主頁（http://www.by236.com）：數字集群技術對比之：TETRA與GSM-R

1 引言   

最近有關鐵路業選用何種無線通信技術的討論有很多——即使用GSM-R  還是TETRA。對當今的某些鐵路運營者來說，這似乎是一個兩難的選擇。國際鐵路聯盟（UIC）在1993 年選擇GSM 標準作為未來鐵路數字移動通信系統的基礎，此時TETRA 標準才剛剛建立。GSM-R 標準由GSM 演變而來，并且在GSM 中增加了廣播呼、組呼和優先權等新的服務。TETRA MOU 組織提出的這個文件分析和比較了TETRA 和GSM-R 兩種技術。這個文件將包括下列各節列出的TETRA 和GSM-R 性能和功能：RF（射頻）性能比較、功能、經濟效益和未來發展。另外，在第5部分中用結論結束這個文件。

2 射頻性能比較

TETRA 從設計之初就是為了迎合專業無線移動（PMR）市場和公共安全功能的需求。而GSM-R  是由GSM  系統修改而來，即由公眾無線網絡系統改造成適合鐵路運營的專業無線移動系統。專業無線移動系統專為需要快速通信的專業人士設計，可同時與工作組中的每一個人進行通信，并有應急功能。另一方面，公眾無線網面向完全不同的用戶，為普通公眾使用，適合個人呼叫，對快速呼叫的建立沒有要求。

下表給出了TETRA 和GSM-R 的射頻性能比較

從表可以看出，運營者需要考慮頻率復用、使用范圍等重要方面。下面注4中重點考慮最大終端速度的多普勒效應和潛在的碼間干擾。

注1：在頻譜利用率方面，因為TETRA 提供4 信道/25kHz，而GSM 提供8 信道/200kHz，TETRA 的頻譜利用率是GSM 的頻譜利用率的4 倍。

TETRA 系統有更多的頻譜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，在不增加任何射頻設備的情況下有更強的能力來符合未來移動數據應用。

注2：從GSM-R 的2 ×4MHz（20 信道）頻段中提供防止GSM-R 和模擬FM（GSM-R 直通解決方案）相互干擾所需要的300kHz 防衛帶。這一要求很容易妨礙那些鐵路交通繁忙的城市頻率規劃。

注3：基于19dB 的C/I 要求的TETRA 系統需要使用12 個小區頻率復用模式，基于9dB 的 C/I 要求的GSM 系統需要使用7 個小區復用模式。考慮到這種頻率復用情況，以及在同樣帶寬內TETRA 提供的語音信道比GSM 高4 倍，我們發現TETRA 的頻譜效率是GSM 系統（全向天線）的頻譜效率的2.3 倍（4 ×7/12）。

許多鐵路運營商，尤其是在人口稠密的城市里要面對頻譜效率問題。頻譜效率較高的系統意味著需要較少頻譜就能提供同樣數量的話務量。這就有助于解決管理者和運營者面對的頻率配置問題。

注4：有人提出TETRA 能否適合高速移動終端。因為如今的火車平均速度非常快，時速超過200 公里，最高達到350  公里左右，所以無線系統在高速情況下的性能很重要。速度會影響 TETRA 的誤碼率，尤其是在高速鐵路應用中，當火車時速達到350 公里時，這個問題尤顯重要，實際上，GSM-R標準要求無線通信系統應該支持時速達500公里的應用場合�？墒牵�它沒有明確是否在相應的速度下做過測試。

下面是高速對TETRA誤碼率性能影響的簡短報告。這個報告也提到了GSM-R的相應狀況。眾所周知，終端速度影響因素如下：1.多普勒頻移：但時速為50km/h時，多普勒頻移為18.5Hz；當時速為200km/h時，多普勒頻移為74Hz；當時速400km/h時，多普勒頻移為185Hz；當時速1000km/h時，多普勒頻移為370Hz； 2.改變信道傳輸的速率（衰落率）。

