基于GSM-R的CIR動態線路數據傳輸可行性方案研究

頡 康，劉 暢，楊居豐，蔣志勇

為保證無線列車調度通信的正常進行，列車在不同線路、區段之間運行時，應能及時切換到對應的通信模式；在GSM-R 區段時，還需要根據列車所處的位置，確定前、后車站和調度等通信對象的電話號碼［1］。目前，機車綜合無線通信設備（CIR）通過衛星定位，結合本地靜態線路數據庫的方式，滿足了上述需求，在大多數情況下能夠自動完成通信模式和呼叫對象的確定。但經過不斷的發展和運用，這種方式在維護管理方面逐漸暴露出不足。當車站新開、撤并，線路名稱、車站名稱調整，無線通信系統制式、信號機位置坐標等基礎信息發生變化時，線路數據都要及時進行調整，以便保障調度通信過程中線路切換的有效性和可靠性［2］。但由于目前CIR采用的是本地靜態線路數據庫的方式，即每一臺CIR設備本地都保存著一份預先編制好的線路數據庫副本，當需要對線路數據進行更新維護時，只能采用人工逐臺升級的方式，需要投入大量的人力，并使升級的時間跨度增大，對CIR的現場運用和維護管理均造成不利影響。

本文結合實際運用情況，對基于GSM-R 系統實現CIR 動態線路數據傳輸的可行性進行了研究。在不影響當前CIR 對線路數據運用邏輯的前提下，基于GSM-R 的CIR 動態線路數據傳輸可有效降低線路數據的管理維護成本，提高工作效率，具有一定的現實意義和使用價值。

1 CIR線路數據

CIR 線路數據是指CIR 設備廠家利用各鐵路局提供的CIR 基礎數據進行二次加工后，CIR 設備根據衛星導航系統信號，選定（人工或自動）運行線路、工作模式，顯示前、后車站名稱，自動關聯碼號數據等，實現相關功能的設備數據。雖然各CIR設備的功能實現方式不同，CIR 線路數據的數據結構定義也存在差異，但所承載的數據內容大體一致。

CIR線路數據由呼叫指示信息和線路選擇信息組成。呼叫指示信息提供當前運行線路信息和調度呼叫按鍵信息，由線路代碼、線路名稱、區段名稱、相鄰4個車站的名稱、代碼及號碼、調度號碼等字段組成，合計長度111個字節；線路選擇信息數據根據實際情況，由多條可選線路數據組成，每條可選線路數據由線路代碼、線路名、區段名、模式號等字段組成，合計長度32個字節，即當存在n條可選線路時，線路選擇信息數據長度為n×32個字節。

2 基于GSM-R 的CIR 動態線路數據傳輸方案

與通過本地數據庫檢索線路數據信息不同，在CIR 動態線路數據傳輸方案中，CIR 設備通過與地面相關設備的數據交互，獲取所需的線路數據信息，可在地面設備上進行集中式的維護管理，線路數據變更后無需再對CIR設備進行升級操作，只需對地面相關設備進行版本升級即可，極大地提高了維護效率，降低了維護成本。

動態線路數據傳輸的業務邏輯并不復雜，但基于GSM-R 的數據傳輸方式能否滿足CIR 線路數據運用的相關要求，還需分別對GSM-R 的各種數據傳輸方式進行研究和確認。在GSM-R 系統中，車地終端可通過短消息、CSD（電路交換數據）、GPRS（通用分組無線業務）等方式進行無線信息傳輸。

作為電信業務中的一種，短消息業務采用信令方式傳輸，不必建立專用的傳輸信道，對無線資源占用小，一般適用于數據量較小，對實時性、可靠性要求較低，并且具有突發性的業務場景。短消息業務可分為點對點短消息業務（SMS）和小區廣播短消息業務（CBS）。點對點短消息由短消息中心轉發和存儲，實現移動終端點對點的收發短消息服務；小區廣播短消息由小區廣播中心分發，實現單向的、可在同一時間向某一指定區域內所有移動終端發送而無需應答的廣播短消息服務。

CSD 即電路交換數據，該數據傳輸方式需要建立相應的業務信道，并保持對信道資源的占用，適合持續時間長、數據量較大的業務；由于電路的空閑比較大，不適用于突發性強的短數據傳輸，會造成信道資源的浪費［3］。

GPRS 是目前GSM-R 系統中應用最為廣泛的無線數據傳輸方式，具有傳輸速率高、實時在線、無線資源利用率高等特點，特別適用于突發性強的數據傳輸。

由于CIR線路數據傳輸的突發性較強，且對于傳輸的實時性和可靠性沒有過高的要求，因此可選擇點對點短消息、小區廣播短消息和GPRS 3 種傳輸方式。下面對GSM-R 承載CIR 動態線路數據傳輸的可行性進行研究。

