不同模式及編碼條件下GSM-R短消息傳輸特性對比研究

梁軼群 蔣志勇 周宏偉 付文剛

GSM-R系統采用CSD方式承載了CTCS-3級列控數據的傳輸，采用GPRS方式承載了調度命令信息無線傳送、列車無線車次號校核信息傳送等應用業務，在鐵路運輸中發揮了重要作用。但GSM-R系統另一種重要的數據傳送方式，短消息業務卻一直沒有相關的應用。

短消息業務有其固有的特點:在電路交換模式下，短消息通信采用信令方式，即使移動臺已經處于專用模式的通信情況下也可以進行短消息傳輸，沒有額外的信道需求;當短消息接收端處于不可達時 (短時故障或不在服務區內)，短消息服務中心(SMSC)會自動保存短消息，待短消息接收端可以接收時再次發送。

隨著鐵路GSM-R系統的不斷發展，有必要進一步對GSM-R短信息傳輸特性進行研究，為其在移動售票、基于功能尋址的短消息車-地數據傳遞等領域的應用提供參考。

1 GSM-R短消息模式、用戶數據編解碼

對目前鐵路通信應用主流GSM-R模塊進行了調研，見表1。

從表1可以看出所有終端均支持PDU模式和Text模式短消息發送，均不支持Block模式的短消息傳送，且對于實際應用來說，Block模式復雜且不好操作，所以不對Block模式進行討論。使用Text模式收發短信代碼簡單，不需要對短消息內容進行編解碼，但其不支持中文短信。PDU模式發送短消息有3種編碼可用:7-bit、8-bit和UCS2編碼。7-bit編碼用于發送普通的ASCII字符，即英文短信，最多可發送160字符。8-bit編碼通常用于發送數據消息，比如圖片、鈴聲等。UCS2編碼用于發送Unicode字符，可發送中文字符，最多發送70字符。不同模式、編碼支持的短消息最大長度及對中文的支持情況見表2。

表1 GSM-R模塊對編碼方式的支持情況

表2 不同模式、編碼短消息最大長度及中文支持情況

采用PDU模式收發短消息時，需要在收發端進行編解碼處理，所涉及的元素如下。

1.SCA:短消息服務中心號碼 (Service Center Address)，長度1-12個字節。

2.PDU-Type:協議數據單元類型 (Protocol Data Unit)，長度1個字節。

3.MR:所有成功的短信發送參考數目 (Message Reference)，長度1個字節。

4.OA:發送方地址 (Originator Address)，長度2-12個字節。

5.DA:接收方地址 (Destination Address)，長度2-12個字節。

6.PID:消息中心處理消息內容方式 (Protocol Identifier)，長度1個字節。

7.DCS:用戶數據編碼方案 (Data Coding Scheme)，長度1個字節。

8.SCTS:消息中心收到消息時的時間戳(Service Center Time Stamp)，長度7個字節。

9.VP:消息有效期 (Validity Period)，0、1、7個字節。

10.UDL:用戶數據長度 (User Data Length)，長度1個字節。

11.UD:用戶數據 (User Data)，長度0-140個字節。

發送方和接收方PDU數據串格式分別見表3和表4。

表3 發送方PDU串格式

表4 接收方PDU串格式

前面提到的UCS2編解碼和7-bit編解碼是對用戶數據的編解碼。UCS2方式采用的是Unicode編碼方式，即1個字符編碼為2字節。7-bit編碼用于發送普通的ASCII字符，它將一串7-bit的ASCII字符 (最高位為0)編碼成8-bit的數據，每8個ASCII字符可壓縮成7個8-bit的數據。

處理方法:將第2個ASCII字符的最低位移入第1個ASCII字符的最高位形成第1個8-bit字節，接著將第2個ASCII字符剩下的6位向右移1位，補齊先前移走的那1位，然后將第3個ASCII字符的最低2位。移入第2個ASCII字符的最高2位，形成第2個8-bit字節，依此類推。

