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[摘要]GSM-R铁路综合数字移动通信系统是基于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。机车无线通信设备集成了GSM-R移动通信中的移动台功能，是车-车、车-地之间信息传输的终端设备。首先对GSM-R技术进行简要的介绍，然后给出机车无线通信设备的总体硬件设计方案和软件程序框架（包括主控程序和MMI程序）。
[关键词]GSM-R系统 无线通信设备 MMI
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110101－02
一、引言
目前我国铁路无线通信主要以列车无线高速通信系统为主(即无线列调)，这一系统属于单信道模拟通信系统，它已不适应我国铁路向着高速化、自动化和现代化发展的需要。铁路提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、大容量的车地安全和调度指挥的信息传输通道[1]。基于GSM-R技术的无线通信系统，能为铁路通信列车调度、行车调度、列车控制和列车监控提供良好的语音和数据通信。
二、GSM-R技术概述
（一）概述
铁路综合数字移动通信系统标准GSM- R（GSM for Railway）是一种基于目前公共无线通信系统GSM平台上的、专门为满足铁路应用而开发的数字式无线通信系统。它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，是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500km/h的无线通信要求，安全性好。[2]
（二）GSM-R的功能
GSM-R通信系统应用于中国铁路主要提供语音通信和数据通信业务，可以实现调度通信、车次号传输与列车停稳信息的传送、调度命令传送、列尾装置信息传送、无线机车信号和调车监控信息传输、机车同步操作信息传输、列车控制数据传输、区间移动公务通信、应急指挥通信话音和数据业务、旅客列车移动信息服务等功能。
（三）GSM-R工作频率
GSM-R系统可以在876~960MHz的频率范围内工作。GSM-R选择工作在900MHz频段主要是由于这段频率与GSM900的频率接近，硬件和软件的修改少，成本较低。基站的间距为5-10km，能保证高速运行时的通信质量，以太最大时速500km(最大多普勒频移为415Hz)和列控的需求。在隧道内的转播性能比450MHz和1800MHz好。电气化干扰对900MHz附近的通信频段几乎没有影响，电气化铁路干扰频率多集中在400-800MHz。
（四）GSM-R的优势和特点
中国现有无线通信系统主要包括列车无线调度通信系统、站场调车无线通信系统、各专用部门)对讲机系统等。相比之下GSM-R具有如下优势：
1．GSM-R具有功能号呼叫、语音广播和组呼业务、基于列车位置寻址等高级语音呼叫功能，适应铁路运输指挥手段现代化的需要。
2．GSM在网络规划、建设、运营维护等方面积累了丰富的成功经验，基于GSM技术的GSM-R具有成熟的技术优势。
3．GSM-R技术可以跟着GSM发展，走GSM-R/GPRS/WCDMA的道路，与整个通信产业保持一致，支持铁路移动通信的可持续发展。
4．以新一代分散自律调度集电（CTC)和列车控制系统（CTCS)为代表的现代化信号控制技术都将基于GSM-R移动通信技术平台实现，GSM-R符合通信信号技术一体化发展的需要。
5．GSM-R系统完全可以涵盖目前中国铁路各个无线通信系统的功能，避免重复投资、独立维护、互相干扰等弊端，具有综合经济效益优势。
三、机车无线通信设备总体硬件设计
机车无线通信设备是安装在机车上由司机使用的，用于火车司机与车站值班员、运转车长、其它机车司机、调度员等进行语音通信和数据通信的设备。
