（交通信息工程及控制专业论文）机车检测数据无线传输系统的研究与设计.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 为确保列车运行安全，各种检测设备( 例如，轴承检测、出入库 检测等) 和监控装置在各机务段检修部门得到了广泛应用。这些台式 或便携式装置在确保了列车运行安全同时存在着不够完善的地方。突 出的问题是：这些检测设备只解决了数据采集和处理，没有解决数据 的传输和管理。因此，设计一套切实可行的、符合现场需要的机车检 测数据无线传输系统是本文研究的主要内容。 现行数据传输、管理办法是将数据用转储器或i c 卡人工转储， 处理后将处理结果用书面报表的形式送到管理部门进行数据统计和 综合分析。这种方式有以下缺点：1 ，数据的安全性和可靠性差：2 缺乏对操作员的管理：3 工作效率低；4 数据时效性差：5 通用性差。 本文依据郑州铁路局的具体要求，在对机车检测数据无线传输系 统的应用背景和理论基础进行研究的基础上，提出了基于g s m 短消息 的机车检测数据无线传输系统整体设计方案。然后，依据整体设计方 案，提出了系统软硬件设计原则，介绍了系统硬件的结构和实现方法。 最后，本文重点介绍了系统软件的构成和实现方法。在这部分中，研 究了系统软件的设计原则；介绍了用户界面模块、通信服务模块和数 据库模块；设计了系统软件外部接口。特别对系统实现中的三大关键 技术：串口触发、关系数据库的应用和数据的发送和接收作了重点介 绍。 通过对机车检测数据无线传输系统的试验室试验和现场使用，该 系统符合郑州铁路局的要求，为解决机车检测数据的传输和管理提供 了一种实用而有效的方法。 关键词 机车，检测数据，无线传输，短消息 堡主兰些垒塞 塑墨 a b s l 琢a c t d e e p l yo ft h er a i l w a ys p e e di m p r o v e m e n tp r o c e s s ，al o to f s e r v e r s s y s t e m s f o r t r a i np r o d u c em o r e q u i c 心ya n d m o r e p e r f e c t ly a tt h i st i m e ，a 1 0 to fp r o b l e m sb r i n go u t ag r e a tn u m b e r o fd a t am u s t t r a n s p o n a n ds a v e b yp e o p l et h e m s e l v e s 1 h i sw a y i sn o ta c c o r dt ot h ee v 0 1 u t i o no ft h et i m e s s o ，i ti sar e q u e s ti m m i n e n t l y o ft h er a i l w a yd e p a r t m e n tt od e s i g n i l l gt m i n d a t aw i r e l e s st r a n s p o r ts y s t e m i nt h i sp a p e r ，w eb r i n gt h ep r o j e c to ft h el o c o m o t i v ed a t aw i r e l e s s t r a n s p o r ts y s t e mo u tt o e x a l t a t i o nm a n a g e m e n to fr a i l w a yd e p a r t m e n t f i r s t ，w ea n a l y z em a n y m a n n e r so fm o d e mw i r e l e s sd a t at r 锄s p o r ts y s t e m s e c o n d ，w ea n a l y z e t h eg s ms m s t e c h n o l o g y b y t h ew a y ，w e b r i n go u t t h ep r o j e c to ft h el o c o m o t i v ed a t aw i r e l e s st r a n s p o r ts y s t e m a t1 a s t ，w e b r i n gu pt h eo ft h ep r o j e c ta n di n t r o d