高速環境下GSM－R小區廣播性能研究

鄒 引 蔣文怡 丁建文

小區廣播系統和應用程序，因其占用資源少、用戶定位精準、發布速度快等獨特技術優勢，在許多發達國家的應急體系都有應用。在英國倫敦地鐵爆炸事件中，官方曾使用小區廣播給事故發生地附近的居民發布避難信息；在亞洲斯里蘭卡海嘯災難發生時，小區廣播提示巨浪即將到來，并指導群眾前往救助中心。從2008年起，歐洲的主要運營商開始在通信網絡里部署小區廣播。日本地震和海嘯預警系統 （ETWS）和美國商用手機預警系統（CWAS）均采用小區廣播發送預警。我國正在研發的高速鐵路地震監測預警系統的地－車信息發送，也準備采用小區廣播短消息方式進行試驗。

隨著鐵路信息化技術的發展和對安全要求的不斷提高，需要將災害預警、列車位置等信息實時傳送給列車或線路上的作業人員。由于小區廣播業務在國內外鐵路無線通信領域尚無應用案例，因此需要對小區廣播消息推送應用進行研究。

1 小區廣播架構和協議

小區廣播系統 （CBS）由小區廣播中心（CBC）和小區廣播實體 （CBE）組成。其中，CBC是分發小區廣播信息到GSM－R網絡的中心，負責小區廣播短消息的管理，如CBS消息的編號、對保存在基站控制器BSC內消息的修改和刪除、發出廣播和廣播參數的標注 （小區數、開始和停止廣播時刻、重復廣播的次數、廣播信道）等；CBE負責將小區廣播系統格式化，包括將1條CBS消息分成多頁。小區廣播系統如圖1所示。其中BSC主要負責翻譯來自CBC的命令，存儲CBS消息，并轉送到指定的基站BTS，安排小區廣播控制信道CBCH，向CBC反饋CBS消息廣播功能；BTS負責傳送CBS消息，有選擇性地產生CBCH符合指示消息；移動臺MS負責消息頁的重組，重構CBS消息。

圖1 小區廣播系統圖

短消息系統 （SMS）的協議共分4層，包括應用層 （SM－AL）、傳 輸 層 （SM－TL）、中 繼 層（SM－RL）和底層 （SM－LL）。SMS的分層協議結構如圖2所示。

圖2 SMS分層協議結構圖

圖3 小區廣播協議

網絡接口是指CBC與基站BSC之間的接口，傳輸層采用X．25或No．7，華為、中興等廠家采用X．25協議。圖3為小區廣播協議，應用層小區廣播業務元素 （CBSE）直接映射到網絡層上。CBC支持業務包括：業務綁定請求、綁定確認、綁定失敗、綁定解除、寫入／替換請求、消息刪除請求、報告響應、信道查詢請求、信道查詢響應、消息狀態查詢請求、消息狀態查詢響應、報告操作拒絕、重啟指示、重置請求、故障指示、設置不連續接收參數等。

2 小區廣播數據傳輸技術

一個小區只能配置1個CBCH，通過占用1個SDCCH的子時隙來實現。小區廣播通常占用SDCCH第2數據塊傳輸數據。

小區廣播短消息每頁傳輸88字節固定格式，每頁承載消息82字節，每次可傳輸15頁。發送頻率、起止時間、重復次數可以由CBC確定，BTS根據CBCH的負荷周期性發送。每頁有相同的消息標識符和序號，用于MS鑒別和丟棄已收到的消息。每頁分為4段，由CBC向BSC發送，可以根據需要接收相關信息。CBS消息由BTS按一定頻率和周期循環廣播。重復發送的頻率取決于它們所包含的信息，例如道路交通信息就比天氣信息重復頻率高。重復周期同樣受到高速移動、快速穿越小區的影響。對于單頁（82字節）的小區廣播消息，在空口上廣播的最小周期是1．883s，重復廣播周期是這個的倍數，可以從1～1024。移動臺在空閑模式時偵聽CCCH，可以收到該消息，專用模式時不能接收。

CBC與BSC間的消息流程包括：發送信息或替換已有消息、刪除已有消息、CBCH狀態查詢（查詢CBCH信道發送隊列容量中的數據）、消息狀態查詢 （查詢消息庫中相應消息的狀態信息）、小區復位申請 （BSC停止向相關小區發送任何消息，并清除消息庫中和小區廣播表中的相應信息）、DRX設置申請 （根據消息提供的參數設置下一次發送的調度消息）、發送拒絕響應 （BSC不能理解收到的消息或消息參數值非法時，向CBC上報出錯原因或簡短說明信息）。

BSC與BTS間的消息和業務功能：①BSC向BTS發送廣播消息，BSC通過1條SMS Broadcast Command消息把CBS信息發給相應的BTS，并指明需要使用的信道；②BTS向BSC上報信道負載——BTS通過 CBCH Loading Indication消息向BSC上報CBCH信道的負載情況，并要求BSC進行相應的流量控制。

3 小區廣播在高速環境下的應用

防災安全監控系統主要是對危及客運專線運行安全的自然災害 （風、雨、地震等）、突發事故異物侵限及非法侵入等進行監測報警，采用GSM－R網絡進行防災信息傳輸。當地面中心收到防災系統發送的災害告警信息時，通過GSM－R網絡的小區廣播短消息業務，在災害發生地點一定范圍內，周期性廣播告警信息。當列車運行至該范圍時，車載設備接收到告警信息，并提示司機，必要時發出聲光告警。地面中心利用小區廣播短消息業務進行下行數據傳輸。車載設備根據廣播告警信息幀內容，通過GPRS網絡／M－GRIS發送接收回執。

