第8讲 GSM-R通信系统--语音编码及传输技术
《gsmr系统介绍》ppt课件
列车控制系统（CTCS）应用
列控数据传输
CTCS通过GSM-R网络传输列控 数据，包括列车位置、速度、信 号状态等信息，确保列车运行安
全。
车载设备通信
利用GSM-R网络的无线通信功 能，实现车载设备与地面设备之 间的实时通信，提高列车运行效
率。
远程故障诊断
通过GSM-R网络，地面控制中 心可对车载设备进行远程故障诊 断和处理，减少故障对列车运行
和通信性能。
06
未来发展趋势与挑战
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
5G技术在铁路通信中融合应用前景
5G技术为铁路通信提供更高速率、更低时延
5G技术的高速率和低时延特性将极大提升铁路通信效率，满足列车高速运行中的实时通 信需求。
5G与铁路业务深度融合
5G技术可支持铁路列控、调度、监测等多种业务，实现与铁路业务的深度融合，提升铁 路运营效率。
归属位置寄存器（HLR）
存储用户数据，提供鉴权和位置更新 服务
访问位置寄存器（VLR）
临时存储漫游用户数据，配合MSC 完成呼叫处理
设备识别寄存器（EIR）
存储设备黑名单，防止非法设备接入 网络
无线网组成及功能
基站控制器（BSC）
管理基站，实现无线资源分配和调度
编码器和速率适配器
实现语音编码和速率适配，保证语音通信质 量
与专用移动通信系统比较
1 2
频率分配
GSM-R使用专用频率，避免与其他系统干扰， 而专用移动通信系统可能使用共享频率。
标准化程度
GSM-R基于国际通用标准，易于实现设备互联 互通，而专用移动通信系统可能采用不同标准。
3
移动通信中的语音编码技术
移动通信中的语音编码技术在当今高度互联的时代，移动通信已经成为我们生活中不可或缺的一部分。
无论是与亲朋好友保持联系，还是进行商务沟通，清晰流畅的语音通话质量始终是用户关注的重点。
而在这背后，语音编码技术发挥着至关重要的作用。
语音编码技术的主要任务是在尽可能保证语音质量的前提下，降低语音信号的数据量，以便更高效地在移动通信网络中传输和存储。
这就好比我们要把大量的物品装进一个有限空间的箱子里，需要巧妙地压缩和整理，同时还要确保物品的完整性和可用性。
要理解语音编码技术，首先得了解语音信号的特点。
语音信号实际上是一种时变的模拟信号，包含了丰富的信息，如音高、音强、音色等。
传统的模拟通信方式直接传输这样的模拟信号，不仅占用带宽大，而且容易受到干扰。
而数字通信则将模拟语音信号转换为数字信号进行传输，这就需要对语音进行编码。
在移动通信中，常用的语音编码技术可以大致分为三类：波形编码、参数编码和混合编码。
波形编码是一种尽可能保留原始语音信号波形的编码方式。
它的优点是语音质量高，能够接近原始语音，但缺点也很明显，就是编码速率较高，需要较大的带宽资源。
常见的波形编码技术有脉冲编码调制（PCM）和自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）。
PCM 是最基本的编码方式，通过对模拟语音信号进行均匀采样和量化，将其转换为数字信号。
ADPCM 则是在 PCM 的基础上，根据语音信号的特点自适应地调整量化步长，从而在一定程度上降低了编码速率。
参数编码则是完全不同的思路。
它不是直接对语音波形进行编码，而是通过分析语音信号的产生模型，提取语音的特征参数进行编码传输。
这种方式编码速率很低，但语音质量相对较差，容易产生失真。
常见的参数编码技术有线性预测编码（LPC）。
LPC 基于语音信号的线性预测模型，通过计算预测系数来描述语音的特征。
混合编码则是结合了波形编码和参数编码的优点。
它在保留一定语音波形信息的同时，也对语音的参数进行建模和编码，从而在较低的编码速率下获得较好的语音质量。
GSM数字移动通信系统语音信源编解码技术
GSM数字移动通信系统语音信源编解码技术
王红军;钟子发;陈润洁
【期刊名称】《电讯技术》
【年(卷),期】2004(44)1
【摘要】依据GSM协议,介绍了GSM系统所采用的语音信源RPE-LTP(规则码激励长期预测)编码技术,详细阐述了相应的信源解码模型和解码算法,并在工程实现中对算法性能进行了大量的测试,验证了解码模型的可行性和算法的有效性.
