（通信与信息系统专业论文）基于gsmr系统的电路数据组播功能实现与关键问题研究.pdf

北京交通大学硕士论文 摘要 摘要 数据业务是铁路综合移动通信系统g s m r 的必选业务，而且其 对网络服务质量( 0 0 s ) 有更高的要求，网络必须能够保证数据传输的安 全可靠。这是实现列车自动控制的前提条件，也是迭到g s m r 的发 展目标一一铁路通信信号一体化的基础。 g s m - r 系统的一个很大优势是能够针对铁路的特殊需要很容易 的提供相应的业务本论文针对大秦线机车同步操控的实际需要，提 出了一种基于g s m r 电路交换来实现数据组播业务的方案。此方案 依靠g s m r 电路交换数据传输模式完成一个发送者发送数据包到多 个接收者的数据传输功能。 越区切换对数据传输的影响至关重要，直接关系到网络对数据业 务的服务质量( q o s ) ，本论文仅从理论上对此做了初步探讨。依据铁路 小区线状分布时邻小区数目少的特点，本文提出了一种新邻小区表设 计方案和适用于高速移动台的目标小区指定法，两种方法的联合使用 能够减少切换时间，提高切换成功率，从而减少越区切换对数据传输 的影响。同时，建议采用基于功率估计的提前切换策略，并借鉴了现 有提前切换技术实现的关键点，提出一种以移动台运动速度为主要依 据的提前切换技术。 最后，给出了大秦线机车同步操控系统的实际应用方案，实验室 内模拟结果验证了此方案的可行性。 关键词：g s m r 数据业务越区切换i o c o t r o l 北京交通大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t d a t as e “i c ei se s s e n t i a l t og s m rs y s t e m i th a sar e q u e s tf o rh i g h e r q o s g s m ，rn e t 、v o r km u s tt r a i l s m i td a t ai ns e c u r i 研t h i si st h ep r i o r c o n d i t i o nt or e a l i z ea u t o m a t i cc o n t r o li nr a i l r o a dt r a i n ，i ti sa l s oab a s i st o i m p l e m e n td e v e l o p m e n tt a 唱e to fg s m - rw h i c hi st h ec o m b i n a t i o no f c o 衄u n i c a t j o na 1 1 ds i g n a l s u p p 】y i n ge a s i l yc o n e s p o n d j n gs e r y i c e sa c c o r d i n g 幻出es p e c i a 】 r e q u i r c m e n to fr a i l w a yi so n eo ft h ea d v a n t a g e so fg s m r b a s e do nt h e r e q u i r e m e n t o f1 u l t i l o c o m o t i v es y n c h r o r m u sc o m r 0 i s y s t e m i n d a t o n g q i n h u a l l g d a or a 订w a y as c h e m ew h i c ha c c o m p l i s hg r o u pd a t a t r a n s m i tb a s e do nc i r c u i ts w i t c hd a t as e i c ei si i l t m d u c e d i ta c c o m p l i s h a 向n c t i o nt h a to n ed i s p a t c h e rs e n dd a t at or r m n yr e c e i v e r s a c c o r d i n gt oc e l i s c h e m ea l o n gt h er a i l w a y ，w h i c hl e a d st ot h e d e c r e a s eo f a d j a c e n tc e n u m b e r s ，ak i n do f n o v e 】a d j a c e n tc e l i l i s rd e s j g n a n dam e t h o do ft a 唱e tc e l ln o m i n a t e df o rh i g h s p e e dm sa r ei n t r o d u c e d j o i n t i n gb o 血o ft h e mw i l ls h o r 七e nt h eh a l l d o v e rp r o c e s s w h a t sm o r e ，i ti s r e c o r n m e n d e da p p l