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1 绪论
1.1 引言
铁路是我国国民经济的大动脉，铁路的运输能力直接影响着我国国民经济的发展。进入21世纪，随着铁路跨越式的发展，铁路通信系统也迎来了划时代的转变，近年来随着运输量的日益增长，使得列车重量加大，列车编组加长。GSM-R技术是基于成熟、通用的公共移动无线通信系统GSM平台之上，专门为满足铁路应用而开发的数字式移动无线通信技术。在铁路通信中，它能够提供定制的附加功能，如优先级和强插功能、话音组呼及广播功能、位置寻址及功能寻址和安全数据通信等，是一种经济高效的综合数字移动通信系统[2]。铁路无线全球通信系统GSM-R的建设和使用，表明中国铁路正不断吸取国外铁路的先进经验和成果，努力提升自身的经济技术结构和规模水平，加快发展步伐，争取在较短时间内运输能力满足国民经济和社会发展的需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。
1.2 铁路通信的发展历程和现状
新中国成立初期，铁路长途通信一直采用的是以架空明线和电缆为传输媒质的载波通信设备，电话交换大量发展步进制自动交换机及人工长途台，在专用通信方面，全路调度、各站、养路等通信系统改造为铁路支流脉冲选叫方式。进入70年代，随着国外铁路开始应用光纤技术，我国铁路光缆、数字通信也随之进入研究阶段；进入 80年代中后期，数字光纤通信已经在多条线上试用成功；90年代数字光纤通信已经在铁路通信中被广泛使用，这一时期除光缆建设迅速发展以外，其他数字通信建设也得到了相应的发展在交换方面大量采用程控交换设备。90年代末全路长途交换网基本形成，在数据交换方面根据铁路运输管理信息系统 （TMIS）、客票预定和发售信息系统及铁路其他信息业务的需要，建设了铁路第一个分组交换数据网[1]。在专用通信方面由于光数字分插设备的应用，区段通信电缆数大幅度增加，中间站通信条件大为提高。调度等共线电话也推广采用了程控共线设备。
铁路无线通信系统使用的单信道模拟制式无线通信设备主要是为满足话音通信设计的，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，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，
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通信质量得不到保证。而信道空闲时，别的系统用户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。铁路无线通信系统枢纽地区干扰严重，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，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，无线、有线调度网基本独立，无法形成有机融合的整体。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。
随着我国铁路信息化建设的不断发展，铁路数据信息业务量的多样化和高速率，使得GSM-R系统在国内有着广阔的发展空间，GSM-R技术也正是顺应时代的发展，利用其固有的GSM-R网络特性，为铁路信息化和自动化发展奠定良好的基础，利用通信的手段实现铁路移动设施和固定设施的无缝连接，确保列车平稳高速、安全地运行。
GSM-R进入中国已有十余年的历程，铁道部早期也制定了我国建立GSM-R网络的目标：在全国建立一张移动通信网络，利用通信的手段实现铁路移动设施固定设施的无缝连接，确保列车平稳、安全、高速的运行。经过理论研究、技术之争、政策审核、网络建设、施工验收等层层考验，最终在GSM-R工程方面取得了骄人的成绩，初步建设了分别代表高原、重载和繁忙干线的青藏线、大秦线、胶济线三条GSM-R线路[5]。其中，青藏线是一条集多种领先技术于一身的往返于“世界屋脊”的铁路；大秦线是使中国步入重载领域先进行列的标志性工程，突破性的实现了年运量2亿吨的目标，现在技术还在不断创新，预计年运量将达到4亿吨；胶济线的建设是对GSM-R技术应用于具有中国特色环境的一个尝试，它的成功与否影响着GSM-R技术在时速200km/h铁路线路的普及率。
1.3 现代铁路运输对无线通信的发展要求
1、铁路信息化
