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2 GSM-R系统概述
2.1 GSM-R基本原理
GSM-R（GSM for Railway）是在GSM蜂窝系统上增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的要素组成，能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信要求的技术。由于GSM-R可实现跨越国界的高速和一般列车之间的通信；能将现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中，以减少集成和运行费用；而且由于GSM-R是由已标准化的设备改进而成，GSM平台上已经提供了大量的业务，因而引入铁路专用的功能时只需最低限度地改动，故能保证价格低廉、性能可靠地实现和运行；在GSM Phase 2＋中添加了 ASCI（增强的语音呼叫业务）特性，能灵活地提供专网中所需的语音调度服务如 VBS、VGCS和eMLPP，因此GSM-R是面向未来的技术，它将从广阔的GSM公网市场和GSM 技术的不断演进中获益，具有巨大的发展空间。GSM-R在欧洲取得巨大的成功，目前超过30个铁路公司已承诺在其国际路网中使用该技术。
GSM-R系统很多技术借鉴了公网的GSM技术，保留了GSM的大体结构，使得从一开始GSM-R系统就是一个成熟可靠的系统，它的绝大多数软硬件都已在现网中得到检验。不仅如此，由于二者都可以工作在900M频段，因此在无线网络规划方面也是基本相同的。GSM-R系统的规划设计也可借助于已成熟的GSM系统工具，可以方便快捷地为用户提供网络设计安装。GSM-R的基本特性已在铁路网的MORANE试验中得到安装、测试和验证。出于众多的需要，GSM新技术如GPRS已经规范化并将安装使用。向UMTS的演进将提供新的业务和更加强大的无线系统。GSM-R据此可最大限度地引入新的业务。业务模型如图2-1所示。
调度通信自动列控制（CTCS）远程控制铁路紧急救援移动服务高速数字通信铁路应用尾部风压检测区间移动通信旅客综合列车信息移动服务铁路运营特色电信业务-ASCI功能寻址eMLPP功能号的表示介入矩阵VBS与位置有关的寻址VGCS平面调车轨道维护移动服务 图2-1 GSM与GSM-R的关系——业务模型
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GSM-R系统保留了GSM的基本结构，同时还需要一个存储组呼属性的寄存器来实现网络功能——组呼寄存器(GCR)。GCR实际上相当于一个数据库，存储有关语音组呼的信息。它被视为一个新的网络节点，可以放在直接与MSC相连的PABX中，也可以放在MSC中，或者作为HLR的组成部分。
在空中接口方面，GSM-R在GSM的基础上增加了通知信道NCH，用来传送包含组呼信息和组呼信道信息。NCH的位置在BCCH的系统消息中广播。本文将从面状覆盖和线状覆盖两种覆盖方式的角度来介绍GSM-R工作原理。
2.1.1 带状覆盖
在铁路、公路、狭长的水面上这样的呈带状的地区，往往采用线状覆盖的方式。线状覆盖使用的蜂窝基本原理与面状覆盖类似，只是在小区频率组的分配和重叠区的问题上要单独考虑[13]。 1、频率复用
在线状覆盖中，一般以圆形小区为模型来进行分析和设计。在铁路和公路的覆盖中，移动台往往处于高速移动状态，信号的场强变化复杂，很难确定相邻小区的覆盖边界，通常从场强的平均变化这一意义上来理解覆盖区域。
如图2-2所示沿着覆盖区域的分布按照n个小区为一组的间隔可以进行频率复用，n 的取值要考虑到频率利用率、同频干扰和建网成本，一般可以取2 、3 、4 。
ds3R-2ad1=(2n-1)R-naR1a23...nn+1 图2-2 带状网的信干比示意图
在图2-2中，假设小区半径为R，相邻小区的交叉宽度为a，第n+1区与第一区为同频道小区。显然，在移动台处于覆盖区边缘时，同频干扰最为严重。路径损耗指数为4，采用两小区、三小区、n小区的频率复用方案得到的移动台接收C/I值分别为：
CRdB( )? 两小区复用 ??40log (2-1)
I3R?2aCR(dB) (2-2) ? 三小区复用 ??40logI5R?3a
