能的调度控制。
列车控制和调度通信
列车控制指令的传输
GSM-R系统能够传输列车控制指令，如启动、停止、加速、减速等，实现对列车的远程控制。
调度指令的传输
调度员可以通过GSM-R系统向列车发送调度指令，如调整列车运行计划、优先级调整等，确保列车的有序运行。
第一讲国外发展36页PPT文档
2019/11/20
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(8) 西班牙GSM–R的发展
2019/11/20
西班牙全国铁路线总长12303公里 ，GSM-R网络覆盖近6000公里。2019年 开始建设试验线，计划于2019年完工。 2019年10月开始在马德里和Llei-da间建 设里程为500公里的新高速线，并将 GSM-R作为唯一的铁路通信系统。该系 统采用两个MSC和双层无线网，一套IN 系统，一个O&M中心。
2019/11/20
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(2) 瑞典GSM–R的发展
2019/11/20
瑞典全国铁路线总长10216公里， GSM-R网络覆盖7500公里。2019年，瑞 典开始规划和建设GSM-R网络，2019年 第四季度建设完成。全网部署1个MSC， 11个BSC，800个BTS，1套智能网设备， 安装近2000个无线机车台，配备5000个 手持台。
2019/11/20
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(5) 瑞士GSM–R的发展
瑞士全国铁路线总长5000公里，全部 GSM-R网络覆盖。2019年第一季度开始网 络建设，计划于2019年完工。全网部署2个 MSC，15~20个BSC，1000~1200个BTS。 瑞士铁路在70km的铁路线上对ETCS 2进行 商业化，并将在新高速铁路线（Lucerne – 伯尔尼）装备ETCS 2设备。
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(10) 挪威GSM–R的发展
2019/11/20
挪威全国铁路线总长4006公 里，GSM-R网络覆盖3500公里。 第一条试验线于2019年底完工， 第二条线路于2019年6月开始建 设。
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(11) 芬兰GSM–R的发展
2019/11/20
芬兰全国铁路线总长5800公 里，全部GSM-R网络覆盖。2019 年完成初步的网络部署，计划于 2019年完成建设。全网部署1个 MSC，4个BSC，434个BTS，安 装800个机车台，配备3600个手持 台。
GSM-R1
GSM-Railway属于专用移动通信的一种，专用于铁路的日常运营管理，是非常有效的调度指挥通信工具。
GSM-R是基于分组数据的通信方式。
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。
它在G SMPhase2+的规范协议的高级语音呼叫功能，如组呼、广播呼叫、多优先级抢占和强拆业务的基础上，加入了基于位置寻址和功能寻址等功能，适用于铁路通信特别是铁路专用调度通信的需要。
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。
在中国铁路的频段为上行885-889MHz，下行方向为930-934MHz。
GSM-R系统包括网络子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、运行和业务支撑子系统（OSS/ BSS）和终端设备等四个部分。
其中，网络子系统包括移动交换子系统（SSS）、移动智能网（IN）子系统和通用分组无线业务（GPRS）子系统。
GSM-R系统采用主从同步方式，TMSC、MSC、HLR、SCP等设备应就近从BITS设备中获取定时信号，MSC至BSS间的G数字链路应兼作同步链路使用，BSS从MSC获取同步时钟信号，也可从就近的BITS设备或SDH设备提取同步时钟信号。
GSM-R传输系统指的是为GSM-R系统各子系统之间的连接提供通道的数字传输系统，包括GSM-R系统为提供基本服务所必需的传输配套单元，如传输光、电缆和传输设备，但不包括直放站远端机和近端机之间的连接通道，也不包括天馈线等连接。
具体的实际应用：武广线、新丰镇编组站、大秦线、胶济线、青藏线、石太线、合宁线、京津城际线等。
GSM-R在GSM公众移动通信系统平台上增加了铁路运输专用调度通信功能。
GSM-R通信系统包括：交换机、基站、机车综合通信设备、手机等设备组成。
以青藏铁路为例：青藏铁路是世界上海拔最高的铁路线，青藏线北起青海省格尔木市，途经纳赤台、五道梁、沱沱河、雁石坪，翻越唐古拉山进入西藏自治区境内后，经安多、那曲、当雄至西藏自治区首府拉萨市，全长约1142km。
