【摘要】本文通过对欧洲铁路标准和铁路通信系统的安全完整级别进行分析与研究（包括故障-安全分析与研究，冗余的分析）；对铁路通信系统的可靠性和可维护性进行分析（包括生命周期的分析）。在青藏线GSM-R通信系统优化工程项目基础上，理论结合实践，展开了GSM-R网络规划、网络无线覆盖规划、通信系统干扰规划和频率配置规划方法的研究。并对GSM-R通信系统从此四个方面展开进行优化分析。
【关键词】通信系统；信息安全传；GSM-R；EN-128；GB/T21562-2008
1.前言
随着科学技术的不断发展，铁路运输已成为社会发展不可缺少的重要因素，而且已成为我国运输行业的主要渠道，随着今年来GSM-R基础理论研究的深入、网络设备及终端设备的引进、系统应用平台的开发搭建，我国已形成基于GSM-R的完整铁路应用体系，铁路综合数字移动通信系统GSM-R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要素的系统，能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信的要求。由于GSM-R可以实现跨越国界的高速列车和一般列车的通信，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GSM-R是由已标准化的设备改进而成，就能保证价格低廉、性能可靠的实现和运行。
2.GSM-R基本原理及系统结构
现代数字蜂窝系统更具有低功率发射和小区域覆盖、频率复用、灵活的提高系统容量、业务密度的适应性等多方面的特性。因此GSM-R技术采用蜂窝式原理。在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%。因此采用六边形的设计需要较少的小区，较少的发射基站。
GSM-R由网络子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、维护和管理子系统（OSS）三大系统构成。其中，网络子系统由移动交换中心（MSC）、访问位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AUC）、移动设备识别器（EIR）、组呼寄存器（GCR）组成，用来管理用户、移动台和固网（PSTN）的接口；
3.GSM-R业务模型
GSM-R是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统，它基于GSM的基础设施及其提供的高级语音呼叫业务（ASCI），其中包含增强多优先级与强拆（EMLPP）、语音组呼（VGCS）和语音广播（VBS），并提供铁路特有的调度业务，包括：功能寻址、功能号表示、接入矩阵和基于位置的寻址，并以此作为信息化平台，使铁路用户可以在此信息平台上开发各种铁路应用。图2-2为GSM-R系统的业务模型层次结构图，因此，GSM-R的业务模型可以概括为：GSM-R业务=GSM业务+语音调度业务+铁路应用。
4.GSM-R标准
EIRENE规范为互用性（对移动通讯来讲）提供了框架。它们和其他由ERTMS用户组提出的规范一样，是欧共体关于欧洲高速铁路网的指示的基础。GSM-R系统虽然采用了GSM标准，但系统也有某些方面不遵从GSM标准。无线通信系统的“马蹄”模型显示TGSM-R系统采用的不同标准（如图4.1）。
GSM-R通信系统依据欧洲标准，在该标准中，对铁路控制和防护系统的软件进行了安全完善度等级（SIL）的划分，针对不同的安全要求制订了相应的标准，按不同等级对整个软件的开发、检查、评估、检测过程，包括对软件需求规格书、测试规格书、软件结构、软件设计开发、软件检验和测试、软硬件集成、软件确认评估、质量保证、生命周期、文档等提出相应的程序与规范的要求（如图4.2、图4.3）。
本标注定义了RAMS各要素（可靠性、可用性、可维护性和安全性）及其相互作用，规定了一个系统生命周期及其工作为基础、用于管理RAMS流程，使RAMS各个要素之间的矛盾得到有效地控制和管理。
5.GSM-R铁路通信系统优化
移动用户通话过程中，为了使呼叫建立在最好的小区中以及为了使呼叫不至于掉话，就引入了切换的概念。切换就是为了维持移动台从一个小区移动到另一个小区时通话能继续进行，以满足网络管理的需要，越区切换是无线资源管理的重要内容。此外，GSM-R网络是传输与铁路运输密切相关的调度通信、应急指挥通信业务的载体。根据铁路通信对可靠性、实时性和不间断性的要求，GSM-R网络必须具有高可靠性和高容错能力。因此，在GSM-R网络中可以考虑采用冗余备份的方式，一旦其中一套设备发生故障，马上切换到另一套设备工作，达到通信不中断的目的，双网之间的切换也是切换的一部分。对于应用于铁路通信的GSM-R网络，对越区切换的处理是提升整个系统有效性和可靠性的关键。网络优化中对于切换事件做重点分析也是出于这个目的。
切换的成功保证了通信的可靠性，切换优化能降低整个系统的干扰情况，有效的均衡话务，提高了系统的平均容量。切换成功率（包括切入和切出）是网络考核的一项重要指标，可以提高切换成功率，有效改善网络质量，降低由于切换引起的掉话及拥塞，提高通话质量，提升用户的满意度
青藏线上GSM-采用的同址双网基站冗余网络结构，结合GSM中公路及铁路中的切换内容，得到一种适用于双冗余链状网的计算切换目标小区列表的算法，该方法利用（Cl，TA）参数判定列车运行方向，减少了切换目标小区数目，选择合适的小区冗余覆盖方案可以提高系统的安全性并降低成本。对我国青藏线GSM-R主设备管理方式的基站同址双网冗余覆盖，研究其切换算法。由于列车以很高的速度穿过小区边界，要求列车能够快速切换到前方小区中，否则就会导致掉话。切换的成功处理能提升整个系统的有效性和可靠性，采用合理的切换算法，有利于降低乒乓效应，提高切换成功率，并保证移动台的越区切换尽量发生在主应用层上，提高铁路通信系统的可靠性和安全性。
理论上分析得到采用SAIC技术的可行性与潜在的系统性能改善。链路使用的联合最大得到采用该SAIC检测算法后对于链路上误码率（BER）性能的改善情况：对于未编码的GSM-R链路而言，这种SAIC技术能够给物理链路带来2dB以上的性能增益。
6.结论
随着科学技术的进步，GSM-R已经成为中国铁路专用通信设备的发展方向，将为铁路运输的语音和数据通信提供传输通道。GSM-R（GSM for Railway）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-R平台上增加了铁路通信所必备的功能（如群呼、组呼、优先级别、强插、强拆等功能）的铁路专业无线通信系统，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。目前铁路GSM-R网络建设是基于GSM网络之上的，GSM网络优化解决的主要问题有：信道拥塞率高、呼叫成功率低；越区切换失败率高，掉话严重；通话质量低、有串音；移动台占用话音信道后呼叫释放、出现振铃后无通话、移动台接通后单边通话；设备完好率较低；中继电路的配置与实际话务不相符、电路群的每线话务量差别较大等。
参考文献
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[2]铁道勘查设计院.GSM-R系统欧洲标准简介[J].铁路通信信号工程技术,2008.03.
[3]EN-50128:2001.英国标准.铁路应用-通信、信号和处理系统——信号的安全相关电子处理系统.2003-05-21.
[4]王艳芳.GSM系统的切换优化[D].哈尔滨工程大学硕士论文,2008.03.
作者简介：何文娟，兰州交通大学研究生，研究方向：交通信息工程及控制。