GSM-R在法国的重大发展

许多铁路运营商决定在20世纪的第四季度在他们的网络上实施地面对列车无线电，对他们中的大多数来说，这是使用UIC特定模拟技术的变体。

为了预测现有无线电即将被淘汰，并考虑到提高全欧洲铁路运营的互操作性的目标，UIC在1990年代初采取了行动，以确定可以指定和推广哪些新技术。

MORANE倡议就是为此目的而定义的，其技术评估的结果是选择GSM规范的演变，命名为GSM-R，其中“R”代表“铁路”。作出这种选择的理由如下:

• GSM- r是基于众所周知的GSM规范。这是一个标准，绝不是一个新的额外的具体选择
• GSM-R的“R”包含了这样一个事实:
• 使用的无线电频率接近GSM频率，但专用于铁路运营商。因此，GSM- r产品在全球范围内继承了GSM产品，具有轻微的适应性，以支持特定的4 Mhz宽频带
• 为了满足铁路功能需求，GSM规范中添加了一些类似pmr的功能。就产品而言，这意味着需要一些软件变体

GSM-R是一种数字技术，除语音应用外，还可以支持任何数据应用。到20世纪90年代末，第一套GSM-R规范完成，形成了名为“EIRENE”的标准，这是互操作性技术规范(TSIs)的众多章节之一。

至于GSM，欧盟要求GSM- r在全欧洲实施，这意味着:

• 铁路基础设施必须在一定时间内升级为GSM-R。这带来了一些限制:
• 部署速度无疑因国而异
• 在一个国家内，在部署完成之前，必须管理技术之间的过渡
• 当地面到训练无线电是强制性的，以下两个迁移方案之一必须实施:
• 面向移动设备:所有发动机都要配备移动设备——CAB无线电——可以支持GSM-R和旧的模拟技术
• 面向网络:CAB无线电以单模、GSM-R或模拟方式工作。GSM-R和模拟网络是并行运行的

GSM-R服务

GSM-R服务的设计是为了满足调度员和司机的功能需求，调度员的职责是管理铁路交通，而司机的职责是安全执行行程。这些服务包括相当传统的流动电讯功能，并增加了一些针对铁路需要的功能，例如:

• 群组呼叫，包括手机和调度员;
• 一个特定的组呼叫是REC(铁路紧急呼叫)
• 优先级和抢占:EIRENE为呼叫类型定义了优先级，当新入局呼叫由于资源不足而无法服务时，会抢占一个较低优先级的呼叫。这种机制保证最优先的任务，通常是与行动安全有关的任务，总是得到完成
• 功能编号:定义了一个特定的寻址计划，允许用户通过其功能编号来指定目标，例如列车车号，而不是移动10位电话号码
• 位置依赖寻址:对于位于给定地理位置的司机，其功能需求是用最快的方式联系到“本地调度员”或“区域调度员”，而不必寻找10位的电话号码

EIRENE规范的当前版本定义了必须实现的强制性特性集，以确保互操作性。但是，通过地对车无线电进行铁路作业的效率，加上一些国家规则- -主要是REC的使用- -可能需要进行额外的工作，以便通过国际标准化小组制定标准。

此外，GSM-R已被标准化组织选为欧盟推广的新铁路信号技术ETCS(欧洲列车控制系统)的传输层。应用层划分在基础设施设备(rbc)和列车内设备(evc)之间，使用GSM-R无线电通过数据调用交换信息。目前使用交换电路数据调用。一些研究正在进行中，以检查GPRS(分组交换的空中数据交换)是否可以成为增强该功能的机会。

GSM-R在法国

背景和假设

Réseau Ferré de France (RFF)成立于1997年，目的是拥有和发展铁路网。

对于GSM-R项目，RFF是运营商和项目所有者。它确定了目标，从公共当局获得资金，并确定了负责网络实施的组织。

SNCF除了是一家铁路运输公司外，还有RFF代表团负责网络运营和维护。

对于GSM-R项目，SNCF负责网络设计(无线电、核心网、传输、铁路电话)、网络部署、端到端验证和运维。

大约1.4万公里的线路在21世纪初安装了地面对列车模拟无线电，现在必须升级为GSM-R。这包括1800公里的高速铁路(HSL)和12200公里的常规铁路。

大约8300台装有模拟CAB无线电的发动机必须在网络升级的同时升级到GSM-R。

经过初步研究后，出于安全考虑，我们选择了“单一基础设施+双移动”的策略:

• “单一基础设施”意味着在给定的时间，对于给定的线路，调度员只使用一种无线电技术
• “双移动”意味着，当列车穿越可能安装或不安装GSM-R的地区时，其移动设备必须同时支持GSM-R和老式模拟无线电技术

RFF在2003年中期启动了GSM-R项目，并决定将全国划分为逐个装备的区域。按照目前的组织结构，该项目预计将从2003年持续到2015年。这主要是由于预算原因，RFF无法在所有区域同时部署GSM-R。59页的地图显示了这个平面图。

GSM-R在法国的挑战和制约

部署战略和计划的一个后果是，在部署完成之前，必须管理配备GSM-R的线路和仍然配备模拟无线电的线路之间的过渡。在法国必须遵循的安全约束使我们设计了一些基于移动的特殊设备，允许将REC从一种技术转移到另一种技术。

在某条线路上开设地面到列车服务意味着要执行下列各项:

• GSM-R无线层，其中要求;
• 至少部分是通用的GSM-R核心网，包括通常的类似gsm的NSS、MSC和HLR，但也包括交付铁路功能的附加服务器
• BSS基础设施，包括BSC和TCU设备，连接到NSS，专用于无线电站点
• 提供符合铁路交通管理功能要求的无线电覆盖的无线电站点
• 数据网络支持运维服务器配套工具，可配置和运行NSS和BSS
• 无线电站点与BSCs之间的传输网络
• 铁路电话，与GSM-R NSS连接，以便向调度员提供他们所需的固定终端
• 双模式GSM-R /模拟CAB无线电将在所有引擎中运行，必须通过该区域

尽管GSM-R是一种标准，但实现和操作规则在各国之间是不同的。在法国铁路网中，地面对列车无线电是必须的，以便运行正常的运行模式。

如果不能提供无线电服务，将导致实行非常严格的操作规则，包括大幅度降低速度。人们可以理解，全球GSM-R架构必须高度可靠，以确保列车运行的安全水平。

必须特别注意核心网络、平衡计分卡和传输骨干的可用性，它们的故障可能影响一个非常大的区域，如果不是整个国家的铁路交通。

因此，网络架构的设计将任何单个故障对GSM-R服务行为的影响最小化。例如，任何BTS通过两条独立的路径(环路配置)连接到BSC。场地设计包括关键元素的复制，如空气冷却，电源和传动收放。对于无法提供自动冗余功能的关键设备，已经建立了高效的灾难恢复计划，以便在专用备份设备上恢复业务。

GSM- r网络与经典GSM网络的显著区别还在于无线电通信量极低且呈零星分布。因此，GSM运营商通常使用的基于统计方法的经典工具来监控服务质量并不适用，必须研究特定的GSM- r工具。

当前的状态

截至2007年10月，项目进展情况如下:

• 核心网络已经建成并投入使用。所选技术架构包含两个“非常安全”的核心站点，其中包括NSS设备(MSC、HLR、核心平台和服务器，如SCP/ in、SMSC、OTA)。这两个站点是双站点，以主/备模式运行。如果在活动的Core站点上发生灾难，由于传输回程实现，技术上可以在不到一个小时内执行到备份站点的“移交”。
• 目前已建成两个高容量的双bsc - tcu站点。同样，如果BSC -TCU被损坏，传输回程将允许将BTS传输链路重新路由到一个运行备份BSC。
• 由于有适当的数据网络，操作和维护中心汇集了所有允许NSS要素、BSS要素和传输齿轮操作的服务器和终端:配置、管理、维护、
• 新的东欧高速线从2003年到2007年建成，配备GSM-R。GSM-R在这条线路上的设计非常创新，在2007年第二季度进行了非常有趣的技术试验。
• 为了解决大部分的技术挑战，一条名为“试点线”的300公里长的测试线已经实施。为此，从巴黎到Bar Le Duc的常规线路已被选定，并分两步投入使用，第一步在2006年3月，完整的线路在2007年1月。其特点是:
• 巴黎郊区密集的城区，包括长长的隧道
• 许多特定区域需要一些先进的无线电工程研究
• 最高时速160km/h
• 郊区外的三条隧道
• 每天大约有1250次交通
• 靠近东欧高铁，也配备GSM-R。
• 法国东部2000公里的铁路线，只占整个国家的一小部分，包括香槟、阿登、洛林、阿尔萨斯和皮卡第的部分地区，目前正在以“Tranche 1”的名义建设中。这将导致;
• 建造约320个无线电接收站
• 25条隧道将被装备
• 八组全长约250公里的铁路将于2008年3月至2009年年中期间陆续投入使用。
• 超过2000台发动机配备了新的双模CAB无线电，这些发动机参与了跨越GSM-R地理区域的交通运行。

2007年进行了大量工作，将法国GSM-R核心网与邻近铁路运营商的核心网互连。目前技术上可实现以下互连:

• 德国
• 比利时
• 荷兰
• 瑞士

从运营中吸取的教训

作为一个标准，人们可能会认为GSM-R和基于它的整体地面对火车无线电应该在开机时100%工作。显然，事实并非如此，现实提供了更多的对比。

首先，RFF和SNCF决定在巴黎附近建立一个专用GSM-R试验台，这是一个完整网络的小型复制实验室。它包括:

• 一套所有类型的NSS设备和核心平台
• 两个bsc - tcu和三个bts
• 一条由九个bts组成的测试线，与实验室系统相连
• 一个铁路专用专用交换机和各类调度台固定终端
• 不同类型的GSM-R手持设备和CAB收音机

本测试系统的配置、操作和维护是为了:

• 在部署到现网之前，对所有网元的硬件和软件进行验证
• 执行端到端系统测试，以确保服务的遵从性
• 调查在现场看到的技术问题，找出根本原因，得到修复和验证解决方案
• 在网络上实施之前，设计和验证OA&M程序
• 培训来自工程和运营组织的人员

尽管从2004年中期开始，我们的系统实验室进行了密集的活动，就供应商发现和修复的缺陷数量而言，这是卓有成效的，但自从GSM-R首次投入运营服务以来，我们一直面临一些问题。首先是移动产品领域。令人惊讶的问题主要出现在无线网络重选领域，这似乎与GSM-R应用背景下的手机使用有关。第二，在人口密集的城市地区遇到无线电困难。GSM-R频段的无线电频率数量很少(4兆赫)，这导致了频率规划的复杂性，而且一些高容量gsm运营商的站点以相当高的功率传输，可能在移动级别产生阻塞。第三，基于GSM-R的地对车无线电带来了新的程序，改变了司机和调度员的习惯。在切换到新技术时，必须作出重大努力来培训和支持用户。

为了监控网络服务质量，已经实施了工具和程序。这种监测实际上涵盖了不同的方面，包括:

• GSM-R网络本身的技术服务质量，包括电信设备的行为，包括GSM-R和传输
• 端到端地对车无线电服务的功能质量，其中包括铁路电话、移动电话，主要涉及铁路业务的整体服务的可用性
• 感知终端用户服务质量，考虑到技术提供一流音频质量的能力和终端(固定或移动)的易用性。

最后，一个众所周知的问题是，在建设电信网络的同时运营部分网络会带来困难，并可能影响服务质量，特别是在核心网络高度集中的法国GSM-R网络的背景下。为了解决这个问题，工程和运营机构都制定了相应的程序，通过这些程序，在执行之前追踪和检查网络上的任何一组技术操作，以评估潜在的影响。

东欧高速铁路(EE HSL)

