数字集群技术对比之：TETRA与GSM-R

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1 引言   

最近有关铁路业选用何种无线通信技术的讨论有很多——即使用GSM-R  还是TETRA。对当今的某些铁路运营者来说，这似乎是一个两难的选择。国际铁路联盟（UIC）在1993 年选择GSM 标准作为未来铁路数字移动通信系统的基础，此时TETRA 标准才刚刚建立。GSM-R 标准由GSM 演变而来，并且在GSM 中增加了广播呼、组呼和优先权等新的服务。TETRA MOU 组织提出的这个文件分析和比较了TETRA 和GSM-R 两种技术。这个文件将包括下列各节列出的TETRA 和GSM-R 性能和功能：RF（射频）性能比较、功能、经济效益和未来发展。另外，在第5部分中用结论结束这个文件。

2 射频性能比较

TETRA 从设计之初就是为了迎合专业无线移动（PMR）市场和公共安全功能的需求。而GSM-R  是由GSM  系统修改而来，即由公众无线网络系统改造成适合铁路运营的专业无线移动系统。专业无线移动系统专为需要快速通信的专业人士设计，可同时与工作组中的每一个人进行通信，并有应急功能。另一方面，公众无线网面向完全不同的用户，为普通公众使用，适合个人呼叫，对快速呼叫的建立没有要求。

下表给出了TETRA 和GSM-R 的射频性能比较

从表可以看出，运营者需要考虑频率复用、使用范围等重要方面。下面注4中重点考虑最大终端速度的多普勒效应和潜在的码间干扰。

注1：在频谱利用率方面，因为TETRA 提供4 信道/25kHz，而GSM 提供8 信道/200kHz，TETRA 的频谱利用率是GSM 的频谱利用率的4 倍。

TETRA 系统有更多的频谱效率和更多的有效信道，因此TETRA  能提供更多的信道，支持更大的容量，在不增加任何射频设备的情况下有更强的能力来符合未来移动数据应用。

注2：从GSM-R 的2 ×4MHz（20 信道）频段中提供防止GSM-R 和模拟FM（GSM-R 直通解决方案）相互干扰所需要的300kHz 防卫带。这一要求很容易妨碍那些铁路交通繁忙的城市频率规划。

注3：基于19dB 的C/I 要求的TETRA 系统需要使用12 个小区频率复用模式，基于9dB 的 C/I 要求的GSM 系统需要使用7 个小区复用模式。考虑到这种频率复用情况，以及在同样带宽内TETRA 提供的语音信道比GSM 高4 倍，我们发现TETRA 的频谱效率是GSM 系统（全向天线）的频谱效率的2.3 倍（4 ×7/12）。

许多铁路运营商，尤其是在人口稠密的城市里要面对频谱效率问题。频谱效率较高的系统意味着需要较少频谱就能提供同样数量的话务量。这就有助于解决管理者和运营者面对的频率配置问题。

注4：有人提出TETRA 能否适合高速移动终端。因为如今的火车平均速度非常快，时速超过200 公里，最高达到350  公里左右，所以无线系统在高速情况下的性能很重要。速度会影响 TETRA 的误码率，尤其是在高速铁路应用中，当火车时速达到350 公里时，这个问题尤显重要，实际上，GSM-R标准要求无线通信系统应该支持时速达500公里的应用场合。可是，它没有明确是否在相应的速度下做过测试。

下面是高速对TETRA误码率性能影响的简短报告。这个报告也提到了GSM-R的相应状况。众所周知，终端速度影响因素如下：1.多普勒频移：但时速为50km/h时，多普勒频移为18.5Hz；当时速为200km/h时，多普勒频移为74Hz；当时速400km/h时，多普勒频移为185Hz；当时速1000km/h时，多普勒频移为370Hz； 2.改变信道传输的速率（衰落率）。

在下列方式中，可以导致接收机误码率性能的变化：

1.随着速度的增加，如果接收机在一个足够宽的范围内不使用自动频率控制（AFC），差分解调器的性能会恶化。TETRA使用了具有AFC的差分解调器，多普勒频移就不是问题。 AFC性能在接受载频突然变化时会受到影响，例如在小区切换时，或当高速运行的火车非常接近基站时都会有这个问题。但是，正确设计的接收机可检测到失锁，并在仅丢失几个时隙的数据后就快速捕获到信号。正确设计的切换机制还可消除数据丢失。大的多普勒频偏会影响注册无线设备的性能，但正确的接收机设计考虑了多普勒频偏，可以解决这个问题。

2.GSM接收机需要均衡器，相干和均衡性能会随着速度的提高而恶化，因为跟踪变化信道的信道估计能力要快速下降。多数TETRA接收机常规不使用均衡器，值得注意，GSM均衡快速衰落信道困难的原因是速度增加接收性能变坏。一些GSM-R生产商计划改良均衡器以解决这个问题。