y i n ge a r l yh a n d o v e rs t m t e g yb a s e do np b g ti no r d e r t os o l v et h ep r o b l e mo f h a n d o v e rf a i l u r eo na c c o u n to fi n s u 伍c i c n to v e r l a p r e g i o ni nu r b a na r e a b a s e do nt h ev i t a ls 0 i u t i o nf r o mt h eo l de a r l y h a n d o v e rs t r a t e g y ，a n o t h e re a r l yh a n d o v e r s t r a t e g y i s p r o v i d e dw h i c h m a j n l yd 印e n d so nr h em o v j n gv e l o c j 吼 i nt h ee n d ，a p p l i c a t i o ns c h e m ef o rm u l t i i o c o m o t i v es y n c h r o n o u s c o n t r o ls y s t e mi nd a l b n g q i n h u a n g d a or a 订w a yi si n t r o d u c e d t e s t r e s u i t si nt h el a bd m v e dt 1 1 a tt h i ss c h e m ei sf e a s i b l e k e yw o r d s ：g s m r d a t as e r v i c eh a n d o v e rl o c o t r o l 北京交通大学硕士论文 第l 章概述 第一章概述 1 1g s m r 的发展历程 1 1 1国外g s m r 的发展 国际铁路联盟u i c 为满足欧洲2 l 世纪铁路一体化进程推荐了欧 洲铁路专用移动通信系统g s m r ( g s mr a i l w a y ) ，它是在g s m 蜂窝系统上增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的要素组成， 能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信的要求。g s m r 系统很 多技术借鉴了公网的g s m 技术，保留了g s m 的大体结构，使得从一 开始g s m r 系统就是一个成熟可靠的系统，它的绝大多数软硬件都 已在现网中得到检验。不仅如此，由于二者都可以工作在9 0 0 m h z 频 段，因此在无线网络规划方面也是基本相同的，g s m r 系统的规划 设计也可借助于已成熟的g s m 系统工具，方便快捷地为用户提供网 络设计安装。 出于众多的需要，g s m 新技术如g p r s 已经规范化并将安装使 用，向u m t s ( 通用移动通信系统) 的演进将提供新的业务和更加强大 的无线系统，g s m r 据此可最大限度地引入新的业务，因此g s m r 是面向未来的技术，具有巨大的发展空间，目前超过3 0 个铁路公司 已承诺在其国际路网中使用该技术。 g s m r 的发展大致分为以下三个阶段： 第一阶段标准制定 1 9 9 3 年国际铁路联盟u i c 与欧洲电信标准组织e t s i 协商，提出 了欧洲各国铁路下一代无线通信以g s mp h a s e2 + 为标准的g s m r 技 北京交通大学硕士论文 第l 章概述 术，这一提议在1 9 9 5 年经l 兀c 评估并最终确认。之后，u i c 开展了 一系列的标准制定和测试工作。首先，u i c 建立标准化组织e i r e n e ( 欧 洲集成铁路无线增强网) ，制定一系列铁路需求规范，涉及范围包括业 务功能、调度台车载台需求、电磁环境等各项指标；其次，还密切与 e t s i 台作，最终将其所提出的系列调度业务需求纳入到了g s mp h a s e 2 + 规范中。 第二阶段g s m r 系统试验 1 9 9 7 年，2 4 个国家的3 2 个铁路组织签署了g s m r 谅解备忘录， 签字的铁路组织至少要将g s m r 用于过境运输通信。同年，为了验 证g s m r 系统的可靠性、兼容性等指标，u i c 还成立了另一个专门 组织m o ra n e ( 欧洲铁路移动无线系统) ，它的主要成员包括铁路运营 商、g s m r 制造商和研究机构，m o r a n e 项目的重点放在测试高速 环境的g s m r 特性上。从1 9 9 7 年至2 0 0 0 年间，m o r a n e 组织分别 在法国、意大利、德国开展了三个试验项目，对g s m r 系统进行了 严格的测试。同时，m o r a n e 还制定了一系列技术标准用来规范一 些主要流程和设备接口，从而保证将来g s m r 系统在各过程中不仅 要设备兼容，还要终端兼容、业务兼容。 