【总页数】5页(P25-29)
【作者】王红军;钟子发;陈润洁
【作者单位】电子工程学院,安徽,合肥,230037;电子工程学院,安徽,合肥,230037;合肥通用所,安徽,合肥,230031
【正文语种】中文
【中图分类】TN912.3
【相关文献】
1.铁路综合数字移动通信系统(GSM-R)和GSM-R的清频工作 [J], 赵强
2.铁路GSM-R数字移动通信网络语音组呼号码解析 [J], 魏炼
3.GSM数字移动通信中的语音信道编码 [J], 翟俭学;田波
4.数字移动通信泛欧制式GSM中的语音编码研究 [J], 魏刚;温启荣
5.数字移动通信技术讲座(一)——GSM数字移动通信系统概述 [J], 汪衣冰;
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GSM系统语音的传输过程
GSM系统语音的传输过程一、语音编码由于GSM系统是一种全数字系统，话音和其它信号都要进行数字化处理，因此移动台首先要将语音信号转换成模拟电信号，以及其反变换，移动台再把这模拟电信号转换成13Kbit/s的数字信号，用于无线传输。
下面我们主要讲一下TCH全速率信道的编码过程。
目前GSM采用的编码方案是13 Kbit/s的RPELTP（规则脉冲激励长期预测），其目的是在不增加误码的情况下，以较小的速率优化频谱占用，同时到达与固定电话尽量相接近的语音质量。
它首先将语音分成20ms为单位的语音块，再将每个块用8 KHZ抽样，因而每个块就得到了160个样本。
每个样本在经过A率13比特（μ率14比特）的量化，因为为了处理A率和μ率的压缩率不同，因而将该量化值又分别加上了3个或2个的“0”比特，最后每个样本就得到了16比特的量化值。
因而在数字化之后，进入编码器之前，就得到了128Kbit/s的数据流。
这一数据流的速率太高了以至于无法在无线路径下传播，因而我们需要让它通过编码器的来进行编码压缩。
如果用全速率的译码器的话，每个语音块将被编码为260比特，最后形成了13Kbit/s的源编码速率。
此后将完成信道的编码。
在BTS侧将能够恢复13Kbit/s的源速率，但为了形成16Kbit/s的TRAU帧以便于在ABIS和ATER接口上传送，因而需再增加3Kbit/s的信令，它可用于BTS来控制远端TCU的工作，因而被称为带内信息。
这3Kbit/s 将包括同步和控制比特（包括坏帧指示、编码器类型、DTX指示等）。
总之，带内信息将能使TCH，知道信息的种类（全速率语音、半速率语音、数据），以及采用何种适用的方法用于上行和下行的传输。
在TCU侧，通过为了适应PSTN网络64Kbit/s的传输，因而在它其中的码型速率转换板将完成将速率由13Kbit/s转换为64Kbit/s的工作，二、信道编码信道编码用于改善传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影响，但它是以增加比特降低信息量为代价的。
GSM-R铁路移动通信
GSM-R铁路移动通信GSM-R铁路移动通信简介GSM-R (GSM-Rlway) 是一种专门用于铁路通信的移动通信系统，它基于GSM (Global System for Mobile Communications) 技术，为铁路环境中的通信需求提供了专门的解决方案。
GSM-R的应用范围包括列车司机和驾驶员之间的语音通信、列车位置报告、列车调度和信号控制等。
技术特点GSM-R在技术上与传统的GSM相似，但为了满足铁路环境中的特殊需求，它进行了一些修改和改进。
以下是GSM-R的一些技术特点：1. 频率带宽分配GSM-R使用专门的频率带宽进行通信，它与传统GSM网络的频率带宽是分开的，以避免干扰。
2. 呼叫设备GSM-R在列车上使用专门的呼叫设备，这些设备经过特殊设计，可以适应列车震动和噪音环境，并且能够提供清晰的通信效果。
3. 优先级和紧急呼叫GSM-R可以通过设定不同的优先级，为不同类型的呼叫提供不同的处理方式。
例如，紧急呼叫可以绕过其他通信，被优先处理。
4. 位置报告GSM-R可以使用GPS等定位技术来获取列车的准确位置，并将位置信息传输给调度员和信号控制中心。
这样，调度员可以实时了解列车的位置，更好地进行调度和管理。
5. 组呼和广播GSM-R支持组呼和广播功能，可以向一组列车司机或驾驶员发送通信信息，提高信息传递效率。
6. 安全和保密性GSM-R采用了一系列的安全措施，以保障通信的安全性和保密性。
它使用加密技术对通信内容进行保护，防止信息被非法窃听和篡改。
应用场景GSM-R广泛应用于铁路运输领域，提供可靠的移动通信服务。
以下是一些GSM-R的常见应用场景：1. 列车司机通信GSM-R允许列车司机与驾驶员之间进行语音通话，以确保安全和协调各项运输任务。
2. 列车位置报告GSM-R可以定期报告列车的准确位置给调度员和信号控制中心，以便及时做出调度和管理决策。
3. 列车调度GSM-R可以使调度员与列车司机和驾驶员保持实时联系，通过语音通话和位置报告，调度员可以更好地进行列车调度和管理。
GSM-R通信系统解析
GSM-R(GSM for Railway)GSM,全名为：Global System for Mobile Communications，中文为全球移动通讯系统，俗称"全球通"，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球。
