《高铁通信概论》PPT课件.ppt
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1、,北京交通大学轨道交通与安全国家重点实验室吴 昊,高速铁路通信概论,什么是GSM-R?二.为什么要建设GSM-R?三.GSM-R系统介绍四.GSM-R网络规划五.GSM-R调度通信系统六.GSM-R在铁路运营和服务中的特殊业务与应用 七.国外高速铁路概况,内容提要,一、什么是GSM-R?,GSM-R(Globle System of Mobile for Railway)专门针对铁路对移动通信的需求而推出的专用系统,它基于GSM并在功能上有所超越,是成熟的技术。是通过无线通信方式实现移动话音和数据传输的一种技术体制。,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
2、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),一、什么GSM-R?,公网技术体制:GSM、CDMA铁路专网技术体制:(1)无线列调(2)模拟集群:SMRATZONE(广深试验)、MPT1327(北京局、柳南)、UNIDEN(北京、成都、上海等)(3)数字集群:TETRA(秦沈)、GT800(重庆)、GOTA(长春)(4)GSM-R(欧洲),1、现有铁路无线通信系统存在许多问题2、铁路发展出现许多新业务需求3、欧洲选择GSM-R的原因和发展状
3、况,二、为什么要建设GSM-R?,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。,二、为什么要建设GSM-R?,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、相互间无法互通、维护成本高各分散系统主要有:无线列调、站场调车、客运、货运、列 检、商检、车号、公务维修、公安等功能:主要为语音业务,少量数据业务 这些系统均为自行投资建设、独立使用、分散维护,造成设备型号各
4、异,种类繁多,相互间无法互通,维护运营成本较高。,二、为什么要建设GSM-R?,1、现有铁路无线通信系统存在许多问题。(2)系统功能频点固定分配、信道固定使用,频率利用率低,容量有限 铁路无线通信系统主要使用450M频段,共58对频点,固定分配给了无线列调、站调、公安等无线系统使用,各个部门间不能相互共享,造成频率资源的极大浪费。如北京、徐州、郑州枢纽等地已无频点可供申请使用。既有无线通信系统采用频点(信道)固定分配的方式,信道长期指配给某一系统(通常按专业划分)用户使用,当一个信道遇忙时,其它用户只能等待,往往造成该信道上的用户争抢或者出现阻塞,通信质量得不到保证;而信道空闲时,别的系统用户
5、也并不能利用该信道进行通信。这无疑是对频率资源的一种浪费,也制约了用户数量的进一步发展。,二、为什么要建设GSM-R?,1、现有铁路无线通信系统存在许多问题。(2)系统功能话音、数据业务争抢信道,传输可靠性低,数据传输能力差。经测算,在TDCS和CTC区段,当列车运行时速超过250公里时,综合考虑调度命令、行车凭证、车次号、进路预告等数据信息传送和车机联控话音通信需求时,业务密度加大,碰撞概率很大。基于无线列调系统的数据传输速率仅达到1.2Kb/s。,二、为什么要建设GSM-R?,1、现有铁路无线通信系统存在许多问题。(3)存在的问题枢纽地区干扰严重 枢纽站往往是多条线路的交汇处,通话的无序性
6、,使各个机车台终端会对无线列调信道进行争抢,造成“大信号抑制小信号”的后果。目前,在枢纽车站设置多套车站电台(每条线1套),其中部分车站台使用同频工作,这些电台在车站附近形成一个大范围内的同频干扰,降低了车站值班员的行车指挥效率。,二、为什么要建设GSM-R?,1、现有铁路无线通信系统存在许多问题。(3)存在的问题不具备网络能力移动终端对讲距离受限,邻站交界区易发生业务中断。铁路各个无线通信系统分散,不能联合组网,使得各系统之间用户无法进行联络。铁路无线、有线调度网基本独立,无法形成有机融合的整体。,二、为什么要建设GSM-R?,1、现有铁路无线通信系统存在许多问题。(3)存在问题开放系统,不
7、具保密性 无线列调系统是开放系统,并未做任何鉴权加密处理,对用户无需进行身份识别,只要无线终端用户频点和调制方式与无线列调相同,便可以加入到无线列调系统内的通信。因此,话音业务可以被接收或窃听,给行车安全带来极大的隐患。此外,公安系统对保密性的要求也很高,现有系统无法达到。,二、为什么要建设GSM-R?,2、铁路发展出现许多新业务需求:(1)客运专线的业务需求(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,二、为什么要建设GSM-R?,2、铁路发展出现许多新业务需求:(1)客运专线的业务需求(对通信系统在高速情况下的安全性、可靠性、实时性、便捷程