第三阶段g s m r 工程实施 l9 9 9 年第一个g s m r 网络在连接瑞典到丹麦的o r e s u n d 大桥建 成并投入运营。o r e s u n d 大桥铁路线属于瑞典s i r b a n v e r k e t 全国线路 工程的一部分，全国线路工程分为四期实施，覆盖线路总长7 2 0 0 k m ， 第一期工程的设备安装、调试和验收已经在2 0 0 0 年夏天完成并投入 商业运营共采用了1 台交换机，6 台基站控制器和2 6 0 个基站，目 前正在安装调试g p r s 网络。随后，瑞士、德国、荷兰、法国、西班 牙、匈牙利、美国等相继建设了自己的g s m r 系统。另外，中国、 芬兰、挪威等国家也开始对g s m - r 进行招标或商业咨询。 北京变通大学硕士论文 第1 章概述 1 1 2 国内g s m r 的发展 我国铁路移动通信从2 0 世纪6 0 年代开始，设备不断发展，制式 不断完善，至今已形成铁路全网的规模，成为保障铁路运输安全生产 的重要手段。截至2 0 0 2 年底，我国铁路运营里程已达7 1 5 0 0 k m ，位 居世界第三位，预计到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程达到9 万公里左 右。在这样庞大的铁路交通运输网中，要想大幅度提高铁路复线率、 电气化率、自动闭塞比重，实现主要繁忙干线客货分线运输，只有放 弃原有铁路模拟通信制式，选择一种新的铁路数字移动通信技术。 我国从1 9 9 4 年就开始对专用移动通信技术跟踪研究，当时的重点 是对g s m r 和t e t r a ( 陆上集群无线电通信) 系统进行比较选择，支 持两种不同制式的研究者们在此期间发表各自的论点和论据，集思广 益进行讨论，并经过了长时间的调研和考察。由于g s m r 具有适应 铁路运输特点的功能优势，成熟的技术优势以及符合通信信号一体化 技术发展的需要，更重要的是g s m r 支持铁路移动通信的可持续发 展，因此最终在2 0 0 0 年底确定将g s m r 作为我国铁路未来发展的方 向，之后基于g s m _ r 的各种铁路特色业务的开发，如无线列调、中 国列车监控系统c t c s 、g p r s 等在各大科研院所纷纷开展，并取得 了相当大的成果。g s m r 也在2 0 0 3 年下半年获准了频段的使用。 更令人兴奋的是，青藏线格尔木一不冻泉段g s m r 试验网于 2 0 0 4 年1 1 月取得了功能测试的圆满成功，其中包括网络设备和应用 终端功能的测试。另外，重载运煤专线大秦( 大同一秦皇岛) 线也即 将在2 0 0 5 年全线开通g s m r 系统。这标志着g s m - r 的研究应用已 经从实验室模拟走向铁路实际应用，即将带来我国铁路通信事业质的 飞跃。 北京交通大学硕士论文 第l 章概述 1 2电路数据业务在g s m r 系统中的重要性 g s m r 是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统，它 基于g s m 的基础设施及其提供的语音调度业务( a s c i ) ，其中包含增 强的多优先级预占和强拆( e m l p p ) 、语音组呼( v g c s ) 和语音广播 ( v b s ) ，并提供铁路特有的调度业务，包括：功能寻址、功能号表示、 接入矩阵和基于位置的寻址；并以此作为信息化平台，使铁路部门用 户可以在此信息平台上开发各种铁路应用。图1 1 为g s m r 系统的 业务模型层次结构图。 铁 路 应 用 铁路基本业备 噩圈国 语音调度业务陋。a ， 三三i i i 二 夏至至；： 二夏i i i 图l lg s m r 系统业务模型示意图 专门为铁路服务是g s m r 明确的发展目标，其标准、技术、设备 在铁路上的应用得到欧洲许多国家的验证，符合高速铁路、普通运输 的需求。g s m r 具有适应铁路运输特点的功能优势，成熟的技术优势 以及符合通信信号一体化技术发展的需要。下面给出能使得铁路通信 4 北京交通大学硕士论文 第l 章概述 系统投入经济运行并已经实现的应用。其中部分应用解释如下： 区间移动通信：代替区间通话柱，满足紧急救援、应急抢险通信 指挥的需要，灵活方便。同时实现区间作业人员的移动通信。 尾部风压检测：尾部风压状态由车尾的移动设备装置获取，通过 g s m r 网络传输数据信息，机车司机随时可以查询、反馈车尾工作状 态。这种方式的优点体现在：在复线区段或临线，追踪列车之间不会 相互干扰；在隧道内也能传输。 列车自动控制( a t c ) ：车一地之间的信息传输通道采用是双向无线 通道。地面控制中心或基站所发出信号由列车上的天线接收。基于 g s m r 传输平台，提供车一地之间双向安全数据传输通道。准确的定 位由g p s 或其它的定位服务经g s m r 传输获得，a t c 将最终代替现 有的信号和列车控制系统。 旅客业务：旅客业务不是铁路运营所必需的，但能增加旅客的舒 适性。如购票服务、预定服务、时刻表信息以及与公网通信等。 我们不难看出，其中尾部风压监测、列车自动控制和旅客业务都 必须以g s m - r 系统的数据业务为基础，包括电路交换型数据业务和 分组交换型数据业务( g p r s ) 。