全球贸易组织(GSMA)GSM-R数字集群移动通信系统简介2006年7月1日，随着青藏铁路的全线通车，我国铁路所使用的一种世界上领先的铁路数字移动通信系统也在青藏线上正式投入使用。
这种通信系统就是GSM-R铁路全球移动通信系统。
GSM-R（Global System For Mobile Communications For Railway）系统是欧洲铁路综合调度移动通信系统的简称。
是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统。
它是在8时隙/200KHz TDMA多址方式GSM蜂窝系统上增加调度通信功能构成的一个综合专用移动通信系统。
它基于GSM的基础设施及其提供的高级语音呼叫业务，提供铁路特有的调度业务，并以此为信息化平台，使铁路部门可以在这个平台上实现铁路管理信息的共享。
GSM-R系统是基于GSM的规范协议，增加了优先级、组呼、广播呼叫等铁路运输专用调度通信功能，适用于铁路通信的需要。
为了完成调度通信的功能，GSM-R系统与GSM系统不同的是在其结构中增加了组呼寄存器（GCR）。
GSM-R系统除了具有语音传送功能外，更重要的是具有数据传送功能，它与GPS卫星定位系统、机车车载计算机结合后能够实现机车和地面之间列车控制信息的实时传送，达到控制列车运行，确保列车安全的目的。
GSM-R网络属于铁路运输指挥专用调度通信系统，因此其网络和业务具有调度通信所要求的封闭性、安全性和实时性特征，要求与外部通信网络只能进行有限的互联互通，即为实现铁路运输指挥业务需要，与铁路专用电话网、铁路各种MIS 信息网络互联互通，一定程度上与公众通信网络互联互通。
数字通信中的语音编码技术
数字通信中的语音编码技术数字通信技术是当前社会中应用最为广泛的一种通信方式，我们平时使用的手机、电脑、电视等都是基于数字通信技术实现的。
而在数字通信领域中，语音编码技术是其中非常重要的一个领域。
本文将会对数字通信中的语音编码技术进行详细介绍，包括其概念、应用和实现原理等方面。
一、语音编码技术概述语音编码是一种将人类语音转换成数字信号的技术。
正常人类语音每秒钟会有约25帧的语音信号，每帧包含了很多信息。
如果在数字通信系统中直接把语音信号传输，将会占用很大的带宽，造成通信的负担。
因此，对于数字通信系统来说，我们需要对语音信号进行压缩和编码处理，以便于在数据传输过程中占用更少的带宽，从而提高通信效率。
语音编码技术主要有两个阶段，即语音信号的采样和量化和语音信号的压缩编码。
采样和量化是指将语音信号转化为数字信号，并对数字信号的每一个样本进行一定的量化。
而压缩编码则是将量化后的语音信号进行编码，使其占用更少的位数，从而实现带宽压缩并提高通信效率。
语音编码技术的主要应用领域是手机通信和VOIP（网络电话），手机通信是我们日常生活中必不可少的通信方式之一。
由于手机的通信信道有限，因此需要对语音信号进行压缩编码以节省通信资源，从而实现高清晰度的通话。
而VOIP则是在互联网上进行语音通话的技术，也需要使用语音编码技术实现高质量的通话。
二、语音编码技术的实现原理语音编码技术的实现原理涉及到数字信号处理、信息论和信号处理等多个方面。
具体来说，语音编码技术的实现主要包括以下几个步骤：1、语音信号的采样和量化。
语音信号的采样和量化将模拟语音信号转换为数字信号。
在这一步骤中，对于语音信号的每一个样本进行一定的量化，将其表示为二进制数，以实现数字化信号的传输、处理和存储。
2、语音信号的预处理。
为了提高语音信号的编码效果，需要对语音信号进行预处理。
主要有高通滤波、分帧、时域抖动平滑等处理方式。
预处理的目的主要是消除语音信号中不必要的信息，以减少编码后的数据量。
CDMA语音编码和信道编码讲解
CDMA的语音编码与信道编码摘要：随着3G移动通信技术的逐步实现以及移动通信与互联网的融合，全球正迅速步入移动信息时代。
CDMA已被广泛接纳为第三代移动通信的核心技术之一，它具有优越的性能。
本文主要介绍CDMA中常用的语音编码技术与信道技术。
关键词：语音编码信道编码受激励线性编码码激励线性预测编码矢量和激励线性预测编码编码器解码器卷积码1 CDMA中的语音编码技术语音编码为信源编码，是将模拟信号转变为数字信号，然后在信道中传输。
在数字移动通信中，语音编码技术具有相当关键的作用，高质量低速率的话音编码技术与高效率数字调制技术相结合，可以为数字移动网提供高于模拟移动网的系统容量。
目前，国际上语音编码技术的研究方向有两个：降低话音编码速率和提高话音质量。
1.1 语音编码技术的分类语音编码技术有三种类型：波形编码、参量编码和混合编码。
●波形编码：是在时域上对模拟话音的电压波形按一定的速率抽样，再将幅度量化，对每个量化点用代码表示。
解码是相反过程，将接收的数字序列经解码和滤波后恢复成模拟信号。
波形编码能提供很好的话音质量，但编码信号的速率较高，一般应用在信号带宽要求不高的通信中。
脉冲编码调制（PCM）和增量调制（ΔM）常见的波形编码，其编码速率在16～64kbps。
●参量编码：又称声源编码，是以发音模型作基础，从模拟话音提取各个特征参量并进行量化编码，可实现低速率语音编码，达到2～4.8kbps。
但话音质量只能达到中等。