在下列方式中，可以導致接收機誤碼率性能的變化：

1.隨著速度的增加，如果接收機在一個足夠寬的范圍內不使用自動頻率控制（AFC），差分解調器的性能會惡化。TETRA使用了具有AFC的差分解調器，多普勒頻移就不是問題。 AFC性能在接受載頻突然變化時會受到影響，例如在小區切換時，或當高速運行的火車非常接近基站時都會有這個問題。但是，正確設計的接收機可檢測到失鎖，并在僅丟失幾個時隙的數據后就快速捕獲到信號。正確設計的切換機制還可消除數據丟失。大的多普勒頻偏會影響注冊無線設備的性能，但正確的接收機設計考慮了多普勒頻偏，可以解決這個問題。

2.GSM接收機需要均衡器，相干和均衡性能會隨著速度的提高而惡化，因為跟蹤變化信道的信道估計能力要快速下降。多數TETRA接收機常規不使用均衡器，值得注意，GSM均衡快速衰落信道困難的原因是速度增加接收性能變壞。一些GSM-R生產商計劃改良均衡器以解決這個問題。

3.由于交織器效果的增強，交織卷積編碼信道的性能（例如大多數的TETRA邏輯信道）會隨著速度的提高而改良到一定限度。仿真表示，在速度提高到約300km/h之前，編碼的TETRA信道誤碼率一直在下降，之后逐漸升高，在500km/h時與50km/h時的誤碼率想當。GSM也使用交織卷積編碼信道；作為一個選項，使用跳頻解決頻率選擇性干擾。這樣，編碼信道部分的性能應該大致相當。以上論述表明TETRA接收機比GSM接收機更容易實現高速移動終端信號的正確解調。原因是GSM有較短的符號周期，相干接收機需要信道跟蹤，其性能隨速度提高而變壞，但隨著GSM-R的均衡器的改進，TETRA和GSM-R都可以以500km/h速率工作。

TETRA MOU成員公司的試驗已經證明TETRA在800MHz頻段上可以以500km/h速率工作。

注5：根據地形而不同，在農村GSM系統的小區覆蓋半徑大約是10km。而TETRA是10km~25km。同樣數量的TETRA基站可以覆蓋更大的區域，或者說要覆蓋一個指定區域需要更少的TETRA基站。這將降低系統建設費用，對鐵路運營商來說很重要。小區大小的效果對鐵路運營者很有意義，鐵路沿線需要較大的小區半徑和較少的RF站址，這可能代表有效的投資。TETRA的58km界限是由于自由空間傳播延時造成，TETRA突發結構中有14個防護比特。GSM在相鄰的時隙間有8.25比特（30us）。它的傳輸界限為4.5km。但GSM允許防護時間可以擴展到237us，這樣就可使傳輸距離達到40km。

注6：當相鄰的小區信到全忙（所有業務信道全部使用）時，需要特別地考慮TETRA和GSM-R的小區無縫切換。但是，因為TETRA的緊急呼叫功能中有斷開低優先級用戶強行預占的協議，TETRA能更好地提供小區之間無縫切換。

因為當火車穿越小區時數據傳輸和話音通信都不允許掉線，這個特征從安全角度考慮非常重要。

3、功能和時間性能  

在前面分析的基礎上，這節對GSM-R 和TETRA 系統支持的話音、數據和鐵路特定功能進行比較，部分功能在前面已經詳細討論過。表2：GSM-R 和TETRA 話音業務

注1：GSM-R 的呼叫建立時間要對GSM 的呼叫建立時間加以改進。呼叫建立時間與呼叫類型有關，表3 示出了這種關系。 

在同一個交換中心TETRA 系統響應時間小于為300ms，在不同交換中心TETRA 系統響應時間小于500ms。TETRA  系統響應時間比歐洲鐵路綜合無線增強網絡（EIRENE）標準化組織對GSM-R 系統所規定的響應時間快的多。