其中电路交换型数据业务对列车的自动 控制举足轻重，因为具有更好的实时性，符合列车自动控制的需要， 是g p r s 暂时所无法取代的。 1 3 论文的主要内容 以上给出g s m - r 的发展概况，对g s m r 与公众g s m 的不同之 处做了比较，凸现出g s m r 作为应用于铁路的专用移动通信的特殊 之处以及电路数据业务在g s m r 系统中的重要地位，为下面电路组 播功能的研究和实现做了铺垫。 论文的第二章主要是对g s m r 数据业务做介绍。首先了解一下 北京交通大学硕士论文第1 章概述 电信业务及其分类，回顾g s m 数据业务的发展过程。然后重点对电 路交换型数据业务传输的一般原理和业务的实现过程作了重点分析。 论文第三章提出了一种基于电路交换实现数据组播业务的系统方 案。方案基于结构简单，数据传输安全可靠、实时性强的原则来设计， 新增了数据应用节点和g s m r 数据通信终端等专用设备。本章对方 案的编组过程的实现和通信链路可靠性的保证做了重点论述和分析。 论文的第四章提出了种适合于小区沿铁路线分布情况的新邻小 区表设计方法，并设定一个预存储邻小区表，此表中存放了两个邻小 区的切换参数。同时还提出了一种新的目标小区确定法，当移动台的 运动速度达到某个固定值后，越区切换的选择过程将变得更加简单， 减少了越区切换的时间。在通常情况下，功率估计作为切换原因的机 会可以达到6 0 以上，并且业务切换和提前切换均要以功率估计切换 为前提，因此它是一种非常重要的切换方式，在本章的最后对这种切 换方式进行了详细分析。而基于功率估计的提前切换策略是解决高速 移动台越区掉话的一个亮点，在g s m r 中，除了可以采用减少测量 数据，提前获得切换决定的方法外，本文还提出了一种基于移动台运 动速度来实施提前切换的方法，这两种方法的共同特点均体现在进一 步减少b t s 预处理过程的时间消耗。 论文的第五章针对大秦( 大同一秦皇岛) 线正在实施的列车同步 操控系统做了全面的分析论述，这是对电路交换型数据组播业务的具 体应用。其系统结构简单，逻辑清晰，与g s m r 网络相对独立。有 利于互联互通的实现，能够在不同的g s m r 设各供应商的网络中运 行：有利于标准化，比较适合于我国国情，并且与e t c s c t c s 发展 方向致；有利于对列车操控系统的各部分进行安全认证确保系统 安全运行。 e 京交通大学硕士论_ 文 第2 章g s m r 数据业务介绍 第二章g s m r 数据业务介绍 2 1g s m 数据业务的发展 g s m 移动通信系统最初提供的业务主要是话音业务，数据业务只 是作为话音业务的补充，一直没有得到重视。但是随着个人移动通信 的日新月异，以i n t e m e t 为代表的信息化社会的来临，人们迫切希望 得到更多、更好的移动数据业务这迫使g s m 不断向前发展和改进， 以期为用户提供业务种类多样具有不周业务质量的功能强大的服务。 g s m 数据业务的发展大致经历了以下几个阶段：第一阶段，低速 电路交换数据业务；第二阶段，高速电路交换数据业务h s c s d ：第三 阶段，通用无线分组交换业务g p r s ；第四阶段，增强数据速率业务 e d g e ：第五阶段是3 g 业务。 2 1 1 电信业务及其分类 我们首先了解一下电信业务及其分类，g s m 提供的业务可分为2 大类：电信基本业务和补充业务，而其中基本业务又分为承载业务 ( b e a r 盯s e n r i c e ) 和用户终端业务( t e l e s e n r 记e ) ；承载业务提供在用户之 间实时传递信息( 语言、数据、图像等) 的手段，而不改变信息本身的 内容。它定义的是对网络功能的要求，并且由网络功能来提供这类业 务，而这种网络功能是由承载能力来定义的。承载业务只在乎传输信 息所需的承载能力，并不在乎端到瑞传输的是何种电信业务网络可 根据用户需求定义新的承载业务。 用户终端业务既包含了网络承载能力，又包括了终端能力，它把 传输功能和信息处理功能相结合起来，应用承载业务来传输数据。终 北京交通大学硕士论文 第2 章g s m r 数据业务介绍 端能力定义的是终端的属性，包括高层兼容性( h l c ) 和低层兼容性 ( l l c ) 。用户终端业务主要有话音、传真和短消息等。 图2 1 描述了用户终端业务和承载业务在g s m 网络中的定义和功 能。 图2 1承载业务和用户终端业务 2 1 2 电路交换型数据业务 通常我们提到数据业务时，是指承载业务和用户终端业务中的非 话音业务( 比如传真) 。6 s m 第一阶段提供的数据传输速率最高为 9 6 k b i t ，s ，属于低速电路交换无线数据业务，它包括透明和非透明两 种传输方式。其中透明方式传输精确度较差，但速度快，适合要求速 度较快但精确度不高的需求。非透明方式传输精确度高，数据传输过 程中除了前向纠错编码外，还要通过无线链路协议( r l p ) 进行控制， 不合格的帧需要重传，故而传输速度较慢。 为了解决数据传输速率的瓶颈限制，g s m 的第二阶段，在低速电 路数据交换的基础上，提出了高速电路交换数据业务h s c s d ，通过改 进编码调制方式使得一个时隙的传输速度从9 6 k b i t ，s 提高到 1 4 4 k b i t ，s ，并且它还允许几个时隙同时传送一路数据，理论上可达 1 1 5 k b i “s 。