8、度提出了更高的要求)话音类:调度通信、区间通信 数据类:列控信息传送 调度指挥信息传送 行车安全监控信息的传送 旅客综合服务信息的传送,二、为什么要建设GSM-R?,2、铁路发展出现许多新业务需求:(1)客运专线的业务需求列控信息传送需求无线通信网络提供车地双向、实时数据传输通道,传输速率至少2.4kbps,异步透明全速率传输方式。业务不能中断,因此无线信道必须实时可靠,无线网络在铁路沿线应保证连续覆盖并支持切换。每个列车数据传输需要占用至少一个专用无线信道,因此,无线通信网络应能提供覆盖范围内的N列车所需的N个的专用信道。现有系统无法实现。,二、为什么要建设GSM-R?,2、铁路发展出现许多
9、新业务需求:(2)重载货运专线(机车同步控制传输)定义:为了实现牵引过程中同时加速、减速、制动,主控机车和从控机车之间需要通过无线信道实时传递控制命令,这就是机车同步操控信息传送业务。解决方案:DJ4型机车对讲电话系统,人工话音,一致性差基于800MHz的无线数据传输系统,主机和从控机车之间间隔小于650米,只适用于万吨组合列车基于GSM-R系统的解决方案,适用于所有组合形式的列车,二、为什么要建设GSM-R?,2、铁路发展出现许多新业务需求:(3)车地信息化数据传输的需要 列车与地面之间的无线通信一直是信息化发展中的最薄弱环节。随着铁路的发展,铁路信息化要求的无线数据传输内容越来越多,一方面
10、,列车运行、列车安全监控、诊断以及承载货物等实时信息需要传送到地面上来,为实现列车信息实时追踪、客票发售、货运计划、货车追踪、集装箱追踪等提供基础信息,满足铁路路网移动体(机车、车辆等)实时动态跟踪信息传输的需要;另一方面,以旅客为主体的移动信息,需要在车地之间实时进行传送,为旅客提供多方位的综合信息服务。,二、为什么要建设GSM-R?,2、铁路发展出现许多新业务需求:(4)有线、无线调度业务融合的需求,二、为什么要建设GSM-R?,2、铁路发展出现许多新业务需求:可见,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
11、求的通信系统。,二、为什么要建设GSM-R?,3、欧洲选择GSM-R的原因(1)取代落后的模拟设备、提升系统性能的需要;(2)欧洲铁路互通性的需要;(3)新业务的需要(欧洲列车控制系统2级以上),二、为什么要建设GSM-R?,GSM-R在欧洲的发展状况:目前已在欧洲13个国家开始广泛实施,具体包括:德国、英国、法国、意大利、斯洛伐克、荷兰、瑞典、瑞士、西班牙、捷克、芬兰、挪威、比利时。其中,瑞典、德国、意大利、瑞士、挪威、西班牙、荷兰等7个国家开通了商用GSM-R网络。最早开始建设的国家:瑞典(1998年)在全国范围内普速干线建设的国家:意大利(7500km)、荷兰(2800km)GSM-R覆
12、盖里程最长的国家:德国(36000km)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。,二、为什么要建设GSM-R?,三、GSM-R系统介绍(一)系统结构,1、网络子系统(NSS)(1)移动交换子系统(SSS)(2)移动智能网(IN)子系统(3)通用分组无线业务(GPRS)子系统2、基站子系统(BSS)3、运行与支持子系统(OSS)(1)网管(2)SIM卡管理系统(3)计费、结算、营帐、客服子系统4、终端设备,三、GSM-R系统介绍(一)系统结构,三、GSM-R系统介
13、绍 1、网络子系统,移动交换子系统: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。移动业务交换中心(MSC):负责用户的移动性管理和呼叫控制;拜访位置寄存器(VLR):负责存储进入该区域内已登记用户的信息;归属位置寄存器(HLR):是一个负责管理移动用户的数据库。HLR存储本归属区的所有移动用户数据,如识别标志、位置信息、签约业务等;鉴权中心(AuC):是存储用户鉴权算法和加密密钥的实体,AuC只通过HLR和其他网络实体通信;互连功能单元(IWF):与固定网络的数据终端之间提供速率和协议的转换;组呼寄存器(GCR):用于存储移动用户的组ID;短消息服务中心(SMSC):负责
14、向MSC传送短消息信息;确认中心(AC):记录、存储铁路紧急呼叫相关信息。,三、GSM-R系统介绍 1、网络子系统,智能网子系统:是在SSS中引入的智能网功能实体,将网络交换功能和业务控制功能相分离,实现对呼叫的智能控制。GSM业务交换点(gsmSSP)GPRS业务交换点(gprsSSP)智能外设(IP)业务控制点(SCP)业务管理点(SMP)业务管理接入点(SMAP)业务生成环境点(SCEP)。,三、GSM-R系统介绍 1、网络子系统,GPRS子系统:负责为无线用户提供分组数据承载业务。GPRS核心层:由SGSN、GGSN、DNS、RADIUS等功能实体组成;GPRS无线接入层:由PCU、基