●混合编码：是将波形编码和参量编码结合起来，既有波形编码的高质量优点又有参量编码的低速率优点。
其压缩比达到4～16kbps。
泛欧GSM系统的规则脉冲激励-长期预测编码（RPE-LTP）就是混合编码方案。
1.2 CDMA的语音编码CDMA系统如同其它数字式移动电话系统，它也采用语音编码技术来降低语音的编码速率。
CDMA系统的语音编码主要有从线性预测编码技术发展而来的激励线性预测编码QCELP和增强型可变速率编码EVRC。
移动通信中的语音编码技术
2021/1/20
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混合编码
混合编码是波形编码和参数编码两种系统优点的结合：既利用 了语音生成模型，通过对模型中的参数进行编码，减少了波形 编码对象的动态范围或者数目，又使得编码的过程产生接近原 始语音波形的合成语音，以保留语音的各种自然特征，提高了 合成语音的质量。
利用混合编码技术能够在4-16Kbps 速率上能够得到高质量的 合成语音。多脉冲激励线性预测编码（MPLPC），规划脉冲激 励线性预测编码（KPELPC），码本激励线性预测编码 （CELP）等都是属于混合编码技术。很显然，混合编码是适 合于数字移动通信的语音编码技术。
语音编码技术有波形编码、参数编码和介于两者之间的混合编 码三大类，下面简单介绍这三类编码技术。
2021/1/20
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第一节 语音编码技术介绍
语音编码技术介绍 波形编码技术 参数编码技术 混合编码 语音编码质量的评定
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波形编码技术
波形编码技术是通过对语音波形进行采样、量化，然后用二进 制码表示出来。波形编码的基本原理是在时间轴上对模拟语音 按一定的速率抽样，然后将幅度样本分层量化，并用代码表示。
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第一节 语音编码技术介绍
语音编码技术介绍 波形编码技术 参数编码技术 混合编码 语音编码质量的评定
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语音编码技术介绍
信源编码是指利用信源的统计特性，解除信源的相关性，去掉 信源多余的冗余信息，以达到压缩信源信息率，提高系统有效 性的目的。
语音编码为信源编码，语音信号是模拟信号，语音的编解码就 是将语音的模拟信号转换为二进制数字信号，到了接收端，再 将收到的数字信号还原为模拟语音，同时语音编码的作用还有 减少信源冗余、解除信源相关性，压缩话音码率、提高信源有 效性
GSM系统语音编码器综述
信号处理内核的发展促进了GSM系统语音编解码器的增强。
目前更为密集的分析加合成方法已用于在常见的EFR 及AMR语音编码器中，以在容量有限且容易出错的空中接口上提供最高质量的语音传输。
以当前对高速分组数据传输的关注程度，人们很容易忘记GSM数字电信系统的最初主要目的是传输语音。
总的感觉是整个系统的复杂性与传输链路的管理有关，但也有很大部分与麦克风捕捉到的音频压缩与解压缩复杂性有关。
为满足这一主要目的的需求，必须以足够高的采样及分辨率来捕获语音，以清楚地再现原始声音，并用一种可在比特率有限及容易出错的无线传输信道上保持音频高保真度的方式来压缩语音。
这一需求很具体，其目的是传输语音，故载荷的频率范围及声音质量均为已知。
人类听觉系统的工作方式允许编码器在手机耳机上产生出类似自然声音的听觉效果。
GSM系统中所使用的语音编码器的主要原理是对人类音域的数学建模，从而产生出一种用于传输语音的有效压缩方法。
术语“声码器”或“语音编码器”专门用来描述这些专门执行语音压缩的系统。
GSM系统对用于传输语音的信道具有一组固定的物理要求。
首先，它具有最大22.8kbps的原始数据速率；其次，帧可以被“偷窃”以及用于信令，且语音编码系统对这种情况必须很稳健，尽管存在对可偷窃语音帧的频率及时序的一定限制。
信道容量与编码GSM物理层是FDMA与TDMA的组合。
无线信道在整个GSM频段被分成相隔200kHz的多个信道，这些FDMA信道又被分成8个时隙。
GSM物理信道被定义为单个“绝对无线频率信道号”(ARFCN)上的单个时隙--故每一频率均可包含有8个独立物理信道。
“猝发”是指GSM系统中的无线传输量，且包含以周期577(s发送的114位原始信息。
由于语音流量信道传输的多帧结构，故每26次猝发最多有24次可包含语音数据(其余2次猝发用于空闲周期或传输信令信息)。
因此合计能给出22.8kbps的原始信道容量。
原始信道容量是完美传输条件下的最大用户数据(编码语音)吞吐量。
GSM系统语音的传输过程
GSM系统语音的传输过程一、语音编码由于GSM系统是一种全数字系统，话音和其它信号都要进行数字化处理，因此移动台首先要将语音信号转换成模拟电信号，以及其反变换，移动台再把这模拟电信号转换成13Kbit/s的数字信号，用于无线传输。
下面我们主要讲一下TCH全速率信道的编码过程。
目前GSM采用的编码方案是13 Kbit/s的RPELTP（规则脉冲激励长期预测），其目的是在不增加误码的情况下，以较小的速率优化频谱占用，同时到达与固定电话尽量相接近的语音质量。