GSM-R  體系結構能否為緊急呼叫提供 1 秒的建立時間還很難說，這是由于GSM-R體系結構是建立在GSM體系結構上的分層結構，屬于公眾網類型，很難達到快速呼叫建立。而TETRA 是為共安全等應急應用所設計，考慮了快速響應時間，更適合緊急情況。很明顯GSM-R系統當前達到的呼叫建立時間不符合緊急情況的需要。從安全角度看，TETRA 系統更適合于需要快速響應時間的應用場合。

    GSM-R 生產商提出利用GPRS 補充GSM-R 基礎設施使GSM-R 系統支持非實時數據應用，如文件傳輸、訂票等。這意味著GSM-R的未來依賴于GPRS，而GPRS 是否支持專業無線移動用戶的需求并不明確。TETRA 網絡本來就有高速數據傳輸能力，它的發展不依賴于其它技術。

兩種新的TETRA 高速數據業務，即TETRA 高級分組業務（TAPS）和TETRA 增強數據業務(TEDS)將使現在的TETRA 分組數據業務速率提高到384kbit/s。

注2：GSM-R 標準中沒有直通模式。GSM-R 使用模擬FM 實現直通。由于GSM-R 需要300kHz 防護帶，GSM-R 和FM  的結合需要很好的頻率分隔。為了確保所有GSM-R 系統有同樣的直通接入能力，需要分配一組射頻信道（876MHz～880MHz/915MHz～921MHz），這就減少了GSM-R 的信道容量。

另外，與8個時隙GSM-R 所需要的平均功率相比，GSM-R 直通終端將需要較高的FDMAFM 工作的發射功率。這將明顯地影響便攜終端的大小和電池消耗。GSM-R  便攜終端的市場需求量遠小于標準GSM 和TETRA 的市場需求量，這將很難使價格降低和選擇終端。

注3：當DMO 用戶以DMO 方式在主網絡以外操作時，直通用戶需要和主要GSM-R  網絡聯絡，在TETRA 中稱這種工作類型為雙監視。盡管DMO 在技術上是可能的，但是GSM-R 供貨商還需要確認提供這種功能。

注4：在鐵路運輸中，當基站間或主站和遠端站之間的鏈路中斷時，重要的是要能維持緊急通信。特別是在災難的情況下，當遠端站孤立時，這種降級工作模式允許在覆蓋區內繼續可以進行緊急呼叫。在TETRA 內可以獲得這種工作。這就意味著，當基站鏈路斷開時，本基站內的終端依然可以相互通信。因為GSM 結構要求控制集中化，使用GSM 基礎設施不可能實現這種工作模式。這樣，當交換中心和基站之間的鏈路中斷時，基站不再能運行，并且這個基站內完全沒有電磁波覆蓋。

注5：GSM-R 標準中定義的調車模式將在TETRA 便攜上需要一些自己的設定。這種工作與UIC定義調車場工作方式有關。

注 6：GSM-R  標準規定2.4kbit/s  數據傳輸速率交換信令。這對 TETRA 來說不成問題，TETRA 可以支持歐洲列車控制系統（ETCS ）或列車自動控制（ATC ）應用。實際上，TETRA 支持更高的數據傳輸率。預計鐵路系統的數據要求將很快超過2.4kbit/s，TETRA 相當于GSM-R或比GSM-R 能更好地傳輸控制應用信息。

另外，需要指出的是盡管GSM-R 從GSM 進展而來，兩系統不能直接互連，因為GSM 系統不支持分配的頻率和GSM-R 中的附加功能。GSM-R 終端不能漫游進入GSM 網，反之亦然。

此外，在歐洲TETRA 已成為公共安全和專業網絡的數字集群標準，這個趨勢正在向除北美外的世界其它地方延伸。在緊急情況時，多個機構需要相互通信和協調活動，最好的辦法就是大家都使用同一個標準。否則，在需要緊急通信時，鐵路人員將不能與其他機構的人員聯絡。

