基于鐵路專用通信GSM-R的無線路測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

摘 要:GSM-R網(wǎng)絡是新一代鐵路無線通信系統(tǒng),對其無線接口的路測工具日益為網(wǎng)絡優(yōu)化工作者所急需。首先介紹并分析了GSM-R網(wǎng)絡結(jié)構、業(yè)務模型、無線接口協(xié)議,然后討論了無線路測的目的以及對網(wǎng)絡優(yōu)化工作的意義,在總結(jié)并分析這些理論的基礎上,給出一種適用于GSM/GSM-R網(wǎng)絡的無線路測系統(tǒng)。該系統(tǒng)為GSM/GSM-R網(wǎng)絡優(yōu)化工作者提供了有效的工具。

關鍵詞:鐵路專用通信;GSM-R;無線路測系統(tǒng);網(wǎng)絡優(yōu)化

中圖分類號:TN929.533文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)19-215-04

Research and Implementation of Special Communication Based on

Railway GSM-R Drivetest of Wireless System

ZHANG Chongyang

(Xi′an Railway Vocational Technical Institute,Xi′an,710014,China)

Abstract:The GSM-R network is a new generation of railway wireless communication system,a wireless interface for its drivetest of the instrument is increasingly becoming the urgent need for network optimization workers.GSM-R network structure,business model and wireless interface protocol are analysed,and then the purpose of testing wireless road network optimization,as well as the significance of the work are discussed,on the basis of analysing the theories,an application in the GSM / GSM-R network of wireless measurement system road is given.The system provides an effective instrument for GSM/GSM-R network of excellent workers.

Keywords:special railway communication;GSM-R;drivetest of the wireless system;network optimization

0 引 言

GSM-R是基于GSM技術的一種專用通信系統(tǒng)——鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的GSM技術相比,GSM-R除了能提供一系列鐵路通信業(yè)務外,還能保證列車在500 km/h的情況下進行高可靠性、高接通率、高傳輸質(zhì)量的通信。當前,GSM-R技術成為國際國內(nèi)鐵路通信發(fā)展的焦點,我國在GSM-R技術上也有了一定的進展。2004年開始在青藏鐵路、大秦線電氣化改造和京滬高速鐵路的建設中進行GSM-R鐵路專用通信網(wǎng)絡的規(guī)劃、建設和試運營。與此同時,由于目前國內(nèi)的GSM-R路測系統(tǒng)十分稀少,對GSM-R無線網(wǎng)絡優(yōu)化也開始成為GSM-R移動通信網(wǎng)絡建設中的一個當務之急。為了真正了解GSM-R網(wǎng)絡,調(diào)測GSM-R網(wǎng)絡,優(yōu)化GSM-R網(wǎng)絡,本文提出并設計出了一種既適用于GSM網(wǎng)絡又適用于GSM-R網(wǎng)絡的無線路測系統(tǒng)。一方面,在GSM-R網(wǎng)絡建設的初期,通過本系統(tǒng)的輔助能夠合理地進行頻率分配、小區(qū)參數(shù)的調(diào)整:另一方面,可以優(yōu)化已建GSM和GSM-R網(wǎng)絡的性能,提高通信質(zhì)量[1]。

1 GSM-R網(wǎng)絡介紹

1.1 網(wǎng)絡結(jié)構與功能

一個GSM-R移動通信網(wǎng)絡由若干個功能實體組成。各個功能實體所實現(xiàn)的功能的集合就是GSM-R網(wǎng)絡提供給用戶的基本業(yè)務與補充業(yè)務。GSM-R移動通信網(wǎng)絡結(jié)構基于GSM移動通信網(wǎng)絡,主要由基站子系統(tǒng)(BSS)、網(wǎng)絡子系統(tǒng)(NSS)、操作與維護子系統(tǒng)(OSS)三部分組成,其基本結(jié)構如圖1所示[2]。

BSS主要由基站控制器(BSC)、基站收發(fā)信臺(BTS)組成。通過無線接口(Um)與移動臺(MS)相連,A接口與NSS相連。BTS是網(wǎng)絡固定部分與無線部分之間進行通信的中繼,MS通過空中接口與BTS進行連接,是移動通信網(wǎng)絡的無線接入部分,是終端用戶最直接感受網(wǎng)絡質(zhì)量的部分。一個或幾個BTS連接到一個BSC上,BSC主要提供在其覆蓋區(qū)域內(nèi)的無線電資源管理與移動性管理的功能,以及提供無線電網(wǎng)絡的運營與維護功能。BSS還有可能存在編碼速率適配單元(TRAU),實現(xiàn)編碼速率轉(zhuǎn)換。

