基于鐵路專用通信GSM-R的無線路測系統的研究與實現

摘 要:GSM-R網絡是新一代鐵路無線通信系統,對其無線接口的路測工具日益為網絡優化工作者所急需。首先介紹并分析了GSM-R網絡結構、業務模型、無線接口協議,然后討論了無線路測的目的以及對網絡優化工作的意義,在總結并分析這些理論的基礎上,給出一種適用于GSM/GSM-R網絡的無線路測系統。該系統為GSM/GSM-R網絡優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;網絡優化

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——鐵路綜合數字移動通信系統。與傳統的GSM技術相比,GSM-R除了能提供一系列鐵路通信業務外,還能保證列車在500 km/h的情況下進行高可靠性、高接通率、高傳輸質量的通信。當前,GSM-R技術成為國際國內鐵路通信發展的焦點,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鐵路專用通信網絡的規劃、建設和試運營。與此同時,由于目前國內的GSM-R路測系統十分稀少,對GSM-R無線網絡優化也開始成為GSM-R移動通信網絡建設中的一個當務之急。為了真正了解GSM-R網絡,調測GSM-R網絡,優化GSM-R網絡,本文提出并設計出了一種既適用于GSM網絡又適用于GSM-R網絡的無線路測系統。一方面,在GSM-R網絡建設的初期,通過本系統的輔助能夠合理地進行頻率分配、小區參數的調整:另一方面,可以優化已建GSM和GSM-R網絡的性能,提高通信質量[1]。

1 GSM-R網絡介紹

1.1 網絡結構與功能

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

BSS主要由基站控制器(BSC)、基站收發信臺(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,是移動通信網絡的無線接入部分,是終端用戶最直接感受網絡質量的部分。一個或幾個BTS連接到一個BSC上,BSC主要提供在其覆蓋區域內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),實現編碼速率轉換。

圖1 GSM-R網絡基本結構

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、用戶數據管理、移動性管理和固定網絡的連接。其中MSC是NSS的核心,用于建立業務信道和在MSC之間或與其他網絡之間交換信令消息。與MSC相連的是VLR,VLR管理在一個MSC區內漫游移動用戶信息的動態數據庫。HLR存儲的是在網絡中永久注冊的移動用戶的靜態信息,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網絡的特有組件GCR,用于存儲移動用戶的組ID、移動臺發起語音組呼(VGCS)和語音廣播(VBS)參考的小區信息及發起呼叫的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是操作人員與系統設備之間的中介,它實現了系統的集中操作與維護,完成了包括移動用戶管理、移動設備管理及網絡操作維護等功能。它的一側與設備相連,另一側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。系統的每個組成部分都可以通過特有的網絡連接至OMC,從而實現集中維護[4]。

1.2 業務模型

GSM-R是專門為鐵路通信設計的綜合專用數字移動通信系統,它基于GSM的基礎設施及其提供的高級語音呼叫業務,其中包括增強多優先級與強拆(eMLPP)、VGCS和VBS,并提供鐵路特有的調度業務,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各種應用。GSM-R的業務模型[3]如圖2所示。

2 無線接口協議

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系統固定部分之間的通信,其物理連接通過無線鏈路實現。此接口傳遞的信息包括無線資源管理、移動性管理和接續管理等。

圖2 GSM-R的業務模型

2.1 協議分層(三層)

空中接口對應于OSI(開放系統互連)模型的低三層,分為物理層、鏈路層和網絡層。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,如業務信道與控制信道。物理層在MAC層的控制下,負責數據或數據分組的收發。

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

網絡層: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、附加業務、面向連接的消息業務、無連接的消息業務等各種功能。

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上,MS對應于待機狀態。

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。可通過小區自動重選和切換來保持RR連接。MS對應于通話狀態或者位置更新狀態。

群發模式: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通信。MS對應于VGCS或者VBS中講者的狀態。

群收模式:沒有為MS分配與網絡連接的專用信道,它以無應答的方式接收分配給小區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[5]。

3 GSM-R無線路測系統

本系統通過監聽,捕獲Um口中MS與BTS進行通信的信令信息,從而獲得GSM-R網絡的無線質量參數,結合GSM-R無線網絡優化知識對參數進行加工處理,通過顯示模塊的精心設計,向用戶直觀、清晰地呈現網絡質量狀況,并在最后給出了GSM-R網絡質量狀況的性能報表[6]。