在2007年6月10日，高铁列车正式投入商业运作。这是多年努力的结果，旨在发展从巴黎到德国和东欧的高速铁路。

EE高铁全长300公里，商业运行速度为320公里/小时，在目前的阶段，极大地缩短了巴黎与法国的兰斯、梅斯和南希、卢森堡、弗兰克福特、乌尔姆和德国Münich等许多城市之间的旅行时间。

该项目包括了平台、土木工程和GSM-R覆盖等不同领域的许多创新。设计测试计划是为了验证360公里/小时的运行速度。此外，RFF、SNCF和阿尔斯通还设计了一个名为V150的特定子项目，目的是创造新的世界铁路速度记录。2007年4月3日，这列火车达到了不可思议的5748公里/小时的速度。

EE HSL上的GSM-R

V150项目使技术团队能够进行一些独特的实验。这就是负责GSM-R无线电设计和实现的工程团队的情况。

在发布通过高速测试收集到的一些结果之前，让我们快速描述一下GSM-R无线网络架构，它是相当创新的。GSM-R技术已在EE高铁线路上实现，以提供:

• 为司机和调度员提供地面到列车的无线电服务
• 用于ETCS信号应用的无线电传输

为了满足ETCS规定的无线电服务可用性要求，项目团队决定实现两层GSM-R无线电覆盖，每层单元，出于安全原因，属于不同的BSC。

这样的体系结构碰巧非常有效，尽管不容易验证和调优。由于缺乏GSM-R频率，而且常规线路也配备了GSM-R，因此产生了一些必须克服的困难。

GSM-R非常高速

V150项目的关键是一辆专用于高速列车的定制列车，在该列车上可以安装GSM-R天线、CAB无线电和适当的试验测试工具。这些实验是通过EE HSL的RFF GSM-R基础设施和SNCF Cab Radio进行的。

GSM-R呼叫保持在记录速度，这意味着该技术能够应对主要由速度引起的多普勒效应和高切换频率造成的失真影响。
总结一下研究结果:

• 在500公里/小时的速度下，音质是可以接受的
• 在比特率为4800 bps(支持ERTMS操作的比特率)的情况下，上行链路最高可达350公里/小时，下行链路最高可达450公里/小时

必须注意的是，实验是用通常的GSM-R技术进行的，没有定制的参数或专门的开发。

这些结果为我们更好地理解GSM-R系统在极端条件下的行为，包括基础设施和移动端。在未来，RFF和SNCF将处于一个更好的位置，为即将到来的高速线路制定有效的工程规则，特别是那些配备了ERTMS技术的高速线路。它还将与供应商合作，以改进技术，实现更高的性能。

结论和下一步

这篇文章强调了GSM-R在法国是非常先进的。明确了总体架构，并做出了关键决策，特别是与操作安全性相关的决策。核心网络已经建成并“启动和运行”，基于GSM-R建立的地面对列车无线电的第一次实验已经成功。目前有600公里的线路在良好的反馈下运行，一条高速线路上GSM-R已经准备就绪，不仅用于时速320公里的地对车无线电，还用于ETCS验证。此外，还制定了进一步部署GSM-R无线电的计划。

GSM-R在法国目前的成功将继续面临以下挑战:

• 按时完成“Tranche 1”项目，即在未来18个月内在法国东部部署GSM-R。从该方案的现状看，一些功能和技术点，如边境过境、铁路紧急呼叫增强等，仍需在标准的基础上进一步明确或完善。我们相信这些目标将会实现。
• 通过执行ERTMS端到端测试，验证东欧HSL上的GSM-R体系结构和性能是否满足应用程序需求，这是开始ERTMS操作之前的最后一步。
• 服务质量整合。随着网络的发展，工具和相关程序的效率将得到提高，以持续控制和改进所有依赖GSM-R的应用程序的服务质量。
• 评估加速项目的选项。RFF目前正在研究在法国为GSM-R设计和实施公私伙伴关系(PPP)的机会。项目的这种演进可能会加速GSM-R部署的完成，为了确定整个项目组织的潜在演进，并指定潜在新伙伴的责任，在接下来的几个月里需要进行大量的工作。