3.由于交织器效果的增强，交织卷积编码信道的性能（例如大多数的TETRA逻辑信道）会随着速度的提高而改良到一定限度。仿真表示，在速度提高到约300km/h之前，编码的TETRA信道误码率一直在下降，之后逐渐升高，在500km/h时与50km/h时的误码率想当。GSM也使用交织卷积编码信道；作为一个选项，使用跳频解决频率选择性干扰。这样，编码信道部分的性能应该大致相当。以上论述表明TETRA接收机比GSM接收机更容易实现高速移动终端信号的正确解调。原因是GSM有较短的符号周期，相干接收机需要信道跟踪，其性能随速度提高而变坏，但随着GSM-R的均衡器的改进，TETRA和GSM-R都可以以500km/h速率工作。

TETRA MOU成员公司的试验已经证明TETRA在800MHz频段上可以以500km/h速率工作。

注5：根据地形而不同，在农村GSM系统的小区覆盖半径大约是10km。而TETRA是10km~25km。同样数量的TETRA基站可以覆盖更大的区域，或者说要覆盖一个指定区域需要更少的TETRA基站。这将降低系统建设费用，对铁路运营商来说很重要。小区大小的效果对铁路运营者很有意义，铁路沿线需要较大的小区半径和较少的RF站址，这可能代表有效的投资。TETRA的58km界限是由于自由空间传播延时造成，TETRA突发结构中有14个防护比特。GSM在相邻的时隙间有8.25比特（30us）。它的传输界限为4.5km。但GSM允许防护时间可以扩展到237us，这样就可使传输距离达到40km。

注6：当相邻的小区信到全忙（所有业务信道全部使用）时，需要特别地考虑TETRA和GSM-R的小区无缝切换。但是，因为TETRA的紧急呼叫功能中有断开低优先级用户强行预占的协议，TETRA能更好地提供小区之间无缝切换。

因为当火车穿越小区时数据传输和话音通信都不允许掉线，这个特征从安全角度考虑非常重要。

3、功能和时间性能  

在前面分析的基础上，这节对GSM-R 和TETRA 系统支持的话音、数据和铁路特定功能进行比较，部分功能在前面已经详细讨论过。表2：GSM-R 和TETRA 话音业务

注1：GSM-R 的呼叫建立时间要对GSM 的呼叫建立时间加以改进。呼叫建立时间与呼叫类型有关，表3 示出了这种关系。 

在同一个交换中心TETRA 系统响应时间小于为300ms，在不同交换中心TETRA 系统响应时间小于500ms。TETRA  系统响应时间比欧洲铁路综合无线增强网络（EIRENE）标准化组织对GSM-R 系统所规定的响应时间快的多。

GSM-R  体系结构能否为紧急呼叫提供 1 秒的建立时间还很难说，这是由于GSM-R体系结构是建立在GSM体系结构上的分层结构，属于公众网类型，很难达到快速呼叫建立。而TETRA 是为共安全等应急应用所设计，考虑了快速响应时间，更适合紧急情况。很明显GSM-R系统当前达到的呼叫建立时间不符合紧急情况的需要。从安全角度看，TETRA 系统更适合于需要快速响应时间的应用场合。

    GSM-R 生产商提出利用GPRS 补充GSM-R 基础设施使GSM-R 系统支持非实时数据应用，如文件传输、订票等。这意味着GSM-R的未来依赖于GPRS，而GPRS 是否支持专业无线移动用户的需求并不明确。TETRA 网络本来就有高速数据传输能力，它的发展不依赖于其它技术。

两种新的TETRA 高速数据业务，即TETRA 高级分组业务（TAPS）和TETRA 增强数据业务(TEDS)将使现在的TETRA 分组数据业务速率提高到384kbit/s。

注2：GSM-R 标准中没有直通模式。GSM-R 使用模拟FM 实现直通。由于GSM-R 需要300kHz 防护带，GSM-R 和FM  的结合需要很好的频率分隔。为了确保所有GSM-R 系统有同样的直通接入能力，需要分配一组射频信道（876MHz～880MHz/915MHz～921MHz），这就减少了GSM-R 的信道容量。

另外，与8个时隙GSM-R 所需要的平均功率相比，GSM-R 直通终端将需要较高的FDMAFM 工作的发射功率。这将明显地影响便携终端的大小和电池消耗。GSM-R  便携终端的市场需求量远小于标准GSM 和TETRA 的市场需求量，这将很难使价格降低和选择终端。

注3：当DMO 用户以DMO 方式在主网络以外操作时，直通用户需要和主要GSM-R  网络联络，在TETRA 中称这种工作类型为双监视。尽管DMO 在技术上是可能的，但是GSM-R 供货商还需要确认提供这种功能。

注4：在铁路运输中，当基站间或主站和远端站之间的链路中断时，重要的是要能维持紧急通信。特别是在灾难的情况下，当远端站孤立时，这种降级工作模式允许在覆盖区内继续可以进行紧急呼叫。在TETRA 内可以获得这种工作。这就意味着，当基站链路断开时，本基站内的终端依然可以相互通信。因为GSM 结构要求控制集中化，使用GSM 基础设施不可能实现这种工作模式。这样，当交换中心和基站之间的链路中断时，基站不再能运行，并且这个基站内完全没有电磁波覆盖。