2 GSM-R短消息傳輸特性自動化測試工具原理及實現

自動化測試，即通過AT指令控制測試終端實現不同模式、不同編碼的短消息發送、接收，并讀取短消息，不需要測試人員手動發送和接收每條短消息并計時、記錄。自動化的測試方法提高了測試效率和測試的準確性。測試步驟如下。

1.通過AT指令控制發送端向接收端發送點對點短消息，同時開始計時，并以此標記作為時間戳T1，發送的短消息模式、編碼、內容長度可設置。

2.通過AT指令判斷發送端的短消息發送狀態:AT指令指示為“消息發送失敗”或者90 s內無任何指示，則認為短消息發送失敗，重復步驟1。

3.通過AT指令判斷接收端接收短消息的情況:在發送端“信息已發出”10 min內，接收端收到指示新短消息的AT指令，則停止計時，該時刻記為T2;10 min內未收到指示新短消息的AT指令，則認為該條短消息發送失敗。

4.接收端收到新短消息指示后，通過AT指令提取接收端接收到的短消息內容，與發送端發送的短消息內容進行對比，若兩者一致，則認為短消接收成功，否則認為短消息接收失敗。

5.對于成功接收的短消息，短消息傳輸延時:T=T2-T1

6.短消息傳送成功率按下式計算:

3 短消息傳輸特性對比研究

選擇普通單網、單網交織 (半數基站)、單網交織 (全基站)3種典型的網絡覆蓋條件，列車運行速度從100～350 km/h，對不同模式、不同編碼方式、不同長度的短消息進行詳細對比研究。測試條件如表5所示。

表5 短消息傳輸特性對比研究測試條件

3.1 不同場景下短消息傳送成功率及典型短消息傳送失敗分析

不同條件下短消息傳送成功率統計結果見表6。

從統計結果可以看出，不同條件下短消息傳送成功率均大于99%，滿足《GSM-R數字移動通信系統總體技術要求》。

表6 不同條件下短消息傳送成功率統計表

從GSM-R系統網管提取相關信令，對短消息傳送失敗的樣本進行分析，短消息傳送失敗的情況可以分為二類:一類是網絡沒有收到短消息終端的上行信道請求信令Channel Request，這可能和當時的無線環境存在部分外界干擾有關;另一類是由于短消息發送終端未及時進行小區重選，而是一直駐留在較差的小區，造成短消息發送時上行信道質量已經很差，SDCCH信道上傳送CP DATA過程中，出現原因值為Uplink Radio Failure的連接失敗，信令如表7所示。

表7 連接失敗信令表

3.2 不同列車速度等級下短消息傳輸延時特性對比

選取單網交織網絡覆蓋，不同列車運行速度級條件下PDU模式、Text模式短消息傳輸延時樣本，繪制延時與速度關系分布見圖1、圖2。

圖1 PDU模式7-bit編碼140字節短消息速度-延時分布圖

圖2 Text模式70字節短消息速度-延時分布圖

從圖中可以看出，不同模式下，隨著列車運行速度的提高，短消息傳輸延時樣本在均值上下波動，由此可以看出短消息傳輸延時與列車運行速度關系不大。

3.3 PDU模式UCS2編碼相同長度中英文短消息傳輸特性對比

選取單網交織半數基站網絡覆蓋條件下PDU模式UCS2編碼70字節中、英文短消息延時樣本進行比較，見表8和圖3。

從圖3中可以看出，中、英文短消息延時樣本均值差別很小，這與前面介紹的UCS2編碼原理是相符的，即每個中、英文字符都編碼為2個字節的Unicode碼字。

表8 PDU模式UCS2編碼相同長度中英文短消息傳輸延時對比表

圖3 PDU模式UCS2編碼中英文短消息傳輸延時對比

3.4 PDU模式UCS2編碼與PDU模式7-bit編碼相同長度短消息傳輸特性對比

選取單網交織網絡覆蓋條件下PDU模式UCS2編碼與PDU模式7-bit編碼，長度均為70字節的短消息傳輸延時樣本進行對比分析，短消息語言為英文，統計結果見表9和圖4。