2.1 點對點短消息承載方案

點對點短消息業務可以為移動終端提供短消息的接收和發送，每條點對點短消息有效載荷最大為140 字節。當發送的數據大于140 字節時，短消息將被拆分發送，拆分后的短消息將經過短消息網關、短消息中心的存儲轉發，最終到達終端時，被拆分短消息的順序可能與原發送順序不同。因此，利用點對點短消息進行大于140 字節數據量的傳輸時，需要在業務側對數據進行分包，并在每條分包數據前增加包頭信息，使每條點對點短消息的有效載荷進一步減小。根據文獻［4-5］的研究，傳輸一條點對點短消息的平均端到端時延為10 s 左右。

點對點短消息雖然可以為車地雙方提供雙向通信，但其傳輸能力有限。長達10 s的端到端時延也無法使其承載人機交互式的數據傳輸。因此，若通過點對點短消息實現動態線路數據傳輸，則只能一次性向CIR設備傳輸完整的線路選擇信息和呼叫指示信息。根據CIR 線路數據內容定義可計算得出：當線路選擇列表中包含10 條線路時，線路選擇信息的數據長度為320 字節，呼叫指示信息的數據長度總和為1 110 字節，傳輸全部數據需11 條短消息。同理可得，當線路選擇列表中包含20 條線路時，傳輸全部數據需21 條短消息，所需短消息數量隨著線路數量的增加而增加。線路數據是貫穿列車運行周期性獲取的，大量短消息的發送和接收所帶來的時延和網絡資源占用，都說明點對點短消息的傳輸方式不適用于承載CIR 動態線路數據傳輸業務。

2.2 小區廣播短消息承載方案

小區廣播短消息的發送不以特定移動用戶為目標，而是以基站為中心，向基站范圍內全部移動用戶以預先設定好的時間周期進行廣播推送，移動用戶只具備小區廣播短消息的接收能力，不具備發送能力。相比于點對點短消息，小區廣播短消息在傳輸時延、網絡資源占用等方面均具有一定的優勢，在空口協議上以“頁”為單位，通過CBCH 信道進行傳輸，每頁有效載荷為82 字節，最多可分15 頁發送，每一個CBCH 周期的時長約為 1.883 s［6-7］。

小區廣播短消息以基站為中心向覆蓋范圍內用戶推送消息，與CIR 動態線路數據業務的運行模式相似，都是以地理位置作為向用戶發送不同數據內容的依據。因此，雖然移動端沒有發送能力，但通過對每一個基站的地理位置和線路數據內容進行匹配，也可以使CIR 設備收到所需的線路數據。但這將導致CIR 設備的線路數據業務喪失了交互能力，在發送線路數據時與點對點短消息方式相同，需要一次性將相關線路數據內容全部發送。當線路選擇列表中包含10 條線路時，需通過2 條小區廣播短消息，共分18 頁進行傳輸，小區廣播通過CBCH 信道傳輸全部數據需要時間將大于30 s。若移動端在切換時，該基站已經開始了小區廣播短消息的傳輸，那么移動端只能等待下一個廣播周期才能完整接收到該小區廣播短消息，即最多需要2 倍的接收時間。對于高速行駛中的列車，可能出現CIR 還沒有收到該基站下的線路數據小區廣播短消息，就已經需要切換至下一基站的情況。因此，以目前線路數據業務所需的數據量衡量，小區廣播短消息的傳輸方式不適用于承載CIR 動態線路數據傳輸業務。

2.3 GPRS承載方案

GPRS 為移動用戶提供了一種端到端雙向的無線IP 數據連接。由于采用IP 協議進行數據傳輸，故GPRS 方式對數據包的長度沒有特別限制。GSM-R 系統的GPRS 數據傳輸方式目前廣泛應用于鐵路業務，包括車次號信息傳送、調度命令信息傳送、列尾信息傳送等［8］。GPRS 具有實時在線特性，移動終端連接GPRS后，可以一直保持在線狀態，隨時進行數據的接收和發送；同時，在不進行數據傳輸時不會占用無線資源，可以使無線資源得到更有效的利用，這也使通過GPRS網絡同時承載大量用戶和不同業務成為可能。在可提供帶寬和傳輸延時方面，相比于點對點短消息和小區廣播短消息均有較大的優勢。單信道的GPRS理論傳輸速率為9.05 kb/s，借助多時隙技術，最高可達到8 信道171.2 kb/s；根據文獻［9-10］的測試結果，128 字節的數據通過GPRS 方式傳輸產生的端到端時延99%小于500 ms；在4 信道情況下，采用512 字節數據包長，終端上行吞吐量最大可達5.08 kB/s，下行吞吐量最大可達5.29 kB/s。