它首先将语音分成20ms为单位的语音块，再将每个块用8 KHZ抽样，因而每个块就得到了160个样本。
每个样本在经过A率13比特（μ率14比特）的量化，因为为了处理A率和μ率的压缩率不同，因而将该量化值又分别加上了3个或2个的“0”比特，最后每个样本就得到了16比特的量化值。
因而在数字化之后，进入编码器之前，就得到了128Kbit/s的数据流。
这一数据流的速率太高了以至于无法在无线路径下传播，因而我们需要让它通过编码器的来进行编码压缩。
如果用全速率的译码器的话，每个语音块将被编码为260比特，最后形成了13Kbit/s的源编码速率。
此后将完成信道的编码。
在BTS侧将能够恢复13Kbit/s的源速率，但为了形成16Kbit/s的TRAU帧以便于在ABIS和ATER接口上传送，因而需再增加3Kbit/s的信令，它可用于BTS来控制远端TCU的工作，因而被称为带内信息。
这3Kbit/s 将包括同步和控制比特（包括坏帧指示、编码器类型、DTX指示等）。
总之，带内信息将能使TCH，知道信息的种类（全速率语音、半速率语音、数据），以及采用何种适用的方法用于上行和下行的传输。
在TCU侧，通过为了适应PSTN网络64Kbit/s的传输，因而在它其中的码型速率转换板将完成将速率由13Kbit/s转换为64Kbit/s的工作，二、信道编码信道编码用于改善传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影响，但它是以增加比特降低信息量为代价的。
第8讲GSM-R通信系统--语音编码与传输技术
GSM-R的话音编码技术
GSM-R系统采用规则脉冲激励─长期预测编码（RPE-LTP）。
第8讲 语音编码及传输技术
主要内容
一、语音编码技术 二、信道编码 三、交织编码 四、均衡技术 五、调制解调技术 六、分集接收 七、语音间断传输 八、功率控制 九、移动性管理
一、话音编码技术
GSM系统的无线传输标准
➢ 载频间隔：200KHz； ➢ 通信方式：全双工，FDD； ➢ 信道分配：每载频8个时隙，包含8个全速信道，16个半速信道； ➢ 调制方式：GMSK，高斯滤波最小频移键控； ➢ 接入方式：FDMA+TDMA； ➢ 话音编码：规则脉冲激励线性预测编码RPE—LTP 13kbit/s；
交织编码
第一次交织
将由信道编码后提取出的 456bit 组成 8×57 的矩阵，横向 写入交织矩阵，然后，纵向读出，即可取出8帧每帧57bit的 数据流。
交织编码
第二次交织 为了进一步分散 突发错误，还须 在两个话音帧间 再进行一次交织， 即块间交织。
四、均衡技术
在带宽受限的数字信道中，多径效应会造成码间干扰产生 误码，均衡就是一项用来克服码间干扰的技术。
调制解调技术
数字调制是利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位。 数字调制的基本类型分为幅移键控（ASK）、频移键控 （FSK）、相移键控（PSK）。
调制解调技术
此外，还有许多由基本调制类型改进或综合而获得的新型 调制技术，如MSK、GMSK、QPSK、QAM、OFDM等。
GSM-R 培训资料
二. NSN BSS十三 BTS240 FDUAMCO
• TMA: 代表塔顶放大器， 通常情况下“灭”； • Alarm: “红色”指示VSWR 超过门限值； • Reset: “红色”指示在复位 过程中； • Power: “常绿”指示功率 240 FDUAMCO图示
二. NSN BSS之二 NSN BSC 容量发展概况
二. NSN BSS 之三 NSN CBSC 示意图
二. NSN BSS 之四NSN EBSC 示意图
二. NSN BSS之五 BTS240示意图
二. NSN BSS之六 BTS240的主要模块
BTS240的主要模块 • COBA/COSA（核心模块,主备） • CU/FCU(载频单元)，支持CU冗余 • DUAMCO/FDUAMCO（合路器模块）
一. GSM-R基本知识介绍之二 GSM-R简介
GSM-R （Global System For Mobile Communications For Railway）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语音调度业务 (ASCI)，其中包含增强的多优先级预占和强拆(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，使铁路部门用户可 以在此信息平台上开发各种铁路应用。因此，GSM-R 的
• GSM1800M
上行1710-1785MHZ,下行1805-1880MHZ,374个频点
• GSM1900M
上行1850-1910MHZ,下行1930-1900MHZ，299个频点
一. GSM-R基本知识介绍四 GSM-R频段
铁路数字移动通信系统GSM-R技术介绍
13
我国铁路无线移动通信系统的现状
• 公网体制：GSM，CDMA • 铁路专网体制： 1.无线列调 2.模拟集群：SMRATZONE（广深试验），
MPT1327（北京局、柳南），UNTDEN（北 京、成都、上海等） 3.数字集群：TETRA（秦沈），GT800（重庆）， GOTA（长春）
GSM-R 技术
1
讨论提纲