圖1 GSM-R網(wǎng)絡基本結(jié)構

NSS一般由六個功能實體組成,分別是移動交換中心(MSC)、歸屬位置寄存器(HLR)、拜訪位置寄存器(VLR)、鑒權中心(AUC)、設備識別寄存器(EIR),組呼寄存器(GCR)。NSS主要負責端到端的呼叫、用戶數(shù)據(jù)管理、移動性管理和固定網(wǎng)絡的連接。其中MSC是NSS的核心,用于建立業(yè)務信道和在MSC之間或與其他網(wǎng)絡之間交換信令消息。與MSC相連的是VLR,VLR管理在一個MSC區(qū)內(nèi)漫游移動用戶信息的動態(tài)數(shù)據(jù)庫。HLR存儲的是在網(wǎng)絡中永久注冊的移動用戶的靜態(tài)信息,如用戶信息、承載和定制的用戶信息等。AUC完成對用戶的鑒權及為移動臺與網(wǎng)絡之間的無線通信進行加密。EIR用來存儲IMEI(國際移動設備識別符)[3]。作為GSM-R網(wǎng)絡的特有組件GCR,用于存儲移動用戶的組ID、移動臺發(fā)起語音組呼(VGCS)和語音廣播(VBS)參考的小區(qū)信息及發(fā)起呼叫的MSC是否負責處理呼叫的指示。

OSS可分為對應BSS的操作與維護中心OMC-R及對應NSS的操作與維護中心OMC-S。OSS是操作人員與系統(tǒng)設備之間的中介,它實現(xiàn)了系統(tǒng)的集中操作與維護,完成了包括移動用戶管理、移動設備管理及網(wǎng)絡操作維護等功能。它的一側(cè)與設備相連,另一側(cè)是作為人機接口的計算機工作站。這些專門用于操作維護的設備被稱為操作維護中心OMC。系統(tǒng)的每個組成部分都可以通過特有的網(wǎng)絡連接至OMC,從而實現(xiàn)集中維護[4]。

1.2 業(yè)務模型

GSM-R是專門為鐵路通信設計的綜合專用數(shù)字移動通信系統(tǒng),它基于GSM的基礎設施及其提供的高級語音呼叫業(yè)務,其中包括增強多優(yōu)先級與強拆(eMLPP)、VGCS和VBS,并提供鐵路特有的調(diào)度業(yè)務,包括:功能尋址、功能號表示、接入矩陣和基于位置的尋址,并以此作為信息化平臺,使鐵路部分可以在此信息平臺上開發(fā)各種應用。GSM-R的業(yè)務模型[3]如圖2所示。

2 無線接口協(xié)議

無線接口(Um)是MS與BTS之間的通信接口,又稱為空中接口(airinterface),用于移動臺與GSM-R系統(tǒng)固定部分之間的通信,其物理連接通過無線鏈路實現(xiàn)。此接口傳遞的信息包括無線資源管理、移動性管理和接續(xù)管理等。

圖2 GSM-R的業(yè)務模型

2.1 協(xié)議分層(三層)

空中接口對應于OSI(開放系統(tǒng)互連)模型的低三層,分為物理層、鏈路層和網(wǎng)絡層。與OSI的分層模型不是嚴格對應。

物理層(PHL):支持TDMA幀、FDMA和邏輯信道復用。提供無線鏈路的傳輸通道,為高層提供不同功能的邏輯信道,如業(yè)務信道與控制信道。物理層在MAC層的控制下,負責數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)分組的收發(fā)。

鏈路層:包括介質(zhì)接入控制層MAC和數(shù)據(jù)鏈路控制層(DLC)。前者通過形成多種邏輯信道為高層提供不同的業(yè)務;后者為網(wǎng)絡層提供非常可靠的數(shù)據(jù)鏈路。為內(nèi)部控制信令和有限數(shù)量的用戶信息提供非常可靠的傳輸鏈路。

網(wǎng)絡層:主要是信令層,包括連接管理(CM)、移動性管理(MM)、無線資源管理(RM)。確定了用于鏈路控制、呼叫控制、附加業(yè)務、面向連接的消息業(yè)務、無連接的消息業(yè)務等各種功能。

2.2 無線資源工作模式

無線資源管理的目的是建立、保持、并釋放網(wǎng)絡與移動臺間點對點通話的無線資源(RR)連接。一個RR連接是兩個同等實體間的一條物理連接,用于支持上層間信息流量的變化。無線資源管理主要向上層提供四種工作模式,分別為:空閑模式、專用模式、群發(fā)模式、群收模式。