在铁路主要干线建设分散自律、调度集中系统（CTCS），实现调度指挥现代化。为满足以旅客为主体的移动信息服务系统的需要，包括车上订票服务、电子移动商务、旅客移动增值服务等；满足铁路路网移动体(机车、车辆、集装箱等)实时动态跟踪信息传输的需要，为开展实时网上信息查询和各种管理信息系统提供移动传输通道。 2、调度指挥和安全生产
作为无线列调的更新换代产品，同时能够满足区间公务移动、紧急救援、调车
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编组作业、站场无线等移动话音通信的需要；满足TDCS无线车次号校核、列车尾部风压、机车状态信息、车辆轴温监测、线桥隧道监护、铁路供电状态监视、道口防护等移动和固定无线数据传输的需要；满足以移动列车为主体的安全信息分发与预告警系统的需要，确保沿铁路线的施工、轨道养护、平交道口与车辆、车站等人员和设备的安全，减少事故。 3、高速、客运专线
铁路提速、高速和客运专线网络化、智能化、综合化的行车调度指挥系统需要高度可靠、高度安全、快速接入的综合移动通信系统，以及透明、双向、大容量的车/地信息传输通道。 4、机车综合通信
? 具有网络以及功能号注册、注销功能； ? 支持调度通信系统功能； ? 支持通用数据传输功能；
? 支持不同制式下的自动或手动切换功能；
? 可向用户提供机车所在的小区位置信息、GPS信息等。 5、基于通信的列车控制
随着列车运行速度的不断提高，铁路智能交通系统中车地间的双向通信显然已经无法通过这些传统手段完成。为了实现铁路运输高效与安全，高速铁路智能交通综合信息系统在信息利用方面，必须采用基于通信的列车控制（CBTC）方式。与传统的基于轨道电路的列车控制（Track Circuit Based Train Control System，简称TBTC）系统相比，CBTC有很多优越性，其中最重要的是：1）列车和地面控制设备之间通过双向无线通信传递信息，构成闭环控制系统，使列车运行的安全性大大提高；2）CBTC可以实现移动闭塞方式（Moving Automatic-block System，简称MAS），使两列车追踪间隔大大缩短，提高列车在区间追踪运行的密度，从而大大提高铁路运输效率。目前国内对移动闭塞进行了初步研究。
我国铁路移动通信从无到有，从模拟到数字，从单一业务到多业务再到综合业务，这一方面是铁路运输发展的需要，也是技术进步的趋势。IT业在过去20年突飞猛进，表现在：微电子技术从微米向纳米技术过渡；交换网络已程控化，从单一业务向智能多业务交换发展；骨干传输网朝着全光网络方向发展；接入网出现三网融合(计算机、通信、广播)；蜂窝公众移动通信已经完成从模拟到数字的过渡，朝着宽带多媒体发展；无线局域网朝着宽带数据业务发展；计算机网络IP化，移动IP和移动计算成为电子商
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务的关键技术。IT业的这些技术进步必将推动铁路综合数字移动通信网络的发展。
1.4 GSM-R的发展历史及技术特点
最初开发GSM-R的原因是无线频率的利用效率较低，铁路网络之间不同的通信系统的互操作性有限。1992年，欧洲铁路的主管组织UIC（国际铁路联盟）认为，GSM正在逐渐成为移动通信的实用标准，并发现GSM的功能能够为铁路的新型数字通信系统提供一个理想的平台。于是，作为EIRENE（欧洲统一铁路无线增强网络）项目的一部分，关于GSM-R数字无线标准规范化的工作陆续展开。1995年，MORANE（欧洲铁路移动无线电通信）项目启动，EIRENE制定的标准得到认可，开始生效。
GSM-R是一种基于目前世界最成熟、最通用的公共无线通信系统GSM平台上的、专门为满足铁路应用而开发的数字式的无线通信系统，针对铁路通信列车调度、列车控制、支持高速列车等特点，为铁路运营提供定制的附加功能的一种经济高效的综合无线通信系统。从集群通信的角度来看，GSM-R是一种数字式的集群系统，能提供无线列调、编组调车通信、应急通信、养护维修组通信等语音通信功能。GSM-R能满足列车运行速度为0-500km/h的无线通信要求，安全性好。此外，机车同步操控信息传送业务对无线通信系统还有一定的要求： ? 全线不能存在无线通信盲区；
? 传输的数据包出现差错时允许重传，但传输连续失败不能超过规定的时间； ? 上、下行列车通信之间不能相互干扰； ? 允许在同一车站内同一个方向的多趟列车运行； ? 从控和主控之间的通信不受距离限制。
GSM-R正是满足上述要求的最佳系统，比基于常规对讲无线通信方式要优越的多。
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