h s c s d 仍是基于电路交换，但它更适合实时性高的应用， 如高速传真，缺点是信道利用率低。 北京交通大学硕士论文 第2 章g s m - r 数据业务介绍 2 1 3 分组交换型数据业务g p r s g s m 数据业务的第三阶段是通用无线分组交换业务g p r s ，它为 g s m 引入了分组交换传输技术，具有无线资源利用率高、接入速度快 的优点，最高速率可达1 7 1 k b s ，并且有多种服务质量，可以灵活支 持多种数据应用。它的一大优点是可以灵活配置网络资源，用户只在 有数据传送和接收时才使用无线资源。因此g p r s 技术，在一个小区 内的上百个用户可以分享带宽，多个用户可以共享一条无线信道。用 户还可以一直连接在网络上，享受到永远( a l w a y so n 1 i n e ) 的服务，只 按实际传送的数据量计费，而不是按在线时间计费。 g p r s 是一种新的g s m 承载业务，利用在公用陆地通信网与外部 网络互通的内部网提供分组模式传输，它不妨碍用户的其他g s m 业 务。 2 2 g s m r 系统中电路交换数据业务 g s m r 系统中电路交换业务的实现也是遵循g s m 的相关规定， 在实现原理和方法上并无大的差异，但其具有更广泛的应用，在网络 q o s 的要求上也高于g s m 系统。 铁路的特殊环境要求g s m r 系统能够提供丰富的数据业务，为了 实现不论开展何种数据业务，在g s m r 网内传输数据的方式是一致 的目标，g s m r 在网络的两端分别设置了终端适配功能和互联功能两 个功能单元。如图2 2 所示，位于g s m 和外部网络边界的适配功能 叫“网络互联功能”一i n t e r w j r k i n gf u n c t i o n ，简称1 w f ；完成终端与 通用g s m 无线传输单元之间的适配功能单元，称为终端适配功能一 t e 珊i n a la d a p t a t i o nf u n c t i o n ，简称t a f 。所有的用户信息，在g s m p l m n ( 公共陆地移动网) 段都体现为v1 1 0 格式。在t a f 和i w f 中， 再转换成终端或终端网络要求的数据格式。 北京交通大学硕士论文第2 章g s m r 数据业务介绍 图2 2g s m 与其他网络互连方法 1 i a f 、1 w f 是p l m n 的两端的接入点。整个数据传输的结构可分 为3 个层次来分析，如图2 3 。端到端的业务，分为一般的数据业务 和列控数据业务。t a f i 、v f ，担负着p l m n 和其它网络之间的网络适 配，为端到端的业务服务：通用的g s m 传输层，负责g s m r 内部的 传输。其中u 心的功能，已经在移动台和终端一侧得以实现，对于 m s c v l r 来说，任务是实现1 w f 功能，与t a f 一起完成网络间的适 配。 彦他网络 。o “傍 g s m r 网络 一一一一 一一专 端端传输平面 内部1 a f r w f 平面 通用g s m r 传输平面 图2 3r w f 业务平面 i 、v f 既可以设置在m s c 之外，也可以和m s c 集成在一起，作为 m s c 的内置功能模块，i 、v f 对外的连接，根据外部网络如p s t n 、 i s d n ，p s p d n 等的不同特点有不同的处理方式。 1 0 北京交通大学硕士论文 第2 章g s m - r 数据业务介绍 2 2 1电路数据业务传输的一般原理 2 2 1 1 业务接入模型 g s m r 系统与g s m 相同，其网络的业务接入参考如图2 4 所示。 根据应用隋况，m s 可由m t 、t e 和t a 构成，m t 可分为三类：m t 0 、 m t l 和m t 2 。m t o 集成了业务终端，m t l 和m t 2 分别提供s 接口和r 接 口，用于i s d n 终端( t e l ) 和v 系列或x 系列终端( t e 2 ) 的接入。 2 2 1 2 速率适配 图2 4g s m r 网络业务接入参考图 g s m 网络在用户侧( m t 和t e 间) 和网络侧( m s c 和固定网间) 分别 设置了终端适配功能( t a f ) 和互连功能( 1 w f ) ，用于用户信息流的速率 适配和信令适配，这样可减少g s m 网络内部传输设备数量，简化功能。 图2 5 为g s m 网络用户信息速率适配过程，其中r a 0 、r a l 、r a 2 功能 与c c i t t v l l o 建议相同，r a l 、r a l ”、r a a 和r a l r a l 功能为g s m 特有。 