该设备能够实现450MHz承载的列车尾部风压、无线车次号、调度命令等数据信息的传输功能；GSM-R网络注册/注销和功能号注册/注销功能；GSM-R调度通信系统功能；支持GSM-R通用数据传输功能，可根据承载业务的需要提供GPRS或电路方式数据传输链路；支持IEEE802.11b标准中规定的数据传输功能，传输距离不小于1000米；支持GSM-R工作模式与450MHz工作模式自动切换和手动切换功能；支持电源软关机功能，完成主机关电后的GSM-R网络注销和功能号注销；可向用户提供GPS原始信息、公用GPS位置信息等。另外，操作显示终端支持GSM-R调度通信系统、通用数据传输以及其它应用的操作、状态显示以及语音提示，主机根据需要对信息进行存储，MMI进行显示信息的记录。当列尾主机具有GPS位置信息时，可计算机车与列尾之间的距离，超出规定的距离发出报警。
机车无线通信设备结构设计成两大块：主机和MMI(Man Machine Interface，人机接口)，在功能上实现450M电台和GSM-R两种模式通信。机车综合无线通信设备具体的结构由主机、人机接口（MMI）、打印终端、送受话器、连接电缆、扬声器、天线、射频馈线等构成。设备构成如图1所示。
主机包括主控单元、接口单元、电源单元、电池单元、GPS单元、GSM-R话音单元、GSM-R数据单元、高速数据单元、录音单元、天馈单元、450MHz机车电台单元、800MHz列尾和列车安全预警车载电台(简称800MHz车载电台)单元等。另外高速数据单元设计成应用802.1协议，通过CAN总线与主机相连。机车无线通信设备各组成部分模块化，可根据功能要求进行模块配置。
主机根据业务功能要求配置功能模块，需要在MMI上显示和操作的业务可以通过数据应用接口实现信息的交互。MMI包括显示器、送(受)话器、扬声器、按键、电源开关、外部接口等。设备各组成单元的功能如下：
（1）打印终端可在MMI的控制下打印输出纸质调度命令等信息。
（2）MMI实现人机信息的交互。
（3）主控单元实现对各模块单元的控制及数据信息的记录。
（4）接口单元连接设备内部有关单元及为数据应用业务提供接入接口。
（5）电源单元为设备提供供电电源(450MHz机车电台单元、800MHz车载电台单元可根据工程情况确定供电方式)。电池单元为外界直流供电切断后进行GSM -R注销提供备用电源。
（6）GPS单元为设各提供公用GPS位置信息，其中时钟信息作为设备的标准时钟。
（7）GSM-R话音单元在主控单元的控制下完成GSM-R调度通信功能。GSM-R数据单元在主控单元的控制下完成数据的收发(支持GPRS方式、电路连接方式)。
（8）高速数据单元支持IEEE802.11b标准中规定的通用数据传输功能。
（9）录音单元一记录话音通信中的语音。450MHz机车电台单元在主控单元的控制下完成450MHz调度通信功能。
（10）450MHz调度命令单元在主控单元的控制下完成450MHz调度命令信息的传递。
四、机车无线通信设备软件设计
（一）主控软件设计
主控单元是整个系统的中心枢纽，它负责连接整个系统的各个组成部分与各个组成部分进行通信；负责接收，解释，并处理GSM-R、GPRS、GPS、高速数据卡、45OM电台等模块的信令和数据，并与之交互。主控模块通过音频处理电路，对语音信息进行播放、保存。并与MMI终端进行交互，在MMI上显示相应信息，对用户的在终端上的操作进行响应。主控单元不要求界面显示，但为了便于调试，主控程序将分别显示通讯的三个串口的接收数据。
主控板转发各组成部分之间的相互通信，储存系统的必要的工作信息，存储调度命令，控制GSMR模块工作等工作。从它的工作情况可以看出，主控单元的大部分工作都是与其它系统单元分不开的，是配合或控制其它系统单元工作的。因此主控单元的项目设计中，调试这部分就相应的比较复杂。为了便于调试，主控单元将可以显示各串口接收数据并保存。主控程序框图如图2所示。