u c et h em e a n i n gh o w t os o l v et h e i m p o r t a n tq u e s t i o n o f s y s t e m u s i n gt h i sm e a n i n g ，w es 0 1 v e t h ep r o b l e mo ft h e t r a n s p o nf r o m g e t t i n gt om a n a g i n g c o n t r a s t t om e a n i n gn o w ，r a i l w a yd e p a r t m e n tg e ta g r e a ti m p r o v e m e n t o f e f n c i e n c y a n dr e a l i z et h ea i mo ft h e r a i l w a y d e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：l o c o m o t i v e ，a n a l y z ed a t a ，w i r e l e s st r a n s p o r t ，s m s 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是木人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 其同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：壅塾垄望日期：丛年二白兰日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，b | j ：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 名：粤铷签短吼丛心兰日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着提速进程的不断深入，各种为机车运行安全服务的检测系统和监控系统 得到广泛应用。同时也产生了新的问题，大量的检测和监控数据必须人工采集、 传送到地面相关部门进行处理，处理完的数据有一些还要以报表的形式传送到管 理部门保存。现有的人工方式存在数据的安全性和可靠性差、缺乏对操作员的管 理、工作效率低、通用性和数据时效性差的缺点。因此，现场迫切需要设计一套 切实可行的机车检测数据无线传输系统。 设计机车检测数据无线传输系统的目的是：通过针对已有数字信息采集设备 所具备的硬件条件和信息类型，以及现有机车信息数据库结构和接口的研究，开 发一种通用的，能和现场已有检测、监控设备和管理数据库进行无缝链接的机车 检测数据无线传输系统，解决从采集到管理这一环节中存在的问题。从而取代现 行的人工采集、填表、递送的办法，保证数据的安全性和可靠性，建立对操作员 负责制管理，减少人为因素的影响，提高了管理水平。同时，降低工人劳动强度， 提高了生产效率。 1 2 本课题重点研究内容与进展状况 根据郑州铁路局的要求，通过对现场调查与论证，对机车机车检测数据无线 传输系统提出了如下具体要求：应采用无线传输方式；信息传输距离比较远、环 境复杂：信息类型基本为文本，不同信息类型采取不同的传输模式；对信息传输 的安全性、可靠性要求高；系统应实现双向、全天候工作。 研究的主要内容为： ( 1 ) 系统背景、现状和需求分析，确定无线传输方案。 ( 2 ) 通过对g s m 技术的系统组成、系统协议、通信语言、交换机制的研 究，获得短消息模式下数据双向传输的实现方法。 ( 3 ) 设计系统硬、软件结构。利用面向对象编程语言开发工具d e l p h i 实 现系统短消息模式下数据双向传输以及辅助功能。运用s q ls e r v e r 2 0 0 0 实现数 据库管理，建立c s 结构的机车检测数据库。 ( 4 )实验室仿真现场操作和现场试运行，实现本文研究目的。 针对具体要求我们做了以下研究工作。首先，对机车信息采集、传输、管理 的应用背景和我国应用现状的研究，包括各类数字化信息采集、检测设各的功能 硕士学位论文第一章绪论 和结构进行了解，掌握现场一手资料。其次，对蓝牙技术、红外线技术、无线电 数据传输技术、g s m 数字蜂窝移动通信技术的研究和分析。选取g s m 技术作为机 车检测数据无线传输系统解决方案的理论基础。对短消息技术的系统组成、网络 结构、系统协议、通信语言、交换机制、实现方法的研究。