地面子系統由小區廣播中心 （CBC）、MGRIS、轉發控制器、存儲單元、防災監控網關、內部數據交換單元、時間同步單元、管理服務器、操作管理終端等組成。

3．1 實驗室仿真測試系統

3．1．1 測試平臺

開發測試軟件，地面小區廣播服務器與GSMR數字移動通信網BSC進行連接，定時通過小區短消息廣播方式向指定小區進行短消息廣播。該小區覆蓋范圍內的車載設備收到廣播短消息后，立即通過有線局域網向地面小區廣播服務器發送回執。GSM－R小區廣播測試平臺如圖4所示。

車載設備收到廣播短消息后發送回執的時間，減去地面服務器發送廣播短消息的時間為時延；地面服務器發送廣播短消息后30s內未受到回執，則判斷該條廣播短消息車載設備接收失敗；地面服務器與車載設備系統時間已同步。

圖4 GSM－R小區廣播測試平臺

3．1．2 測試結果

1．測試條件：速度為0時，信息單包小于82個字節，在單頁的小區廣播短消息中就可以發送完畢，小區廣播在空中接口的最小周期是1．883s。

2．實際測試的小區廣播測試時延：發送總條數1331包，最大時延28s，最小時延3s，平均時延5．694s。時延集中在4～8s。

3．丟包：成功收到車載設備回執1284包，未收到車載設備回執47包，成功率96．47%。

3．2 小區廣播業務現場試驗

3．2．1 測試內容

試驗列車運行速度300km／h時，小區廣播服務質量特性及GPRS／小區廣播信息用于防災信息傳送的可行性，鐵路防災監控系統的相關告警信息能夠實時地傳送到適合的列車上，讓司機在第一時間采取相關措施，確保高速列車運行安全。

1．功能測試。提交、修改、刪除小區廣播短消息，以及查詢正在廣播的小區廣播短消息；單頁最大消息長度和最小廣播周期測試；接口消息測試。

2．性能測試。測試小區廣播短消息傳送時延和傳送成功率。

3．防災信息傳送。當地面中心收到防災系統發送的災害告警信息時，通過GSM－R小區廣播短消息業務，在災害發生地點一定范圍內進行廣播。范圍確定方法：根據災害告警信息的地點 （公里標），找到對應的小區 （LAC＋CI），根據預警級別和線路運行速度等級，確定需要發布的小區列表，采用小區廣播方式發布預警信息。

3．2．2 測試結果

1．基本完善了高速鐵路預警信息無線傳送系統的防災信息采集功能。

2．實現了通過小區短消息廣播方式進行數據的發送。

3．驗證系統通過小區短消息廣播方式傳播預警信息的功能，形成可進行現場試驗的工程樣機。

3．3 小區廣播性能分析

在理想狀態下，小區廣播網關處理時延在10ms以內；小區廣播網關發送完82字節數據需要10．25ms；MSC接收和發送82字節的數據均需要10．25ms，處理時延應在5ms以內；同樣，BSC接收和發送82字節的數據各需要10．25ms，處理時延在5ms以內；而BTS接收82字節的數據需要10．25ms，處理時延應在5ms以內，但發送數據時還要根據CBCH及BTS自身的整體負荷，若負荷過大，將暫緩發送該消息；空中接口上，完成82字節的消息傳送需要8×51復幀的周期，即1．883s，這是最短的單元周期，測試時設置周期為2，即需要3．766s；無線終端收到小區廣播后的處理時延在10ms以內。這樣，測試系統中小區廣播的總時延為：10＋10．25×6＋5＋5＋5＋3766＋10＝3862．5 （ms）。

實際上，由于BTS會根據自身的負荷及CBCH的負荷調整發送時機，因此測試的平均時延稍大。

由于小區廣播為非確認性機制，不會存在重傳而增加時延的情況，因此速度大小并不會對時延造成本質影響，但會影響丟包。小區廣播單獨占用1個SDCCH信道，不對其他無線通信業務造成影響；小區廣播業務之間CBC控制BCS發送消息或替換已有消息。1個小區只能配置1個CBCH，通過占用1個SDCCH的子時隙來實現，因此小區廣播會受到小區負荷影響。

1個CBCH最多22字節消息，即當廣播的消息小于等于22字節時，可以利用1個CBCH承載，這時空口最大時延為2×235．365＝470．73ms。當廣播消息大于22字節為x字節時，則需要 ［x／22］個CBCH，空口最大時延為 ［x／22］×470．73ms。高速運行情況下無線信道快速變化、多普勒頻偏隨著速度的增加而增加，導致接收信號更大的碼間干擾，從而增大了數據正確解碼的難度；列車行駛過程中收發信號大小和C／I周期性變化，帶來了誤碼概率周期性變化；小區重選造成通信短暫中斷，帶來丟包。

綜上所述，時延主要由信息處理和信息傳輸決定，通常由信息長度決定。而高速運行、小區重選、干擾都會對丟包率產生影響。

4 結束語

小區短消息廣播方式用于GSM－R高速防災信息傳輸，可有效解決高速列車運營中自然災害、突發事故等安全問題，提供經處理后的災害預警等信息。小區廣播消息分頁發送，每頁82字節，可由1～15頁組成。每頁有相同的消息標識符和序號，用于MS鑒別和丟棄已收到過的消息。每頁分為4段，由CBC向BSC發送，可以根據需要接收相關信息。在理想狀態下，小區廣播的時延為3862．5ms。由于BTS會根據自身的負荷及CBCH的負荷調整發送時機，實際測試的平均時延稍大，集中在4～8s之間。時延主要由信息處理和信息傳輸決定；高速運行、小區重選、干擾都會對丟包率產生影響。而因單獨占用一個SDCCH信道，小區廣播不對其他無線通信業務造成影響。

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