开机后，主控板首先完成初始化任务，然后同时运行串口接收程序和各端口进程，串口接收程序轮询扫描3各异步串口，若发现有数据出现，则送到相应正在处于等待状态的各端口程序进行处理。其中对UARl口来的数据还要进行进一步判断，以决定是MMI操作还是GPS操作还是45OM电台操作，然后进行相应处理。各端口程序完成相应操作后，分别返回到各自的等待消息处，继续监听串口，获得串口数据并处理串口数据，使相应的通信功能得以实现。该程序是一个循环过程，不能自动终止，需要关机或重启动来结束程序。
（二）MMI软件设计
MMI负责接收主控模块传来的信息，并显示。接收终端用户的操作，将操作反馈给主控。并通过音频处理电路，对语音信息进行播放、保存。MMI程序框图如图3所示。
MMI上电后，主控板板首先完成初始化任务，其中包括配置LCD液晶显示屏、键盘、显卡、声卡等文件，然后读取两个MMI的端口号，刚开机默认两个MMI均为副控，在由人工按键将以MMI设为主控。然后程序开始检测UARTO串口，此串口是与主控的接口，若检测到主机发送来的有效数据，根据数据格式判断出是属于哪个函数的操作，则进入主程序的该函数运行。完成相关的MMI操作后，程序返回循环返回到等待消息处，继续处理串口发送来的消息。该程序不能自动终止，需要关机或重启动来结束程序。
五、结束语
GSM-R系统的引入，不但实现了铁路移动通信系统的升级换代，改善了语音通信质量，而且为数据业务应用提供了数字无线通信平台，能够支持列车诊断、车辆跟踪、货物跟踪、移动售票、旅客信息服务等各种新业务。GSM-R通信系统是铁路信息化的基础平台和关键因素，在铁路信息化建设中占有举足轻重的地位。随着GSM-R系统在中国的建设和普及，铁路信息化整体水平会不断提高，而铁路信息化是铁路现代化的基本要素和重要内容，将强有力地推动中国铁路跨越式发展。
参考文献：
[1]钟章队、李旭、蒋文怡等编著，铁路综合数字移动通信系统(GSM-R)[M].北京:中国铁道出版社.2003.
[2]王丹，GSM-R综合无线通信系统在青藏线上的应用[J].冰川冻土. 2003.(S1).
[3]杨和生、方晓，广珠铁路GSM-R系统的应用研究铁道通信信号[J].2007.(07).
[关键词]GSM-R系统 无线通信设备 MMI
中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110101－02
一、引言
目前我国铁路无线通信主要以列车无线高速通信系统为主(即无线列调)，这一系统属于单信道模拟通信系统，它已不适应我国铁路向着高速化、自动化和现代化发展的需要。铁路提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、大容量的车地安全和调度指挥的信息传输通道[1]。基于GSM-R技术的无线通信系统，能为铁路通信列车调度、行车调度、列车控制和列车监控提供良好的语音和数据通信。
二、GSM-R技术概述
（一）概述
铁路综合数字移动通信系统标准GSM- R（GSM for Railway）是一种基于目前公共无线通信系统GSM平台上的、专门为满足铁路应用而开发的数字式无线通信系统。它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，是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500km/h的无线通信要求，安全性好。[2]
（二）GSM-R的功能
GSM-R通信系统应用于中国铁路主要提供语音通信和数据通信业务，可以实现调度通信、车次号传输与列车停稳信息的传送、调度命令传送、列尾装置信息传送、无线机车信号和调车监控信息传输、机车同步操作信息传输、列车控制数据传输、区间移动公务通信、应急指挥通信话音和数据业务、旅客列车移动信息服务等功能。
（三）GSM-R工作频率