空閑模式:沒有為任何MS分配專用信道,不存在RR連接,此時MS只能收到CCCH(公共控制信道)和BCCH(廣播控制信道)信道的廣播消息。MS分析接收到的尋呼消息和廣播消息,選擇駐留在信號強度最強的小區(qū)上,MS對應于待機狀態(tài)。

專用模式:為MS至少分配了兩個專用信道,其中只能有一個是SACCH(慢速隨路控制信道)。MS與BTS此時建立起了一個雙向的點對點物理連接,用于信息的傳輸。可通過小區(qū)自動重選和切換來保持RR連接。MS對應于通話狀態(tài)或者位置更新狀態(tài)。

群發(fā)模式:為語音組呼的MS分配兩個專用信道,這兩個信道可以同時分配給一個MS或者分配給不同的MS。MS與BTS此時建立的RR連接與專用模式類似,不過在建立過程中的信令消息有所不同,特別地指明了該模式用于群發(fā)通信。MS對應于VGCS或者VBS中講者的狀態(tài)。

群收模式:沒有為MS分配與網(wǎng)絡連接的專用信道,它以無應答的方式接收分配給小區(qū)的語音廣播信道或者語音組呼信道下行鏈路的消息。此時MS對應于VGCS或者VBS中聆聽者的狀態(tài)[5]。

3 GSM-R無線路測系統(tǒng)

本系統(tǒng)通過監(jiān)聽,捕獲Um口中MS與BTS進行通信的信令信息,從而獲得GSM-R網(wǎng)絡的無線質(zhì)量參數(shù),結(jié)合GSM-R無線網(wǎng)絡優(yōu)化知識對參數(shù)進行加工處理,通過顯示模塊的精心設計,向用戶直觀、清晰地呈現(xiàn)網(wǎng)絡質(zhì)量狀況,并在最后給出了GSM-R網(wǎng)絡質(zhì)量狀況的性能報表[6]。

3.1 路測環(huán)境

網(wǎng)絡環(huán)境:衛(wèi)星,GSM/GSM-R網(wǎng)絡;

測試儀器:裝有本系統(tǒng)的計算機一臺,測試手機一部,GPS一臺,接口線若干。

3.2 系統(tǒng)采集參數(shù)

(1) 網(wǎng)絡識別參數(shù)

移動國家號(MMC)、移動網(wǎng)號(MNC)、位置區(qū)碼(LAC)、小區(qū)識別(CI)、網(wǎng)絡色碼(NCC)、基站色碼(BCC)。

(2) 系統(tǒng)控制參數(shù)

公共控制信道配置、接入準許保留塊數(shù)、尋呼信道復幀數(shù)、周期位置更新定時器、小區(qū)信道描述、無線鏈路超時(RLT)、鄰小區(qū)描述、允許的網(wǎng)絡色碼、最大重發(fā)次數(shù)(MR)、發(fā)送分布時隙數(shù)(TI)、小區(qū)接入禁止(CBA)、接入等級控制(AC)。

(3) 小區(qū)選擇與重選參數(shù)

小區(qū)重選滯后(CRH)、控制信道最大功率電平(MTMC)、允許接入最小接收電平(RXLEVaccessmin)、小區(qū)禁止限制(CBQ)、小區(qū)重選參數(shù)指示(PI)、小區(qū)重選偏置(CRO)、懲罰時間(PT)、臨時偏置(TO)。

(4) 網(wǎng)絡功能參數(shù)

功率控制指示(PERC)、非連續(xù)發(fā)送(DTX)、呼叫重建允許(RE)、緊急呼叫允許(EC)、移動分配索引位置(MAIO)、跳頻序列號(HSN)[7]。

(5) GPS參數(shù)

經(jīng)度、緯度。

(6) 性能參數(shù)

通話接通率、通話失敗率、信道利用率、分配失敗率、掉話率、切換成功率、切換失敗率。

3.3 系統(tǒng)功能

(1) 實時跟蹤信令

能夠?qū)崟r地跟蹤各個邏輯控制信道信令。

BCCH:包括systeminformation1,systeminformation2等;

PCH(尋呼信道):包括pagingrequesttype1,pagingrequest type2等;

SACCH:包括systeminformation5,systeminformation6;

AGCH(接入允許信道):包括immediateassignment,immediateassignmentreject等;

RACH(隨機接入信道):包括channelrequest,uplinkaccess。

此外,還能跟蹤層2和層3信令:包括:setup,alerting,disconnect等。

(2) 掃頻測試

在空閑模式(idlemode)下,能夠?qū)λ蓄l率(GSM900/GSM1800/GSM-R等)進行實時掃描。動態(tài)顯示對應的信號場強和基站色碼,實時跟蹤所占用ARFCN(絕對無線頻率信道號)受干擾程度。可以檢查相鄰小區(qū)的信號強度,檢查小區(qū)的覆蓋情況和同鄰頻干擾[8]。