GPRS 傳輸方式在GSM-R 系統中具有最優的無線傳輸性能，也因此承載了各種鐵路業務。但GPRS 有限的總帶寬，對于GPRS 傳輸通道的使用，需建立在不影響其他現有業務的基礎上。通過研究可知，CIR 動態線路數據的下行數據量瞬時可達幾kb，且具有較短的周期，若直接以此數據量進行傳輸，將造成對GPRS帶寬資源的過度占用。另外，由于可選線路數量與列車行駛位置相關，不同的地理位置所需傳輸的數據量可能有大幅度變化，具有很強的不確定性；無法預計和控制的無線數據傳輸量，將對多個業務共用帶寬，且總帶寬受限的GPRS 系統合理化運用帶來不利影響。因此，利用GPRS 承載CIR 動態線路數據的可行性，取決于能否大幅降低其傳輸數據量，并使其數據傳輸量可控。

GPRS 傳輸方式的時延較小，使其可以實現人機交互式的數據傳輸。通過制定分頁、選擇性傳輸等優化方式，可避免對線路數據的完整傳輸，大幅降低了CIR動態線路數據的傳輸數據量，有效抑制選擇線路增加導致的數據量巨增，使通過GPRS承載CIR動態線路數據具有可行性。

基于GPRS的CIR動態線路數據傳輸方案主要需要解決CIR 動態線路數據傳輸數據量大的問題。通過線路選擇信息分頁、呼叫指示信息選擇性傳輸、數據重復性驗證3 個優化方式，可大幅降低CIR動態線路數據的傳輸數據量。

1）線路選擇信息分頁。司機通過CIR 的操作顯示終端，對可選擇線路進行查看和操作，而操作顯示終端每一頁可顯示10 條線路信息，故可以10 條線路為單位，為線路選擇信息進行分頁傳輸。首次發送第1 頁線路選擇信息，后續根據司機的操作進行逐頁傳輸。這樣限制了線路選擇信息的最大長度，避免了線路選擇信息量隨可選擇線路數增加而不斷增加的問題。

2）呼叫指示信息選擇性傳輸。有多條線路選擇信息時，不主動傳輸呼叫指示信息，當司機在CIR 的操作顯示終端上，先進行線路選擇，再傳輸司機指定的呼叫指示信息，去除了無用信息的傳輸，大幅降低了傳輸呼叫指示信息的數據量。

3）數據重復性驗證。由于CIR 線路數據業務是周期性業務，且線路數據請求較為頻繁，若線路數據內容未發生變化，將帶來網絡資源的浪費，因此可以在線路選擇信息中，增加代表數據唯一性的字段，以進行重復性驗證。由于每一次請求的線路選擇信息都是通過列車地理位置對線路數據庫進行檢索并整合生成的，其自身并沒有可以標識其唯一性的標志，故建議對檢索生成的完整線路選擇信息進行MD5 算法的哈希值計算，以此作為線路選擇信息的唯一標識碼。當CIR 設備進行線路數據請求時，不僅傳輸當時的地理位置信息，還傳輸上一次接收到的線路選擇信息的唯一標識碼；地面設備接收到請求后生成線路選擇信息，并與請求中的唯一標識碼進行比對，若一致，則傳輸線路數據無變化指示信息；否則，傳輸新生成的線路選擇信息。通過該方式進一步減少了無用信息的傳輸量，提高了線路數據的傳輸效率。

優化后方案所需傳輸的數據量與原方案所需傳輸的數據量的對比見表1。可以得出，優化后方案大幅降低了CIR 動態線路數據傳輸對GPRS網絡資源的占用，并有效避免了動態線路數據量隨線路數目增加而不斷增加的問題，使其數據傳輸量在任何時間、任何地點都可預估、可控制，使通過GPRS 承載CIR 動態線路數據業務具有了可行性。

表1 方案優化前、后傳輸數據量對比

3 結論

基于GSM-R 的CIR 動態線路數據傳輸方案將線路數據庫遷移到地面進行集中管理，通過GSM-R移動通信系統進行線路數據的傳輸，可有效降低線路數據庫的維護管理成本，提高運用效率。本文分別分析了通過點對點短消息、小區廣播短消息、GPRS 3 種數據傳輸方式，承載動態線路數據的可行性。其中，點對點短消息和小區廣播短消息承載方式由于其有限的數據承載量和較高的傳輸時延，并不適用現有數據結構的線路數據的傳輸；GPRS的傳輸能力可滿足CIR動態線路數據傳輸業務的需求，但為了能夠在實際中承載運用，必須對其網絡資源占用進行大幅度優化。由于GPRS具有低時延的特點，為動態線路數據傳輸增加了數據交互邏輯，通過線路選擇信息分頁、呼叫指示信息選擇性傳輸、數據重復性驗證3種優化方式，大幅降低了動態線路數據業務所需的數據傳輸量，并使其傳輸量可預期、可控制，使動態線路數據傳輸業務具備了通過GSM-R系統傳輸承載的條件。

在下一步的研究中，建議充分利用GPRS傳輸低時延、可雙向交互的特點，擴展CIR線路數據業務的功能，在列車行駛過程中為司機提供更多實時有效的線路相關信息；同時，還可以結合大數據對線路數據進行智能化選擇，進一步降低人工操作要求，推進CIR設備的現代化、智能化發展。