從圖4可以看出，對于70字節的英文短消息，采用7-bit編碼比采用 UCS2編碼延時均值少2.539 s，這與7-bit編碼效率較USC2編碼高是一致的。

圖4 PDU模式UCS2編碼與PDU模式7-bit編碼70字節短消息傳輸延時對比

3.5 PDU模式7-bit編碼與Text模式相同長度短消息傳輸特性對比

選取單網交織網絡覆蓋條件下PDU模式7-bit編碼與Text模式，長度均為70字節的短消息傳輸延時樣本進行對比分析，統計結果見表10和圖5。

從圖5可以看出，對于70字節的英文短消息，采用PDU模式7-bit編碼與Text模式延時相差不大。

表9 PDU模式UCS2編碼與PDU模式7-bit編碼70字節短消息傳輸延時對比表

表10 PDU模式7-bit編碼與Text模式70字節短消息傳輸延時對比表

圖5 PDU模式7-bit編碼與Text模式70字節短消息傳輸延時對比

3.6 相同模式、編碼條件下不同長度短消息傳輸特性對比

選取單網交織網絡覆蓋半數基站條件下PDU模式7-bit編碼，選擇長度分別為40字節、70字節、140字節、160字節4種典型長度短消息的傳輸延時樣本進行對比分析，統計結果見表11和圖6。

表11 PDU模式7-bit編碼與Text模式70字節短消息傳輸延時對比表

圖6 PDU模式7-bit編碼不同長度短消息傳輸延時對比

從圖6可以看出，40字節、70字節、140字節、160字節等4種典型長度的短消息，其傳輸延時均值隨著短消息長度的增加而延長。

4 結束語

通過研究得出以下結論。

1.不同條件下短消息傳送成功率均大于99%，滿足《GSM-R數字移動通信系統總體技術要求》。

2.在列車運行速度級0～350 km/h范圍內，短消息傳輸延時與列車運行速度關系不大。

3.采用PDU模式UCS2編碼發送相同長度的中、英文短消息，傳輸延時無明顯差異。

4.PDU模式7-bit編碼與PDU模式UCS2編碼相同長度英文短消息，7-bit編碼延時明顯小于UCS2編碼。

5.PDU模式7-bit編碼與Text模式發送相同長度短消息，傳輸延時無明顯差異。

6.40字節、70字節、140字節、160字節不同長度短消息，在相同模式、編碼條件下傳輸延時的分布規律，為建立鐵路GSM-R系統短消息服務質量評價體系提供了參考依據。

如果需要發送中文或者中英文混合的短消息，則只能選擇PDU模式UCS2編碼，否則建議采用PDU模式7-bit編碼或者Text模式，以提高短消息發送的效率。

建議結合短消息傳輸特性，進一步研究短消息應用在個別補票業務、風速信息傳遞、實時監控信息傳遞、軌道異物監測、旅客信息發布等鐵路業務應用的可行性及應用方案。

［1］ 梁軼群.高速鐵路GSM-R系統點對點短消息傳送特性的研究［J］.中國鐵路，2012(9).

［2］ 郭莉慧.PDU中7-bit字符串編解碼的程序設計［J］.電腦編程技巧與維護，2008(10).

［3］ 3GPP TS 03.38 V7.2.0 Digital cellular telecommunications system(Phase 2+);Alphabets and language-specific information.

［4］ 3GPP TS 03.40 V7.5.0 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Terminals;Technical realization of the Short Message Service(SMS).

［5］3GPP TS 07.05 V7.0.1(1999-07)Use of Data Terminal Equipment-Data Circuit terminating;Equipment(DTE-DCE)interface for Short Message Service(SMS)and Cell Broadcast Service(CBS).