➢ 什么是GSM－R ➢ 为什么我们需要建设GSM－R ➢ GSM－R基本原理 ➢ GSM－R组网
2
什么是GSM－R
• GSM－R（Globle System Mobile for Railway） 是专门针对铁路对移动通信的需求而推出 的专用系统，它基于GSM并在其功能上 有所超越，是一种成熟的技术。
•
我国铁路数字无线移动通信采用何种通信系
统，现在争论的焦点主要在GSM-R系统和TETRA
系统之间。究竟采用那一种通信系统，不同的专
家之间存在着较大的分歧。
20
欧洲选择GSM-R的原因
• 取代落后的模拟设备，提升系统性能的需 要
• 欧洲铁路互通性的需要 • 新业务的需要（欧洲列车控制系统在2级以
上）
④
OCU及显示（主控）
启动！ 加速！ 减速！ 制动！
①
从
1
③
从1
④ 确认
④ 从2 确认 从2
30
GSM-R承载的业务 调度通信、应急语音通信
MSC
局 级
FAS
GSM-R网络
BSC
BTS
站
段
FAS
应急指挥中心
GSM-R技术资料
GSM-R简介GSM-Railway属于专用移动通信的一种，专用于铁路的日常运营管理，是非常有效的调度指挥通信工具。
GSM-R是基于分组数据的通信方式。
GSM-R（GSMforRailways）系统是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统。
它在GSMPhase2+的规范协议的高级语音呼叫功能，如组呼、广播呼叫、多优先级抢占和强拆业务的基础上，加入了基于位置寻址和功能寻址等功能，适用于铁路通信特别是铁路专用调度通信的需要。
主要提供无线列调、编组调车通信、区段养护维修作业通信、应急通信、隧道通信等语音通信功能，可为列车自动控制与检测信息提供数据传输通道，并可提供列车自动寻址和旅客服务。
在中国铁路的频段为上行885-889MHz，下行方向为930-934MHz。
GSM-R系统包括网络子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、运行和业务支撑子系统（OSS/BSS）和终端设备等四个部分。
其中，网络子系统包括移动交换子系统（SSS）、移动智能网（IN）子系统和通用分组无线业务（GPRS）子系统。
GSM-R系统采用主从同步方式，TMSC、MSC、HLR、SCP等设备应就近从BITS设备中获取定时信号，MSC至BSS间的G数字链路应兼作同步链路使用，BSS从MSC获取同步时钟信号，也可从就近的BITS设备或SDH 设备提取同步时钟信号。
GSM-R传输系统指的是为GSM-R系统各子系统之间的连接提供通道的数字传输系统，包括GSM-R系统为提供基本服务所必需的传输配套单元，如传输光、电缆和传输设备，但不包括直放站远端机和近端机之间的连接通道，也不包括天馈线等连接。
具体的实际应用：武广线、新丰镇编组站、大秦线、胶济线、青藏线、石太线、合宁线、京津城际线等。
GSM-R通信技术起源于欧洲，目前在德国、瑞士、荷兰、意大利等国家均已进入商业运用。
由于GSM-R具有适应铁路运输特点的功能优势，以及更符合通信信号一体化技术发展的需要，因此铁道部2000年底正式确定将GSM-R 作为我国铁路专用通信的发展方向。
GSM-R演示文稿
四、GSM-R原理简介（6）
• 组网方式
GSM-R由核心网和无线网组成，核心网采用二级网络结构，设立 移动业务大区汇接中心（TMSC）和本地网端局（MSC）。无线网络是 由铁路沿线、车站内的一些小区（一个基站或基站的某个扇区覆盖的区 域）组成。
四、GSM-R原理简介（7）
• GSM-R中用到的关键技术
四、GSM-R原理简介（1）
• • • • • GSM-R系统结构 线状覆盖 频率配置 组网方式 GSM-R中用到的关键技术
四、GSM-R原理简介（2）
• GSM-R系统结构
GSM-R通信系统主要由交换子系统（SSS）、基站子系统 （BSS）、运行与维护子系统（OMC）、通用无线分组业务子系 统（GPRS）、终端子系统及移动智能网子系统（IN）六大部分组 成，如下图所示。
二、我国GSM-R的发展过程及应用 （1）
我国铁路无线列车调度通信制式经历了四十多年的运营，其无线 通信也是使用单信道模拟制式。无线通信系统采用频点，信道，固定 分配的方式，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，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。
五、GSM-R厂商及成功案例
GSM-R网络设备商有西门子、北电和华为等，三个厂商在GSM都有 着丰富的工程经验。西门子在运输、车辆、通信信号等交通领域综合实力 很强，其GSM-R设备已经应用在瑞典、荷兰、英国等国家和我国胶济铁 路。北电网络公司的GSM-R设备已应用到德国、法国、英国等国家和我 国青藏铁路。华为公司是国内能够提供GSM-R成套设备的厂商，其设备 已应用于大秦铁路。
GSM-R无线通信系统概述
GPRS最大限度重用已有的GSM网络基础设施
GPRS提供高效的无线资源利用率
GPRS提供高达171.2Kbps的无线接入速率
与已有的GSM-R电路交换系统有很多交互
GPRS系统基于标准的开放接口
GPRS子系统的特点
GPRS提供的业务
HLR2
SCP2
HLRn
交换网实现铁路