3.1 路測環境

網絡環境:衛星,GSM/GSM-R網絡;

測試儀器:裝有本系統的計算機一臺,測試手機一部,GPS一臺,接口線若干。

3.2 系統采集參數

(1) 網絡識別參數

移動國家號(MMC)、移動網號(MNC)、位置區碼(LAC)、小區識別(CI)、網絡色碼(NCC)、基站色碼(BCC)。

(2) 系統控制參數

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

(3) 小區選擇與重選參數

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

(4) 網絡功能參數

功率控制指示(PERC)、非連續發送(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

經度、緯度。

(6) 性能參數

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 系統功能

(1) 實時跟蹤信令

能夠實時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,能夠對所有頻率(GSM900/GSM1800/GSM-R等)進行實時掃描。動態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。可以檢查相鄰小區的信號強度,檢查小區的覆蓋情況和同鄰頻干擾[8]。

(3) 鎖頻測試

在雙頻網絡中,測試手機會自動選擇信號較強的頻道作通話網絡。如果碰到雙頻網絡信號強弱接近的區域,就可能出現線路忙或“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。利用強制操作采集MS接收到的網絡質量狀況,其強制區域主要是各小區鄰接處,用于發現網絡小區規劃的合理性、正確性,某些小區的實際覆蓋區域是否超過了規劃區域,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

網絡規劃實施后,常常要測試基站信號覆蓋范圍,查找盲區。本系統能夠實時采集目前所在小區以及相鄰小區的信號強度變化。本系統支持GPS定位系統,能夠實時打印目前所在的位置,結合DT(車測)網絡測試方法,能夠得到車所經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) 根據信令分析查找各種網絡問題

因為本系統能夠實時采集網絡參數以及無線信令,應用于網絡優化可以使網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、結束通話和掉話等各部分的信令流程。將現場采集到的信令與GSM-R各類業務的標準信令流程作對比,能夠定位到如掉話、TCH(業務信道)擁塞、SDCCH(獨立專用控制信道)擁塞等網絡故障[10]。

(7) 雙手機大話務量呼叫與統計

網絡優化過程中,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,來了解網絡的健壯性與可行性。本系統支持雙手機互呼測試,通過自動撥號功能,設定呼叫數量、持續時間、被叫號碼等參數,呼叫完畢后能夠提供回放以及通話統計結果。

(8) 測試GSM-R特有業務

GSM-R特有的業務包括VGCS,VBS等。普通的GSM路測系統在GSM-R網絡不適用。本系統能夠對GSM-R特有業務進行參數采集、信令捕捉。

4 結 語

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

參考文獻

[1]朱學偉.GSM-R系統在我國鐵路應用狀況分析[J].鐵路通信信號工程技術,2006(1):66-67.

[2]趙小文.GSM-R無線測量報告在Abis接口監測系統中的開發與應用[D].北京:北京交通大學,2008.

[3]王蓓.青藏鐵路GSM-R通信系統中干擾問題的分析與研究[D].北京:北京交通大學,2008.

[4]李少杰.GSM-R系統無線網絡頻率規劃方法的研究及應用[D].北京:北京交通大學,2008.

[5]馬芳.GSM-R數字移動通信系統在中國鐵路的應用[J].鐵道運輸與經濟,2005(7):13-18.

[6]楊文琪,郝瑞琴,李亮,等.新型GSM-R網絡組織和調度通信的研究[J].蘭州交通大學學報,2005(6):89-91.

[7]趙康.GSM-R系統無線測量的研究與應用[D].北京:北京交通大學,2007.

[8]蔡小林.GSM-R系統的優勢及其在清藏鐵路通信中的應用[J].青海科技,2005(6):48-50.

[9]武貴君.基于GSM-R/GPRS的鐵路綜合信息無線接入平臺[D].北京:北京交通大學,2007.

[10]黃威,賈利民,鐘彬.GSM-R數字移動通信系統及其應用[J].鐵路計算機應用,2005(12):47-49.

作者簡介 張重陽 女,1965年出生,陜西涇陽人,講師,碩士。現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月獲哈爾濱工業大學深圳研究生院碩士學位,專業為控制理論與控制工程,現就職于廣州日濱科技發展有限公司。

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,專業為控制理論與控制工程,現就職于廣州日濱科技發展有限公司。