确定了机车检测数据 无线传输系统整体设计方案，依据方案进行系统软、硬件设计。其中包括：系统 硬件设计( 机车信息采集发送端和接收处理端理论基础、设备类型、组网结构、 工作原理的研究) ；系统软件设计( 包括开发工具使用，管理平台软件结构、功 能设计，接口理论及应用，短消息软件实现方法，数据库体系结构、功能与向上 链接设计与实现) 。最后，通过实验室仿真( 应用d e l p h i 开发系统管理平台，实 现对机车检测数据发送、接收、存储功能。应用s q l 语言开发机车信息数据库， 实现机车数据的查询、编辑等管理功能。建立在这两个系统软件的基础上，实验 室仿真现场操作) 和现场试验( 通过将整个系统安装到现场，运行一段时间，解 决系统软、硬件方面的问题，完善系统) ，达到系统方案中的设计功能，实现研 究的目的。 通过对g s m 技术中的短信息技术的研究，提出了一种机车检测数据无线传输 方案，结合数据库的应用，实现了对现有机车信息数字化设备采集的数据统一传 输和管理。经过近一年的开发和调试，现已初步实现设计要求，完成实验室仿真， 下一步将投入现场进行试用。 1 3 论文的内容安排 论文将用六章的内容，全面、详细介绍机车检测数据无线传输系统的理论基 础、设计原理、开发过程。 第一章绪论。主要讲述机车检测数据无线传输系统的应用背景，以及论文 内容安排。 第二章机车检测数据无线传输系统基础理论研究。介绍g s m 短消息技术的 组成、网络结构、实现方式等相关内容。 第三章机车检测数据无线传输系统研究。提出系统方案的设计原则。依据 原则比较选取了基于g s m 短消息技术的无线发送方案。最后，对系统检测端、服 务器端硬件功能以及整个系统软件功能进行描述。 第四章机车检测数据无线传输硬件系统。介绍系统硬件设计原则以及g s l l 模块的内部结构和性能，设计出系统硬件结构。 第五章机车检测数据无线传输软件系统。这一章是整个论文的核心章节。 首先提出系统软件设计的基本原则。然后介绍了系统软件用户界面模块、通信服 硕士学位论文第一章绪论 务模块和数据库模块的性能以及系统软件外部接口设计内容。最后重点介绍系统 软件实现的关键技术，其中包括数据在g s m 无线模块和服务器端计算机之间的串 口触发问题；关系数据库的应用技术；短消息的发送和接收的关键技术p d u 的编码和解码。 第六章结束语。本文的主要结论和有待研究的课题。 硕士学位论文第二章机车检测数据无线发送系统基础理论研究 第二章机车检测数据无线传输系统基础理论研究 2 1 g s m 数字蜂窝移动通信系统 过去的十年是个人移动通信飞速发展的十年。1 9 8 2 年欧洲邮电主管部门会 议( c e p t ) 为开发第二代数字蜂窝移动系统成立了泛欧数字蜂窝移动通信网，简 称g s m 系统。g s m 原意为“移动通信特别小组”( g r o u ps p e c i a lm o b i l e ) 。1 9 8 7 年9 月7 臼来自欧洲十五个国家的电信业务经营者在哥本哈根签署了一项关于在 1 9 9 1 年实现泛欧9 0 0 唧z 数字蜂窝移动通信标准的谅解备忘录( m e m o r a n d u mo f u n d e r s t a n d i n g 一简称m o u ) ，随着设备的开发和数字蜂窝通信网的建立：g s m 逐步成为欧洲数字蜂窝移动通信系统的代名词。g s m 重新命名为“g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ”，成了“全球移动通信系统”的简称。 2 1 。1 g s m 系统概述 8 0 年代以来，世界各国加速开发数字移动通信技术，其中采用t d 姒多址方 式的代表性制式有泛欧g s m d c s l 8 0 0 、美国a d c 和日本p d c 等数字移动通信系统。 从1 9 9 0 年，g s m 第一期规范制定、系统试运行，到现在g s m 第二期规范的使用， g s m 系统得到了快速发展。 g s m 系统的主要特点如下： ( 1 ) 具有开发的接口和通用的接口标准； ( 2 ) 用户权利的保护和传输信息的加密： ( 3 ) 支持电信业务、承载业务和补充业务： ( 4 ) 具有跨国漫游功能： ( 5 ) 容量增大为模拟系统的3 5 倍： ( 6 ) 频谱效率； ( 7 ) 抗干扰能力强，覆盖区内通信质量好； ( 8 ) 只能覆盖宏小区( r 。= o 5 3 5 k m ) 。 