15、站、终端等组成。GPRS无线接入层组网应充分利用GSM-R系统的设备资源,保护投资;与GSM-R系统共用频率资源;利用GSM-R系统的基站实现无线覆盖,不单独增加GPRS系统基站。,三、GSM-R系统介绍 1、网络子系统,SGSN:服务GPRS支持节点,移动性管理、寻路等功能。GGSN:网关GPRS支持节点,为GPRS网与外部数据网络相连的网关。DNS:域名服务器,负责提供GPRS网内部SGSN、GGSN 等网络节点的域名解析等。RADIUS:认证服务器,负责存储用户的身份信息,并完成用户的认证和鉴权等功能。PCU:分组控制单元,负责数据分组、无线信道管理、错误发送检测和自动重发。,三、GSM
16、-R系统介绍2、基站子系统,BSS通过无线接口直接与移动台相接,负责无线信号发送接收和无线资源管理;与MSC相连,实现移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接,传送系统信号和用户信息等。基站控制器(BSC)编译码和速率适配单元(TRAU)小区广播短消息中心(CBC)基站收发信机(BTS)弱场设备(直放站、漏缆),三、GSM-R系统介绍 3、运行与支持子系统OSS,(1)网管交换、智能网、GPRS网管、基站网管、直放站网管等。(2)SIM卡管理系统(铁道部管理中心、路局发卡中心两级结构)(3)计费、结算、营帐、客服子系统,三、GSM-R系统介绍 4、终端设备,终端是供GSM-R系统用户
17、直接操作、使用,用来接入GSM-R网的设备,包括移动台和无线固定台。(1)移动台包括(机车、汽车)车载台,手持台、列控数据传输设备、列尾信息传输设备和防灾检测信息传输、车辆安全检测信息传输终端等。移动台由移动设备和SIM卡组成。(2)无线固定台为非移动状态下使用的无线终端,具备与移动台相同的业务功能。注:FAS系统及终端不属于GSM-R系统。,三、GSM-R系统介绍(二)系统功能,1、业务类型(1)语音业务(2)数据业务智能业务,1、业务类型(1)语音业务点对点话音呼叫业务语音广播业务(VBS)语音组呼业务(VGCS)紧急呼叫多方通信(最多五方),三、GSM-R系统介绍(二)系统功能,1、业务
18、类型(2)数据业务电路交换数据传输业务 系统通过占用一条话音信道提供端到端的数据传输。连接建立时间为510s(平均为6s)。建立完成后,每条链路数据独占一个时隙。数据传输速率2.4、4.8、9.6kbps,数据传输端到端时延不大于500ms(假设包长30字节)。传输方式分为异步透明和非透明两种传输模式。短消息业务 系统提供通过信令信道传送简短信息的业务。消息应采用简单文本格式,消息分段信息长度最长为160个字符(7bit编码)。发送方可以在短消息发送出去后得到一条确认通知。分组交换数据传输业务(GPRS)系统采用无线资源动态分配方式和分组交换传送模式,向用户提供端到端的数据业务,传输速率为9.
19、05171.2kbit/s。,三、GSM-R系统介绍(二)系统功能,1、业务类型(3)智能业务基本业务 功能寻址业务根据被叫用户所承担的功能来发起呼叫,而不是根据被叫用户的号码来寻址。主叫方可以是有线用户,也可以是无线用户。位置寻址业务 将移动用户发起的呼叫,路由到一个与该用户当前所处位置相关的目的地址。这个功能主要用于解决移动用户呼叫固定用户,包括司机或运营手持台用户呼叫调度员和当前车站值班员等。精确位置寻址基于MSISDN的呼叫限制铁路紧急呼叫列车紧急呼叫和调车紧急呼叫。,三、GSM-R系统介绍(二)系统功能,1、业务类型(3)智能业务扩展业务 基于位置的呼叫限制业务 将用户(包括调度员、
20、车站值班员和助理值班员)发起功能号呼叫的范围限制在其管辖区域内。自动获取调度中心的IP地址业务 用于实现列车在运行中自动获取调度中心(TDCS中心)的IP地址。短信的智能业务 包括短信的功能寻址和基于位置寻址等。,三、GSM-R系统介绍(二)系统功能,三、GSM-R系统介绍(二)系统功能,IWF,无线闭塞中心,车载单元,。,1、CTCS 3级系统(Chinese Train Control System),三、GSM-R系统介绍(二)系统功能,列控传送信息内容:1、RBC车载通信单元:移动授权:与前车的距离、行驶速度、进路解锁时间等;线路数据:线路长度、起止点坐标、坡度、桥隧信息、牵引换相点数
21、据等;指令:进入调车模式,人工引导等特殊操作、限速2、车载通信单元RBC:列车位置、速度、状态(列车本身的编组、长度、制动性能等情况)、列车类型等。,三、GSM-R系统介绍(二)系统功能,1、实现了列车地面,地面列车的双向信息传送;2、去掉了大规模分布于沿线的轨旁设备;3、信息传送内容更加丰富;4、列车控制曲线从台阶状变为圆滑的曲线。,未来无线列控系统与传统系统的比较:,三、GSM-R系统介绍(二)系统功能,2、机车同步操控概念,由多台机车牵引的组合列车,在牵引过程中,必须实现机车同步操控,即多台机车同时加速、减速、制动,主控机车和从控机车之间需要通信并实时传递控制命令,使它们置于同步工况或独
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