基本电信业务
TMSC1
TMSC2
TMSCn
用户平面
控制平面
MSC1
MSC2
MSC3
MSCn
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4、GPRS子系统概述
为什么引入GPRS子系统？
解决频率资源紧张问题，提高数据传输速率。
什么是GPRS？
通用分组无线业务（General Packet Radio Service）的英文缩
用户管理系统
管理本网用户的相关数据，提供开户、销户以及用户业务权限更改
等操作功能，支撑业务的正常运行。
优先。通话时无法进行数据传输。但在数据传输时可以收到
通话信号，从而暂时中断数据传输而切换到话务功能。待通
话结束后再接续数据传输。
C类（Class-C）：只具有GPRS功能，MS只能应用于GPRS
服务。
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5、基站子系统
BSS在系统中的地位与作用：
BSS通过无线接口与终端相接，负责无线信号发送接收和无线资源
标应符合具体业务需求，并预留远期发展条件。山区、隧道、路堑等弱
场区可根据需要采用光纤直放、射频直放站和LCX等技术措施。
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6、运行与支持子系统
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非连续发送（DTX）
概念 Discontinuous Transmission不连续发送。在一个 通信过程中，其实移动用户仅有很少的时间用于通话，大 部分时间都没有传送话音消息。如果将这些信息全部传送 给网络的话，这不但会对系统资源造成浪费而且会使系统 内的干扰加重。
所以利用语音编码器检测到话音间隙后，在间隙期
分集接收技术
分集接收
频率分集：是指承载相同信息的信号用多个载波传送，频 率间隔应该大于等于信道的相干带宽。
时间分集：用不同的时隙来传送承载相同信息的信号。连
续时隙的间隔要大于信道的相干时间。
空间分集：采用多个天线进行接收，使每个天线之间相隔 半波长的整数倍。
极化分集：使用多种极化方式传输同一信号。
功率控制可以减少网络的内部干扰 从下行来说：主要是频率资源不够引起的带内下行干扰 从上行来说：主要是由于高话务量引起的上行干扰，表现为 上行通话质量差。 功率控制可以很大程度的影响网络的KPI. 由于频率资源有限，话务量的增高，功率控制运用不当会引 起干扰，导致网络的KPI下降。
时间提前量TA
二、信道编码
信道编码
是在数据发送之前，在信息码元中再加入一些冗余 码元（也称监督码元或校验码元），用来供接收端 检出或纠正信息在信道中传输时产生的误码。
二、信道编码
分类
分组编码 卷积编码
三、交织编码
在移动通信过程中，由于衰落、干扰等因素经常会造成连续
比特差错的发生。
信道编码 单个差错和不太长的差错串 交织编码 分散连续错误，然后再利用信道编码对其纠错。
信道分配：每载频8个时隙，包含8个全速信道，16个半速信道； 调制方式：GMSK，高斯滤波最小频移键控； 接入方式：FDMA+TDMA； 话音编码：规则脉冲激励线性预测编码RPE—LTP 13kbit/s；
GSM 语音处理过程
话音编码的概念
定义
要将模拟的话音信号转换为二进制的数字信号，此技术称 为话音编码技术。到了接收端，再将收到的数字信号还原 为模拟话音，称为话音解码。
在呼叫进行期间，移动台发给基站的测量报告头上携带 时间提前量 TA 有移动台测量的时延值，而基站必须监视呼叫到达的时 间，并在下行信道上以480ms一次的频率向移动台发送 指令，指示移动台提前发送的时间，这个时间就是TA （时间提前量）。 TA的值域是0~63（0~233μs），它被GSM定时提前的编 码0~63bit所限，使GSM最大覆盖距离为35km，计算如下： 1/2*3.7us/bit*63bit*c=35km 其中，3.7μs/bit为每bit时长（156/577），63bit 为时间调整最大比特数，c为光速（信号传播速度）。 1/2考虑了信号的往返。 GSM定时提前TA的编码是在 0~63之间。 根据上述，1bit对应的距离是554m，由于多径传播和MS 同步精度的影响，TA误差可能会达3bit左右（1.6km)。 GSM小区的无线覆盖半径最大可达到35km。
GMSK优点
具有较强的抗干扰、抗衰落的能力。
带宽窄。
带外衰减大，带外辐射小。
六、分集接收技术
分集接收是解决多径衰落的一种技术。
分集接收是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独
立（携带同一信息）的信号进行特定的处理，以降低 信号电平起伏的办法。
通常接收端的信噪比可以提高 20dB~30dB。
TA就是Timing Advance ，时间提前量。
在通信过程中，如移动台在呼叫期间向远离基站的方
向上移动，因而从基站发出的消息将越来越迟的到达
移动台。与此同时，移动台的应答信息也会越来越迟
的到达基站.如不采取措施，该时延长至当基站收到该 移动台在本时隙上发送的消息会与基站在其下一个时 隙收到的另一个呼叫信息重叠起来，而引起干扰。
调制解调技术