(3) 鎖頻測試

在雙頻網(wǎng)絡中,測試手機會自動選擇信號較強的頻道作通話網(wǎng)絡。如果碰到雙頻網(wǎng)絡信號強弱接近的區(qū)域,就可能出現(xiàn)線路忙或“跳頻”[9](跳頻:在兩個頻道之間不斷切換)的情況。所以,用戶想讓手機接收比較穩(wěn)定,減少跳頻問題,就可以利用“鎖頻”這項手機操作功能,觀察移動臺在某一固定頻點下的接收電平的變化。

(4) 強制切換

強制切換是在專用模式下允許移動臺在未滿足切換條件的情況下,強制切換到另一頻點的小區(qū)。利用強制操作采集MS接收到的網(wǎng)絡質(zhì)量狀況,其強制區(qū)域主要是各小區(qū)鄰接處,用于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡小區(qū)規(guī)劃的合理性、正確性,某些小區(qū)的實際覆蓋區(qū)域是否超過了規(guī)劃區(qū)域,同時還可以通過切換信令、分析掉話原因。

(5) GSM/GSM-R基站開通測試

網(wǎng)絡規(guī)劃實施后,常常要測試基站信號覆蓋范圍,查找盲區(qū)。本系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集目前所在小區(qū)以及相鄰小區(qū)的信號強度變化。本系統(tǒng)支持GPS定位系統(tǒng),能夠?qū)崟r打印目前所在的位置,結(jié)合DT(車測)網(wǎng)絡測試方法,能夠得到車所經(jīng)過的路線上任何一個采集點的信號強度、基站識別碼、絕對頻點、信號強度。

(6) 根據(jù)信令分析查找各種網(wǎng)絡問題

因為本系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集網(wǎng)絡參數(shù)以及無線信令,應用于網(wǎng)絡優(yōu)化可以使網(wǎng)絡資源獲得最佳效益。信令包括:尋呼、鑒權、加密、分配信道、切換、測量報告、位置更新,能清晰顯示出通話的起呼、切換、位置更新、結(jié)束通話和掉話等各部分的信令流程。將現(xiàn)場采集到的信令與GSM-R各類業(yè)務的標準信令流程作對比,能夠定位到如掉話、TCH(業(yè)務信道)擁塞、SDCCH(獨立專用控制信道)擁塞等網(wǎng)絡故障[10]。

(7) 雙手機大話務量呼叫與統(tǒng)計

網(wǎng)絡優(yōu)化過程中,常利用大話務量測試來得到呼叫接通率、掉話率、呼叫失敗率、切換成功率等性能參數(shù),來了解網(wǎng)絡的健壯性與可行性。本系統(tǒng)支持雙手機互呼測試,通過自動撥號功能,設定呼叫數(shù)量、持續(xù)時間、被叫號碼等參數(shù),呼叫完畢后能夠提供回放以及通話統(tǒng)計結(jié)果。

(8) 測試GSM-R特有業(yè)務

GSM-R特有的業(yè)務包括VGCS,VBS等。普通的GSM路測系統(tǒng)在GSM-R網(wǎng)絡不適用。本系統(tǒng)能夠?qū)SM-R特有業(yè)務進行參數(shù)采集、信令捕捉。

4 結(jié) 語

在總結(jié)分析GSM-R網(wǎng)絡結(jié)構、業(yè)務模型、無線接口協(xié)議等這些理論的基礎上,討論了無線路測的目的以及對網(wǎng)絡優(yōu)化工作的意義,并給出了一種適用于新一代鐵路無線通信系統(tǒng)——GSM/GSM-R網(wǎng)絡的無線路測系統(tǒng)。該系統(tǒng)為GSM/GSM-R網(wǎng)絡優(yōu)化工作者提供了有效的工具。

參考文獻

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作者簡介 張重陽 女,1965年出生,陜西涇陽人,講師,碩士。現(xiàn)主要從事電子與通信工程領域方向的教學與研究。

作者簡介 張永生 男,1980年出生,黑龍江雙鴨山人,2006年6月獲哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院碩士學位,專業(yè)為控制理論與控制工程,現(xiàn)就職于廣州日濱科技發(fā)展有限公司。

文 科 男,1982年出生,湖南祁陽人,2006年6月獲廣西大學碩士學位,專業(yè)為控制理論與控制工程,現(xiàn)就職于廣州日濱科技發(fā)展有限公司。