GSM-R铁路综合数字移动通信系统PPT课件
有线终端
CBC
BSC
Abis
BTS
BTS
Um
无线固定台
车载台 无线终端
手持台
IN SCP
L SSP
SMP
SCEP TCP/IP
IP
SMAP
GPRS SGSN Gn
GGb b PCU
GGSN GRIS
OSS OMC
SIM卡系 统管理
外部分组数 据网
铁路应用系统
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19.05.2020
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二、GSM-R建设的意义
2、铁路发展出现许多新业务需求： （1）客运专线的业务需求：不中断传输，速率至少2.4kbps （2）货运专线机车同步控制传输 （3）车地信息化数据传输的需要 （4）有线、无线调度两网融合的需求
因此，既有系统无法满足铁路新业务需求，应建立一个能 完善解决铁路新业务需求、高安全可靠性、联网能力强、可满 足高速、重载运输及信息化需求的通信系统。
19.05.2020
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二、GSM-R建设的意义
1、现有铁路无线通信系统存在许多问题。 （1）投资方面：系统分散建设，投资浪费。 （2）系统功能方面：功能单一，不具备网络能力；频率
利用率低，容量有限；话音、数据业务争抢信道， 传输可靠性低，数据传输能力差。 （3）存在的问题：枢纽地区干扰严重；是开放系统，不 具保密性。
10 10
三、GSM-R系统介绍
1、网络子系统（NSS）：
（1）移动交换子系统（SSS）
主要完成用户的业务交换功能，完成用户数据与移动性管理、安 全性管理。
（2）移动智能网（IN）子系统
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p 当属于同一逻辑小区的多个RRU，覆盖区域部分重叠连环 相连之后，构成一个狭长地带的高信号强度的适合铁路沿 线的小区覆盖方案，有利于增加覆盖信号强度。
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七、LTE校正技术
在正交频分复用-时分双工系统（OFDM-TDD）中，为降低终端 之间的同频干扰，增加小区边缘吞吐量和覆盖范围，在eNodeB 引入了具有较小阵元间距的多天线波束赋形技术。为了保证赋形 的正确性和可靠性，必须对天线阵列进行校准，减小阵列各通道 的幅度误差和相位误差。目前主要采用基于耦合网络和基于校正 天线的方法。 p 基于耦合网络的天线校正 p 基于校正天线的天线校正
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二、LTE多天线技术
u MIMO技术的基本出发点是将用户数据分解为多个并行的数据流，然后 分别在每根发射天线上进行同时刻、同频率的发送，同时保持总发送 功率不变；最后，由多元接收天线阵根据各个并行数据流的空间特性， 在接收机端将其识别，并利用多用户解调技术，最终恢复出原数据流。
u 若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个 并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然 可以提高。
铁路业务 支持
等级差分需求
Ø 灵活的上下行带宽
分配的需求
Ø LTE-R系统对超
高高移移动动性 性支支持持
高速（>120km/h ）的运行场景进
行优化，以保持
高性能。
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提纲 LTE-R特殊需求 LTE-R关键技术 LTE-R网络架构 全IP分组网承载铁路业务 与GSM-R的兼容和平滑过渡
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LTE-R关键技术
p 车载直放站一般具有较强大的接收功能，其可以较好地处 理多普勒偏移效应，同时能兼顾不带频偏处理功能的老式 终端。
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六、泄漏电缆技术
p 列车内用户可以直接与高铁专网进行通信，但由于车厢穿透损耗及多 谱勒频移的影响，接收的信噪比比较差。利用室内密闭环境的无线信 号的传播损耗要低于自由空间下的传播损耗，由此，车外通过车载直 放站与RRU进行通信，车内使用泄漏电缆来与用户进行通信，就会有 利于提高接收信号功率。
铁路下一代移动通信技术研究 ---GSM-R向LTE-R演进
提纲 LTE-R特殊需求 LTE-R关键技术 LTE-R网络架构 全IP分组网承载铁路业务 与GSM-R的兼容和平滑过渡