数字调制是利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位。 数字调制的基本类型分为幅移键控（ASK）、频移键控 （FSK）、相移键控（PSK）。
调制解调技术
此外，还有许多由基本调制类型改进或综合而获得的新型 调制技术，如MSK、GMSK、QPSK、QAM、OFDM等。 GSM-R的调制方式是 0.3GMSK。GMSK为高斯最小频移 键控，0.3表示高斯滤波器的带宽和比特率之间的关系。
混合编码
混合编码是将波形编码和参量编码组合起来，保持波形编码的高质量和
参量编码的低速率，在4~16kbit/s速率上能够得到高质量的合成语音。
多脉冲激励线性预测编码（MPLPC）、规则脉冲激励线性预测编码（RPELPC）、码激励线性预测编码（CELP）。
GSM-R的话音编码技术
GSM-R系统采用规则脉冲激励─长期预测编码（RPE-LTP）。
LPC LTP RPE
话音
分段
LPC分析 滤波器
+ -
低通 滤波器
RPE第三 择点选样 复 用 器
LPC分析 滤波器 LPC 分析
13kbit/s
话音编码器以20ms为单位，经压缩编码后输出260bits。话音编码器输出的比特 流中包括： LPC+LTP 参数，速率为3.6kbit/s ； RPE参数，速率为 9.4kbit/s 。因 此，话音编码器的输出比特速率是13kbit。
训练模式是在传输用户信息之前先发送一个训练序列，这个训
练序列对于接收端是已知的或者是一个伪随机序列。 当接收端的接收器收到训列序列后与原始的已知信号做比较，
以此获得信道特性信息，再根据这些信息通过一定的算法对后
面接收到的信息进行解调。
五、调制解调技术
将要发送的信号“加载”到高频信号上的过程 称为“调制”。 从加载有原始信号的高频信号上将原始信号提 取出来的过程称为“解调”。
要求
编码速率低 语音质量高
编解码时延要短
能适应衰落信道的传输，即抗误码性能要好 算法的复杂程度要适中，应易于大规模电路集成。
话音编码的分类
波形编码
波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码，力图使重建语音波 形保持原语音信号的波形形状。
语音质量好等优，编码速率高，如PCM
功控目的
功控是什么？
为什么要功控？
功率控制：Fra bibliotek据需要调整基站与手机的发射功率。
依据：手机和基站上报的测量报告。 目的：在保证通话质量的情况下，降低发射功率，
从而降低整网干扰、减少功耗。
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功控分类
功率控制分为上行功率控制和下行功率控制，上
下行控制独立进行。
上行功控：调整MS的输出功率，使BTS获得
超长覆盖技术
在某些情况下，需要基站能覆盖更远的地方， 比如在沿海地区，覆盖较大范围的一些海域或 岛屿。这种覆盖在GSM 中是能实现的，代价 是须减少每载频所容纳的信道数，办法是仅使 用Ts为偶数的信道（因为Ts0必须用做 BCCH），空出奇数的Ts，来获得较大的保持 时间，TA最大可取219。 即基站的最大覆盖半径为： 3.7us×(63+156.25)×3×108m/s÷2=120km
已调信号 发送信号 调制器 信 道 已调信号 解调器
还原信号
载波信号
载波信号
调制技术的作用
适应信道特性 便于天线的制作 实现多路复用
调制解调技术
按照调制信号的形式，调制可分为模拟调制和数字 调制。
模拟调制是利用输入的模拟信号直接调制（或改变）载波 的振幅、频率或相位，从而得到调幅（AM）、调频（FM） 或调相（PM）信号。
PCM 30/32系统的传输速率＝ 8bit/时隙× 32时隙/帧× 8000帧/S ＝2.048 Mbit/S
话音编码的分类
参量编码
参量编码是通过对语音信号特征参数的提取和编码，力图使重建语音信 号具有尽可能高的可靠性，即保持原语音的语意。
低速率语音编码，语音质量中等，如线性预测编码（LPC）
第8讲 语音编码及传输技术
主讲：谭传武 通信与信号学院
主要内容
一、语音编码技术 二、信道编码 三、交织编码 四、均衡技术 五、调制解调技术 六、分集接收
七、语音间断传输
八、功率控制 九、移动性管理
一、话音编码技术
GSM系统的无线传输标准
载频间隔：200KHz；
通信方式：全双工，FDD；
第七节 移动性管理与控制
一、越区切换
二、位置管理
谢谢大家！
交织编码
第一次交织
将由信道编码后提取出的 456bit 组成 8×57 的矩阵，横向 写入交织矩阵，然后，纵向读出，即可取出8帧每帧57bit的
数据流。
交织编码
第二次交织 为了进一步分散
突发错误，还须
在两个话音帧间 再进行一次交织， 即块间交织。
四、均衡技术
在带宽受限的数字信道中，多径效应会造成码间干扰产生
误码，均衡就是一项用来克服码间干扰的技术。 所谓均衡就是接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性， 用来抵消由于多径效应引起的码间干扰，改善系统传输的可 靠性。
四、均衡技术
均衡原理
均衡器通常采用训练模式来估计信道的特性，在传输之前先获
得信道畸变以及衰减特性，然后利用这些信息去纠正接收到的 信号。
不发送，这就是所谓的不连续发送。通话时进行13KB/s编 码，停顿期用500b/s编码发送舒适的噪声。