GSM-R系统可以在876~960MHz的频率范围内工作。GSM-R选择工作在900MHz频段主要是由于这段频率与GSM900的频率接近，硬件和软件的修改少，成本较低。基站的间距为5-10km，能保证高速运行时的通信质量，以太最大时速500km(最大多普勒频移为415Hz)和列控的需求。在隧道内的转播性能比450MHz和1800MHz好。电气化干扰对900MHz附近的通信频段几乎没有影响，电气化铁路干扰频率多集中在400-800MHz。
（四）GSM-R的优势和特点
中国现有无线通信系统主要包括列车无线调度通信系统、站场调车无线通信系统、各专用部门)对讲机系统等。相比之下GSM-R具有如下优势：
1．GSM-R具有功能号呼叫、语音广播和组呼业务、基于列车位置寻址等高级语音呼叫功能，适应铁路运输指挥手段现代化的需要。
2．GSM在网络规划、建设、运营维护等方面积累了丰富的成功经验，基于GSM技术的GSM-R具有成熟的技术优势。
3．GSM-R技术可以跟着GSM发展，走GSM-R/GPRS/WCDMA的道路，与整个通信产业保持一致，支持铁路移动通信的可持续发展。
4．以新一代分散自律调度集电（CTC)和列车控制系统（CTCS)为代表的现代化信号控制技术都将基于GSM-R移动通信技术平台实现，GSM-R符合通信信号技术一体化发展的需要。
5．GSM-R系统完全可以涵盖目前中国铁路各个无线通信系统的功能，避免重复投资、独立维护、互相干扰等弊端，具有综合经济效益优势。
三、机车无线通信设备总体硬件设计
机车无线通信设备是安装在机车上由司机使用的，用于火车司机与车站值班员、运转车长、其它机车司机、调度员等进行语音通信和数据通信的设备。
该设备能够实现450MHz承载的列车尾部风压、无线车次号、调度命令等数据信息的传输功能；GSM-R网络注册/注销和功能号注册/注销功能；GSM-R调度通信系统功能；支持GSM-R通用数据传输功能，可根据承载业务的需要提供GPRS或电路方式数据传输链路；支持IEEE802.11b标准中规定的数据传输功能，传输距离不小于1000米；支持GSM-R工作模式与450MHz工作模式自动切换和手动切换功能；支持电源软关机功能，完成主机关电后的GSM-R网络注销和功能号注销；可向用户提供GPS原始信息、公用GPS位置信息等。另外，操作显示终端支持GSM-R调度通信系统、通用数据传输以及其它应用的操作、状态显示以及语音提示，主机根据需要对信息进行存储，MMI进行显示信息的记录。当列尾主机具有GPS位置信息时，可计算机车与列尾之间的距离，超出规定的距离发出报警。
机车无线通信设备结构设计成两大块：主机和MMI(Man Machine Interface，人机接口)，在功能上实现450M电台和GSM-R两种模式通信。机车综合无线通信设备具体的结构由主机、人机接口（MMI）、打印终端、送受话器、连接电缆、扬声器、天线、射频馈线等构成。设备构成如图1所示。
主机包括主控单元、接口单元、电源单元、电池单元、GPS单元、GSM-R话音单元、GSM-R数据单元、高速数据单元、录音单元、天馈单元、450MHz机车电台单元、800MHz列尾和列车安全预警车载电台(简称800MHz车载电台)单元等。另外高速数据单元设计成应用802.1协议，通过CAN总线与主机相连。机车无线通信设备各组成部分模块化，可根据功能要求进行模块配置。
主机根据业务功能要求配置功能模块，需要在MMI上显示和操作的业务可以通过数据应用接口实现信息的交互。MMI包括显示器、送(受)话器、扬声器、按键、电源开关、外部接口等。设备各组成单元的功能如下：
（1）打印终端可在MMI的控制下打印输出纸质调度命令等信息。
（2）MMI实现人机信息的交互。
（3）主控单元实现对各模块单元的控制及数据信息的记录。
（4）接口单元连接设备内部有关单元及为数据应用业务提供接入接口。