北京交通大学硕士论文第2 章g s m r 数据业务介绍 t e k t a f ；一b s s + i m s c ，i 、v f 注：r a 0 仅在异步终端接入时起作用 r a ”和m u x 仅用于多信道传输 图2 5g s m r 网络的速率适配 2 2 1 3 传输模式 数据业务传输对误码率的要求通常比话音业务高，g s m 网络为数 据业务提供了以下两种传输模式，以满足不同时延和误码率要求的用 户需求； ( 1 ) 透明模式( t 模式) 透明模式下信息流通过无线信道时仅由无 线信道传输方案提供的前向纠错机制完成纠错，t | 盯和1 w f 间的路径 可看成为同步电路，两者之间有固定的吞吐量和传输时延，但误码率 不定，采用t 模式在传输速率较低情况下能得到较好的传输效果。表 2 l 为典型的城市信道环境下不同传输速率信息使用t 模式时的误码率 情况。 ( 2 ) 非透明模式( n t 模式) 除了由无线信道传输方案提供的前向 纠错机制外，该模式在n 师和i w f 间使用了差错重发机制，当另一端 未能正确收到本端发送的信息时，本端重发该信息，在n t 模式下，t a f 和1 w f 间的信息传输可看作为分组数据流，其吞吐量和传输时延随无 线信道传输质量情况而变化，但残余误码率要大大优于t 模式。表2 2 为不同数据连接类型下业务传输质量和时延情况。 北京交通大学硕士论文第2 章g s m r 数据业务介绍 表2 1不同速率数据经过t 模式传输后误码率情况 用户速率尢! 翥佰退避半残余误码率 9 6 k b i 廿，s1 2 k b i “s3 l o 。 4 8 k b i t ，s6 k b i “s 1 l o - 4 2 4 k b i t s 3 6 k b i “s l x l o 5 作为一种分组传送方式，n t 模式必然涉及两个关键技术：一是t a f 和1 w f 间的无线链路规程协议( 砒，p ) ，它负责信息的差错检查和重发； 另个是信息的流量控制，它有三种方式：端一端控制、反压式控制 和r l p 接收未准备好控制。 表2 2 不同连接类型下业务传输质量和时延 名称 服务质量 时延( t a f 1 w f ) t c h 9 6 ，t 低约3 3 0 m s t c h 9 6 ，n t 离 3 3 0 m s t c h 4 8 ，t 中等约3 3 0 m s t c h 2 4 ，t 中等约2 0 0 m s 2 2 2 数据业务的实现 2 2 2 1 数据呼叫的信令处理过程 建立数据业务的呼叫要求很多信令来支持，如移动用户到公用陆 地移动网( m s m s c ) 、公用陆地移动网内部( m s c ，v l r ，h l r l 和公用 陆地移动网到i s d n 或其他网络间的信令。作为g s m 网的实体，m s c 、 访问位置寄存器( v l r ) 、归属位置寄存器( h l r ) 将完成以下功能。 1 业务信息的相应转换 在数据业务的呼叫建立过程中，公用陆地移动网和i s d n p s t n 互相交换各自的数据业务信息来表明所要求的数据通信业务类别，因 此对于m s c ，v l r ，h l r 不但要识别收到的业务信息，而且要转换 成相对其他网络的业务信息。例如m s c 收到移动用户的业务信息后， 转换成相对应i s d n 的业务信息传送到i s d n 网去。 北京交通大学硕士论文 第2 章g s f r 数据业务介绍 2 网络设施检验 这是指m s c ，v l r 检查是否支持所要求的数据业务，如果不支 持则终止本次呼叫。 3 一致性检验 这是对收到业务信息的内容和参数进行检查，看是否正确或互相 矛盾。如果一致性检验失败，此呼叫被拒绝。 4 可行性检验 可行性检验是检查此用户是否允许使用所要求的数据业务。一般 用户的业务权限由网络运营者在h l r 里定义。 图2 6 是一个从i s d l n 用户到g s m 用户数据呼叫的信令接续流 程。 i a m ：初始地址消息v m s c ：访问移动交换中心g m s c ：关口移动交换中心 图2 - 6 数据呼叫的信令接续过程 ( 1 ) 关口移动交换中心( g m s c ) 收到从i s d n 网来的一条要求建立 呼叫的初始地址消息( i a m ) 。其中包括被叫号码和业务信息。 ( 2 ) g m s c 对业务信息进行一致性检验并形成g s m 的业务信息， 再送h l r 查询被叫地址。 ( 3 ) 且开始进行可行性检验，检查用户是否具有此项业务功能， 1 4 北京变通大学硕士论文 第2 章g s m r 数据业务介绍 如有，到v l r 去要漫游号码。 ( 4 ) v l r 完成设备检验并送回漫游号码。 ( 5 ) h l r 将漫游号码送给g m s c 后，g m s c 建立到访问移动交换 中心f v m s c l 的呼叫。 ( 6 ) v m s c 把收到的业务信息转换成相应的g s m 的业务信息，再 通过基站寻找移动用户。 ( 7 ) 当收到移动用户的响应后，v m s c 要求移动用户提交g s m 业 务信息。 ( 8 ) 当收到移动用户的g s m 业务信息后。v m s c 进行一致性检验。 ( 9 ) v m s c 选择1 w f 设备来处理来自i s d n 用户数据流。 ( i o ) 呼叫应答后，从i s d n 用户到g s m 用户的数据连接正式建立， 1 w f 开始工作。 以上介绍了数据通信业务在g s m 数字移动通信网内的原理和实 现方法。 