注5：GSM-R 标准中定义的调车模式将在TETRA 便携上需要一些自己的设定。这种工作与UIC定义调车场工作方式有关。

注 6：GSM-R  标准规定2.4kbit/s  数据传输速率交换信令。这对 TETRA 来说不成问题，TETRA 可以支持欧洲列车控制系统（ETCS ）或列车自动控制（ATC ）应用。实际上，TETRA 支持更高的数据传输率。预计铁路系统的数据要求将很快超过2.4kbit/s，TETRA 相当于GSM-R或比GSM-R 能更好地传输控制应用信息。

另外，需要指出的是尽管GSM-R 从GSM 进展而来，两系统不能直接互连，因为GSM 系统不支持分配的频率和GSM-R 中的附加功能。GSM-R 终端不能漫游进入GSM 网，反之亦然。

此外，在欧洲TETRA 已成为公共安全和专业网络的数字集群标准，这个趋势正在向除北美外的世界其它地方延伸。在紧急情况时，多个机构需要相互通信和协调活动，最好的办法就是大家都使用同一个标准。否则，在需要紧急通信时，铁路人员将不能与其他机构的人员联络。

例如火车脱轨时，使用TETRA 的紧急服务人员（如医疗、消防和警察等）能够方便地动态重组到铁路运营者的新通话组中进行通信，参加紧急救灾、人群控制等工作。在许多生命有危险的紧要关头这种协作尤其重要

4、经济效益

GSM-R 设备从GSM 进化而来，加入了PMR 功能，这涉及到对基础设施和终端的改进，终端要有很多新的功能，而且要坚固耐用。

GSM-R 基础设施基于GSM 体系结构，而GSM 是大型系统，因此对小系统来说GSM-R 不会便宜。

由于市场规模有限，终端要作很多的修改，GSM-R  终端将不能象GSM  终端那样由于规模经济效益而价格低廉。此外，由于GSM-R 手机相应市场小，与GSM 和TETRA 相比，终端供货商之间的竞争不会很激烈，这将导致终端价格较高，用户的可选择性降低，使铁路部门没有安全的第二供货渠道。

下列表列出这些因素。 表6：经济效益

注1：到目前为止，全世界有超过66个TETRA项目，包括公安、运输、公用事业和PAMR，而GSM-R 仅限于欧洲铁路应用，TETRA 比GSM-R 有更广泛的市场认可度。

另外，几乎所有新的地铁和快速运输线（与铁路运营者需求接近）都选择TETRA 标准来建设数字集群系统。

注2：GSM 有很多生产商支持，而GSM-R 就不一样了。由于其市场规模小，大多数GSM生产商宣布不支持GSM-R。下列表格示出了与GSM-R 相比，有更多的生产商支持TETRA 的系统设备和终端设备。这会导致TETRA 基础设施的充分竞争，有更多的终端设备选择满足用户需求。

5、TETRA 和GSM-R 的未来发展与演进

在使用一种技术时，我们都希望该技术能够逐步升级以符合未来趋势。象蜂窝市场从2G  向3G 演进那样，TETRA 将升级到TETRA 版本2，以支持更高的数据速率。然而，GSM-R 的未来走向较不确定。

TETRA 版本2 主要有下列功能：

1.高速分组数据—支持多媒体和其他高速数据应用；

2.语音编解码后不用转换就可与3G互联，提高话音质量；

3.改进空中接口以优化频谱利用率、用户容量、系统性能、服务质量、终端大小、成本、电池寿命；

4.采用能与GPRS、UMTS和其它3G/IP网互联漫游的标准；

5.全向后兼容，整合新业务，保护已有的和将来的投资。

这些改进奖对铁路运营商带来巨大的利益（这样控制中心在事故发生时就能看到现场状况）、文件、订票等。

GSM-R的未来发展依赖于公众移动电话网，而公网的需求和功能不太可能迎合专业用户的需要。

理论上，TETRA现在已达到了较高的数据速率（200kHz宽带可传230.4kbit/s），可以与2.5G的GPTRS相提并论（115.2kbit/s）。

6、结论

从性能、功能和经济效益等各方面来说，TETRA标准都优于GSM-R标准。因此，TETRA标准有较好的未来发展前景。

TETRA标准灵活开放，允许加入软件应用接口以满足铁路特定需求。

尽管GSM-R标准专为铁路产业的需求而设计，因为TETRA标准频谱利用率高、覆盖好、成本低、功能全、支持厂商多、发展前景明确，铁路运营者还是选择TETRA为佳。

图1 是无线技术与应急性服务和消费者-专业特性的关系；图2 是市场应用与应急性服务和消费者-专业特性的关系

上述两个图给出相对应急服务和功能的技术和市场要求。根据对铁路运营者需求的定位，即是否需要应急服务和专业功能设置，可以找到最合适的技术标准。 

运营者将根据自身的需求，对现今的各种技术进行比较最终做出技术选择。