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CRdB( ) (2-3) ? n小区复用 ??40logI(2n?1R)?na因此，可以根据式2-3和CI的设计要求，求出重叠区的宽度a。同时可以看出：对信干比要求高的系统，小区数多，因而频率组多，基站数也增加。 2、平衡设计
线性覆盖在线性区域的两侧应该是对称的，在高速移动的环境中要尽量使小区的数目最小，中继效率最大，每个小区的信道都可以为两个方向的用户服务，这就要求较高的基站发射功率。但是基站的高发射功率可能会造成上下行链路的不平衡，结果上行链路会因为噪声太大而无法使用。平衡的设计保证上下行链路具有同等的强度，使得任意小区的双向用户都有较好的接收质量。
平衡设计的关键是要在四面建立天线群系统。两个发射天线和两个接收天线分别指向道路两边，下行链路的信号从小区沿着道路向两个方向辐射。两个接收天线按同样的方式朝向两个方向。每个天线与一个多路耦合器连接，多路耦合器由预选滤波器、放大器和分离器组成。两个接收机的多路耦合器连接一个接入信道和所有的话音信道。 3、小区分层
根据覆盖地区的人口密度和移动台移动速度的要求，可以按照覆盖范围的大小将小
区分为以下四种类型： ? 扩展小区：半径35km~120km ，主要由于沿海地区海域的覆盖；
? 宏小区：半径1km~35km，用于高速公路和人口较稠密的地区。要求具有高的抗干
扰灵敏度和安全的频率复用模型；
? 微小区：半径0.1km~1km ，用于城市繁华地段。要求用高的干扰隔离度，使用少
量频率就可以实现密集频率复用；
? 微微小区：半径小于0.1km，用于室内环境，如商场、会议中心、办公楼等。 根据小区的大小不同，天线假设的高度也不一样。一般来讲，宏小区的天线架设在建筑物的顶部，微小区的天线地域建筑物，微微小区的天线一般安装在室内。 在进行实际的覆盖设计时，可以根据实际的地形环境和业务密度将集中小区结合使用。这里介绍分层小区的覆盖。分层小区主要用于高速公路和城市主干道覆盖，它解决了用户的切换和大业务密度之间的矛盾。两层中的上层采用伞状宏小区，主要负责快速移动用户，避免频繁的越区切换，它还可以填补微小区覆盖的盲区。下层是微小区覆盖，主要负责步行移动用户，另外当发生堵车这样的业务密度突然增大的情况，也可以由宏小区覆盖转换为微小区覆盖。这样就可以在上下层间进行切换，满足不同用户的需求。
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2.1.2 面状覆盖
当服务区不呈条状而是一个宽广的平面时，称为面状服务区。在平面区域内划分小区，通常组成蜂窝式的网络，这将比带状网络复杂得多。 1、小区形状
在移动通信中，如果使用全向天线，人们很容易联想到应该采用圆形的小区，但是从电磁波传播的角度考虑，圆形并不是最理想的形状。如图2-3所示，使用圆形的面状覆盖存在许多重叠区域和无覆盖区域。为确保无盲区的完全覆盖，通常使用多边形的小区。
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图2-3 圆形小区的覆盖
我们可以用数学方法证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个区域，可取的只有正六边形、正三角形和正方形。而面状覆盖的服务区中，通常采用正六边形的小区形状。六边形比正方形和正三角形在半径相同的情况下，覆盖面积要多30%~100%，如图2-4所示。因此采用六边形的设计需要较少的小区，较少的发射基站。同样，六边形覆盖的系统费用也要低于正方形和正三角形[13]。
需要指出的是，正六边形的小区形状只具有理论分析和设计上的意义，在实际工程中，小区的形状取决于电波传播的条件和天线的方向性。
RRR
图2-4 多边形小区
2、频率复用
在蜂窝系统中，系统会给每一个小区的基站分配一组信道，只要相隔距离足够远，相同的信道可以在另一个小区重复使用，这就是频率复用的思想。我们把由若干个使用全部频率的小区组成的集合称为一个簇，把不同簇中使用相同频率的小区称为同频小区，任意两个同频小区之间的距离称为同频复用距离。为了避免同频小区之间的干扰，
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