（5）电源单元为设备提供供电电源(450MHz机车电台单元、800MHz车载电台单元可根据工程情况确定供电方式)。电池单元为外界直流供电切断后进行GSM -R注销提供备用电源。
（6）GPS单元为设各提供公用GPS位置信息，其中时钟信息作为设备的标准时钟。
（7）GSM-R话音单元在主控单元的控制下完成GSM-R调度通信功能。GSM-R数据单元在主控单元的控制下完成数据的收发(支持GPRS方式、电路连接方式)。
（8）高速数据单元支持IEEE802.11b标准中规定的通用数据传输功能。
（9）录音单元一记录话音通信中的语音。450MHz机车电台单元在主控单元的控制下完成450MHz调度通信功能。
（10）450MHz调度命令单元在主控单元的控制下完成450MHz调度命令信息的传递。
四、机车无线通信设备软件设计
（一）主控软件设计
主控单元是整个系统的中心枢纽，它负责连接整个系统的各个组成部分与各个组成部分进行通信；负责接收，解释，并处理GSM-R、GPRS、GPS、高速数据卡、45OM电台等模块的信令和数据，并与之交互。主控模块通过音频处理电路，对语音信息进行播放、保存。并与MMI终端进行交互，在MMI上显示相应信息，对用户的在终端上的操作进行响应。主控单元不要求界面显示，但为了便于调试，主控程序将分别显示通讯的三个串口的接收数据。
主控板转发各组成部分之间的相互通信，储存系统的必要的工作信息，存储调度命令，控制GSMR模块工作等工作。从它的工作情况可以看出，主控单元的大部分工作都是与其它系统单元分不开的，是配合或控制其它系统单元工作的。因此主控单元的项目设计中，调试这部分就相应的比较复杂。为了便于调试，主控单元将可以显示各串口接收数据并保存。主控程序框图如图2所示。
开机后，主控板首先完成初始化任务，然后同时运行串口接收程序和各端口进程，串口接收程序轮询扫描3各异步串口，若发现有数据出现，则送到相应正在处于等待状态的各端口程序进行处理。其中对UARl口来的数据还要进行进一步判断，以决定是MMI操作还是GPS操作还是45OM电台操作，然后进行相应处理。各端口程序完成相应操作后，分别返回到各自的等待消息处，继续监听串口，获得串口数据并处理串口数据，使相应的通信功能得以实现。该程序是一个循环过程，不能自动终止，需要关机或重启动来结束程序。
（二）MMI软件设计
MMI负责接收主控模块传来的信息，并显示。接收终端用户的操作，将操作反馈给主控。并通过音频处理电路，对语音信息进行播放、保存。MMI程序框图如图3所示。
MMI上电后，主控板板首先完成初始化任务，其中包括配置LCD液晶显示屏、键盘、显卡、声卡等文件，然后读取两个MMI的端口号，刚开机默认两个MMI均为副控，在由人工按键将以MMI设为主控。然后程序开始检测UARTO串口，此串口是与主控的接口，若检测到主机发送来的有效数据，根据数据格式判断出是属于哪个函数的操作，则进入主程序的该函数运行。完成相关的MMI操作后，程序返回循环返回到等待消息处，继续处理串口发送来的消息。该程序不能自动终止，需要关机或重启动来结束程序。
五、结束语
GSM-R系统的引入，不但实现了铁路移动通信系统的升级换代，改善了语音通信质量，而且为数据业务应用提供了数字无线通信平台，能够支持列车诊断、车辆跟踪、货物跟踪、移动售票、旅客信息服务等各种新业务。GSM-R通信系统是铁路信息化的基础平台和关键因素，在铁路信息化建设中占有举足轻重的地位。随着GSM-R系统在中国的建设和普及，铁路信息化整体水平会不断提高，而铁路信息化是铁路现代化的基本要素和重要内容，将强有力地推动中国铁路跨越式发展。
参考文献：
[1]钟章队、李旭、蒋文怡等编著，铁路综合数字移动通信系统(GSM-R)[M].北京:中国铁道出版社.2003.
[2]王丹，GSM-R综合无线通信系统在青藏线上的应用[J].冰川冻土. 2003.(S1).
[3]杨和生、方晓，广珠铁路GSM-R系统的应用研究铁道通信信号[J].2007.(07).