2 2 2 2 数据在g s m 网内的传输过程 在g s m 网中，移动终端用户数据需经过系列速率适配和协议 处理后，传至移动交换机( m s c ) ，m s c 中的1 w f 控制m o d e m ，将用 户数据调制后送至其他网( 如：p s l n 等) 。图2 7 和图2 8 以9 6 k b i t ，s 异步用户数据非透明传输为例，分别画出用户数据的传输过程及其速 率变化。在g s m 规范中，通常把t e 、w 旺、m t ( 移动终端) 合称为 m s 。r 接口是v 系列或x 系列接口。从图2 7 可以看出，t a f 与i w 下 是两个对等实体，它们除完成相应速率匹配功能外，还共同实现第二 层字符传递协议( l 2r c o p ) 和无线链路协议( r l p ) 功能。d 和d 表示用 户数据s 表示状态比特，r a l 、r a l r a l 、r a l 和r a 2 都是速率 北京交通大学硕士论文 第2 章g s m r 数据业务介绍 适配模块。 r 接口 无线接口b s s m s c 接口 执行终端： 终端适配功能； 基站系统； 移动交换中心7 设备 i + 移动终端 网络互联功能 异步 b k 刁 传递坍议 氏_ 7 _ 丫 一 i i r 吖 卜蘸圭。蕊 图2 79 6 k b i t ，s 异步用户数据非透明传输过程 9 6 k b i “s 1 2 k b i “s 1 2 k b i 以 1 6 k b i “s6 4 k b i 以 用户数据 图2 89 6 k b i t ，s 异步用户数据非透明传输速率变化 通过r 接口，将用户数据从t e 传至t a f ，l 2 r c o p 功能模块将 用户数据和表示接口状态的状态比特整理成一定的格式，送交r l p 单 元。r l p 协议类似于h d l c 数据链路规程，将2 0 0 b i t 的用户信息加上 1 6 b i t 的帧头和2 4 b i t 的f c s 校验位，形成2 4 0 b i t 的r l p 帧，再送至 r a l 功能模块。r a l 将此_ p 帧分成4 个6 0 b i t 的v l l 0 帧，并保证 每2 0 m s 送至无线信道接口一次，形成1 2 k b i “s 无线信道接口速率。基 站( b s s l 从无线信道接口收到1 2 k b i 以的用户信号后，进行r a l ，r a t 变换，即加入1 7 位同步码和3 位状态码，将6 0 b i t 的v 1 1 0 帧变换为 8 0 b i t 帧，用户速率为1 6 k b i _ c s 。再进行r a 2 模块处理，1 6 k b i “s 码流 1 6 北京交通大学硕士论文 第2 章g s m r 数据业务介绍 依次占据每一字节前两个比特，其余比特置1 ，形成6 4 k b i 佻码流。 m s c 从b s s 收到用户数据后，送至i w f 进行处理，处理过程是 正和b s s 处理过程的逆过程。r a l 处理过程加上r a l ，r a l 处理过 程等效于r a l 处理过程，因此1 w f 完成的速率适配功能应是r a l 与 r a 2 ，然后再完成r l p 协议单元与l 2r c o p 协议单元功能。这样， 移动终端的用户数据在1 w f 中得到恢复，然后1 w f 再控制m o d e m ， 将数据调制后送至其他网( 如：p s t n ) 。 以上是非透明业务的传输过程，透明传输时，无需l 2r c o p 和 r l p 协议处理，图2 7 中d 比特对应s 比特。 北京交通大学硕士论文第3 章基于电路交换实现数据组播整体方案 第三章基于电路交换实现数据组播方案 3 1 数据组播概念介绍 组播技术属于i n t e i t l e t 中的技术，是t c p i p 传送方式的一种。组 播技术可形象的描述如下：假设一个企业分布于各地的子公司( 两个 以上) 之间需要通过i n t 锄e t 进行实时的交换信息( 数据，声音，图像) ， 他们的计算机可能不属于同一物理网络，甚至不属于同一自治系统， 子公司发出的数据希望其他子公司都能收到，而总部发出的指示全体 子公司都应收到，这种通信的特点是“多点”式的。这种多点通信方 式为组内广播，即组播技术，也称多播技术。 组播是一种允许一个或多个发送者( 组播源) 发送单一的数据包 到多个接收者( 一次的，同时的) 的网络技术。组播源把数据包发送 到特定组播组，而只有属于该组播组的地址才能接收到数据包。组播 可以大大的节省网络带宽，因为无论有多少个目标地址，在整个网络 的任何一条链路上只传送单一的数据包。它提高了数据传送效率。减 少了主干网出现拥塞的可能性。组播组中的主机可以是在同一个物理 网络，也可以来自不同的物理网络( 如果有组播路由器的支持) 。 而本文中所提到的组播技术是对i n t e m e t 中组播概念的借用，它 是依服于g s m r 网络的电路交换来完成一点对多点的数据传输功能， 与i p 组播技术在概念上有相似之处，我们也可以称其为数据会议桥。 同样，它完成一个发送者发送数据包到多个接收者( 同时的) 。它也 存在编组的概念，发送者属于某一特定数据组，而只有属于该组的成 员才能接收到数据包。 