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LTE-R铁路下一代移动通信系统与LTE系统 相比具有如下特殊性能需求
Ø 铁路无线通信网中
有调度电话、组呼 等语音通信的需求 Ø 不同铁路业务QoS
p 车内泄漏同轴电缆开有若干开孔，每个开孔相当于一个天线，具有收 发信号的功能。开孔向外界辐射电磁波，外界的电磁场也可通过槽孔 感应到泄漏电缆内部并传送到接收端。
p 泄漏电缆集信号传输、发射与接收等功能于一体，同时具有同轴电缆 和天线的双重作用，特别适用于覆盖列车车厢、铁路隧道等无线信号 传播受限的区域。
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提纲 LTE-R特殊需求 LTE-R关键技术 LTE-R网络架构 全IP分组网承载铁路业务 与GSM-R的兼容和平滑过渡
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LTE- 与GSM-R相比，LTE-R系统架构进行了大幅度简化。在 LTE-R的网络架构中，所有类型的业务都是基于IP进行的 ，增强型B节点eNB代替了以前的基站控制器和无线网络 控制器，而各种核心网络实体和网关全部包含在EPC中。
铁
Ø 铁路业务QoS需求存
路 业
在巨大差异。LTE-R
务
系统的QoS差分机制
QoS
等
可以保证各类业务
级
的QoS性能。
差
分
Ø 在铁路通信中有调度电
铁
话、组呼等语音通信，
路
语
LTE-R 系统的高带宽、
音
高移动性、低时延保证
通
信
了用户在LTE-R网络上
业
的通话业务感受能够与
务
传统CS相同。
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提纲 LTE-R特殊需求 LTE-R关键技术 LTE-R网络架构 全IP分组网承载铁路业务 与GSM-R的兼容和平滑过渡
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三、克服多普勒效应方案
p 高速覆盖场景对LTE系统性能影响最大的效应是多普勒效 应。对于基站接收机来说，需要应对频偏快速变化的问题， 即保证能够迅速跟上频偏变化速度并进行有效的补偿。 通过频偏估计模块估计频偏，将估计出的频偏对输入的数 据进行频偏补偿，达到纠正多普勒频偏的目的，如下图所 示。
8
四、单小区多RRU级联技术
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LTE-R演进现状
v 国际铁路联盟（UIC）提出的LTE-R演进步骤，作为LTER的演进规划。
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兼容与平滑过渡的需求
Ø 从GSM-R到LTE-R演进过程中要充分考虑过渡的平滑性，包括业 务提供和投资收益的平滑过渡。
Ø 初期，现有GSM-R和LTE-R系统并行，前者主要负责传递和列车 运行安全紧密相关的列控业务等，LTE-R负责非安全数据相关的 业务。
OFDM技术 LTE多天线技术 克服多普勒效应方案 单小区多RRU级联技术 车载中继技术 泄漏电缆技术 LTE校正技术
5
一 、OFDM技术
• 主要思想：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成 并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。
• 优点: 正交的子载波可以利用快速傅利叶变换（FFT/IFFT）实现 调制和解调，可显著降低运算复杂度。
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提纲 LTE-R特殊需求 LTE-R关键技术 LTE-R网络架构 全IP分组网承载铁路业务 与GSM-R的兼容和平滑过渡
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LTE-R铁路业务
LTE-R是一张全IP，以分组域业务为目标，系统在整体架构上基于分组交换的 网络。这使得其不能象GSM-R系统一样提供电路域交换业务。不过， LTE-R 具有提供语音业务及时延敏感业务QoS保障的方案。
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五、车载直放站
p 列车每一节车厢中的用户由一个直放站服务。直放站在接 到RRU的射频信号后，在射频上直接转发，避免了车内用户 与RRU间的穿透损耗，提高了有用信号的增收功率，进而提 高了高速移动环境下用户通信的可靠度；
p 通过提高直放站接收机的性能，降低对于车内终端接收机 的复杂度要求，进而大大降低了成本；