例如火車脫軌時，使用TETRA 的緊急服務人員（如醫療、消防和警察等）能夠方便地動態重組到鐵路運營者的新通話組中進行通信，參加緊急救災、人群控制等工作。在許多生命有危險的緊要關頭這種協作尤其重要

4、經濟效益

GSM-R 設備從GSM 進化而來，加入了PMR 功能，這涉及到對基礎設施和終端的改進，終端要有很多新的功能，而且要堅固耐用。

GSM-R 基礎設施基于GSM 體系結構，而GSM 是大型系統，因此對小系統來說GSM-R 不會便宜。

由于市場規模有限，終端要作很多的修改，GSM-R  終端將不能象GSM  終端那樣由于規模經濟效益而價格低廉。此外，由于GSM-R 手機相應市場小，與GSM 和TETRA 相比，終端供貨商之間的競爭不會很激烈，這將導致終端價格較高，用戶的可選擇性降低，使鐵路部門沒有安全的第二供貨渠道。

下列表列出這些因素。 表6：經濟效益

注1：到目前為止，全世界有超過66個TETRA項目，包括公安、運輸、公用事業和PAMR，而GSM-R 僅限于歐洲鐵路應用，TETRA 比GSM-R 有更廣泛的市場認可度。

另外，幾乎所有新的地鐵和快速運輸線（與鐵路運營者需求接近）都選擇TETRA 標準來建設數字集群系統。

注2：GSM 有很多生產商支持，而GSM-R 就不一樣了。由于其市場規模小，大多數GSM生產商宣布不支持GSM-R。下列表格示出了與GSM-R 相比，有更多的生產商支持TETRA 的系統設備和終端設備。這會導致TETRA 基礎設施的充分競爭，有更多的終端設備選擇滿足用戶需求。

5、TETRA 和GSM-R 的未來發展與演進

在使用一種技術時，我們都希望該技術能夠逐步升級以符合未來趨勢。象蜂窩市場從2G  向3G 演進那樣，TETRA 將升級到TETRA 版本2，以支持更高的數據速率。然而，GSM-R 的未來走向較不確定。

TETRA 版本2 主要有下列功能：

1.高速分組數據—支持多媒體和其他高速數據應用；

2.語音編解碼后不用轉換就可與3G互聯，提高話音質量；

3.改進空中接口以優化頻譜利用率、用戶容量、系統性能、服務質量、終端大小、成本、電池壽命；

4.采用能與GPRS、UMTS和其它3G/IP網互聯漫游的標準；

5.全向后兼容，整合新業務，保護已有的和將來的投資。

這些改進獎對鐵路運營商帶來巨大的利益（這樣控制中心在事故發生時就能看到現場狀況）、文件、訂票等。

GSM-R的未來發展依賴于公眾移動電話網，而公網的需求和功能不太可能迎合專業用戶的需要。

理論上，TETRA現在已達到了較高的數據速率（200kHz寬帶可傳230.4kbit/s），可以與2.5G的GPTRS相提并論（115.2kbit/s）。

6、結論

從性能、功能和經濟效益等各方面來說，TETRA標準都優于GSM-R標準。因此，TETRA標準有較好的未來發展前景。

TETRA標準靈活開放，允許加入軟件應用接口以滿足鐵路特定需求。

盡管GSM-R標準專為鐵路產業的需求而設計，因為TETRA標準頻譜利用率高、覆蓋好、成本低、功能全、支持廠商多、發展前景明確，鐵路運營者還是選擇TETRA為佳。

圖1 是無線技術與應急性服務和消費者-專業特性的關系；圖2 是市場應用與應急性服務和消費者-專業特性的關系

上述兩個圖給出相對應急服務和功能的技術和市場要求。根據對鐵路運營者需求的定位，即是否需要應急服務和專業功能設置，可以找到最合適的技術標準。 

運營者將根據自身的需求，對現今的各種技術進行比較最終做出技術選擇。