北京交通大学硕士论文 第3 意基于电路交换实现数据组播整体方案 3 2 组播功能实现方案介绍 g s m r 系统中电路数据的组播功能是一种新的业务，由铁路的特 殊需要提出的，尚未有相应的标准，需要我们根据实际需求设计新的 系统，方案的设计中我们遵循了力争结构简单，数据传输安全可靠、 实时陡强的原则。 3 2 1方案结构 审。：；卑蹦电。庠l 回国圈圆 图3 1 实现组播功能方案结构框图 电路数据组播功能的实现，依服于g s m r 系统新增了数据应用 节点设备和g s m r 数据通信终端，如图3 1 所示。其中，数据应用 节点为功能实现的关键设备，主要负责数据通信终端的编组过程并保 存组i d ，同时完成数据的组播功能，与外部g s m r 网络采用标准的 p i u ( 3 0 b + d ) 接口相连：g s m r 数据通信终端为实现组播功能的专用 终端设备，与数据应用节点配合实现电路连接和数据传输的高可靠 性。生成应用数据的应用终端和数据通信终端间的接口灵活，可以为 串口( 如：r s 2 3 2 ) 或u s b 口等。 这种结构主要是考虑到大秦( 大同一秦皇岛) 线重载列车实现多个 北京交通大学硕士论文 第3 章基于电路交换实现数据组播整体方案 机车之间同步操作的实际需要，并考虑到系统的通用性设计完成的， 其结构简单，逻辑清晰，与g s m r 网络相对独立。有利于互联互通 的实现，能够在不同的g s m r 设备供应商的网络中运行。 3 2 2 系统节点功能 数据应用节点担当的是服务器的功能角色，是完成组播功能的核 心设备，也是整个系统能否正常运行的保证，必须保证其安全可靠的 运行，实际工程设计中采用冗余备份，内部结构如下图3 ，2 ；数据通 信终端是为实现组播功能专用的终端设备，不仅具有一般通信模块的 功能，而且具有加入保证数据链路安全可靠的特殊机制，需要重新开 发。 图3 2 数据应用节点内部结构框图 应用节点和通信终端的具体功能分述如下： 数据应用节点功能： 通信电路连接控制，可以拆除数据组并断开与相应数据通信 终端的电路连接； 通信电路监视，和数据通信终端保持周期性的查询，实时监 视每个在线数据终端的电路连接状态： 通信电路保持，保护数据应用节点和通信终端的电路连接； 编组信息存储，存储已注册的数据组信息，包括组i d 、组成 北京交通大学硕士论文 第3 章基于电路交换实现数据组播整体方案 员个数、组成员m s i s d n 号码等： 数据组播，完成同一组内数据通信终端间数据一点对多点的 传输功能； 数据记录和查询，记录应用节点处理过的数据。 g s m - r 数据通信终端功能： 通信电路建立，数据通信终端发起与数据应用节点数据电路 连接： 通信电路监视，和数据应用节点保持周期性的查询，实时监 视同应用节点的电路连接状态； 通信电路保持，通信电路意外断链后，数据通信终端会自动 重新发起对数据应用节点的连接： 数据传送，可靠的传输应用数据。 3 3 编组过程的研究与实现 数据通信单元连接数据应用节点成功后，启动数据组播前必须要 进行编组，编组即是将数据通信终端组合的过程，每一数据组用组i d 来标识。具体有两种方案来实现： 方案一： 数据应用节点配备数据组i d 寄存器( 即图3 2 中的编组控制单 元) ，其中预先存储了合法的组i d ，在实现组播前，数据通信终端由 下面两个步骤来完成编组过程： ( 1 ) 首先，与数据应用节点建立起可靠的电路连接； ( 2 ) 然后，注册组成员。在与数据应用节点建立起电路连接后， 数据通信终端传送想要注册为其组成员的组i d 号给数据应用 节点，发起对某相应数据组注册成员过程。应用节点接收 北京交通大学硕士论文 第3 章基于电路交换实现数据组播整体方案 到此组i d ，如果i d 合法，即将该通信终端加入到相应的数据 组，回复注册成功确认，同时并将当时的新组信息发送给组 内的各个成员( 包括此新加入的) 。否则，如果组i d 非法， 则回复注册失败确认信息。 方案二： 数据应用节点也配备组i d 寄存器( 即图3 2 中的编组控制单元) ， 其中并不预先存储台法的组i d ，组i d 是由数据通信终端动态注册完 成的，但组i d 的命名要具有一定的规则。在实现组播前，数据通信 终端由下面两个步骤来完成编组过程： ( 1 ) 首先，与数据应用节点建立起可靠的电路连接； ( 2 ) 然后，注册组成员。在与数据应用节点建立起电路连接后， 数据通信终端传送想要注册为其组成员的组i d 号给数据应用 节点，发起对某一相应数据组注册成员过程。应用节点接收 到此组i d ，首先检查组i d 命名是否合法，如果不合法，则回 复通信终端m 不合法确认信息。在i d 命名合法的情况下， 再检查此数据组是否存在，如果不存在，则依据此组i d 建立 相应的数据组。否则，如果存在，那就同方案一的步骤( 2 ) 过 程相同，将发起注册的通信终端加入对应的数据组。 从以上的编组过程，可以看出两种方案步骤大致相同。区别在于 数据组i d 的确定方案二相对灵活，但用户可以注册符合命名规则 的任何数据组，对于数据组的安全管理不方便。方案一数据组i d 已 经固定，编组时需注册合法的组i d ，这样虽灵活性不足，但有利于数 据组的安全管理。在实际设计中，还需要结合具体的应用来做相应改 动，