2 1 2g s m 系统的基本组成原理 g s m 系统由许多功能单元组成，由图2 1 的系统结构可以看出，整个系统可以 分为三个相互独立的子系统，其中基站子系统( b s s ) 在移动台( m s ) 和网络子 系统( n s s ) 之间提供和管理传输通路，特别是包括了m s 与g s m 系统的功能实体 硕士学位论文第二章机车检测数据无线发送系统基础理论研究 之间的无线接口管理蜘。n s s 必须管理通信业务，保证m s 与相关的公用通信网 或与其他m s 之间建立通信，也就是说n s s 不直接与m s 互通，b s s 也不直接与公 用通信网互通。通过a 接口和u m 接口，m s 、n s s 和b s s 组成g s m 系统的信息传 输实体部分。 m s ：移动台 e i r ：移动设备识别寄存器 0 m c ：操作维护中心 b s c ：基站控制器 m s c ：移动业务交换中心 b t s ：基站收发信台 1 移动台( m s ) v l r ： 来访用户位置寄存器 p d n ：分组交换公用数组网 h l r ：归属用户位置寄存器 p s t n ：公用电话网 a u c ：鉴权中心 i s d n ：综合业务数字网 图2 一lg s m 系统结构 移动台应包括移动台物理设备和智慧部件s i m 卡两部分。是公用g s m 移动通 信网中用户使用的设备，也是用户能够直接接触的整个g s m 系统中的唯一设备。 移动台的类型不仅包括车载台和便携式台，还包括手持台。随着g s m 标准的数字 式手持台迸一步小型、轻巧和功能增加的发展趋势，手持台的用户将占整个用户 硕士学位论文第二章机车检测数据无线发送系统基础理论研究 的极大部分。 s i m 卡是一张有微处理器的i c 卡片，它由c p u 、r a m 、r o m 、e p r o m 及串行通 信单元等部分组成。s i m 卡中装入三类信息：一是存储与卡和持卡者特征有关的 信息，二是g s m 网络操作所需的信息：三是缩位拨号码、网络承载性能、移动台 设备参数、短消息业务信息等。 m s 应具备下述各种功能： ( 1 ) 无线接入g s m 数字移动通信网，并完成各项控制功能。 ( 2 ) 支持各种基本业务( 电信业务和承载业务) 和补充业务。 ( 3 ) 间断接收( d r x ) 和间断发射( d t x ) 。 ( 4 ) 加密，对用户数据和信令单元进行加密。 ( 5 ) 语音编解码和信道编译码。 ( 6 ) 协助b s s 完成a p c 、跳频及各种切换。 ( 7 ) 无线信道速率和用户数据速率之间的适配。 ( 8 ) 支持人机接口( 删i ) 各种功能。 ( 9 ) 呼叫过程的提示。 2 基站子系统( b s s ) 基站子系统是由基站收发信台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 两部分组成。b s s 是g s m 系统与无线蜂窝方面最基本组成部分。它通过无线接口直接与移动台相 接，负责无线发送接收和无线资源管理。另一方面，基站子系统与网络子系统 ( n s s ) 中的移动业务交换中心( m s c ) 相连，实现移动用户之间或移动用户与固 定网络用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。 b s s 的基本功能如下： ( 1 ) 协助m s c 完成地面信道管理。 ( 2 ) 无线信道测量和分配、链路监视、功率控制、跳频管理。 ( 3 ) 无线频道资源指示。 ( 4 ) 信道编解码，对用户数据和用户单元进行加密。 ( 5 ) 码型转换及速率适配。 ( 6 ) 独立完成小区内和同一b s c 内的切换，执行m s c 指令的在b s c 间的切 换。 ( 7 ) d r x 接收。 ( 8 ) d t x 发射。 ( 9 ) 交换功能。将无线信道连接到a 接口p c m 信道，充分利用p c m 中继通 硕士学位论文第二章机车检测数据无线发送系统基础理论研究 道时隙资源。 ( 1 0 ) 空间分集接收。 3 网络子系统( n s s ) 网络子系统( n s s ) 由六个功能单元组成，即移动业务交换中心( m s c ) 、访 问用户位置寄存器( v l r ) 、归属用户位置寄存器( h l r ) 、鉴权中心( a u c ) 、移动 设备识别寄存器( e i r ) 和操作维护中心( o m c ) 。 2 1 3g s m 提供的服务 g s m 数字移动通信系统是一种多业务系统，能提供许多种不同类型的业务。 主要有以下四种： ( 1 ) 电话业务 g s m 数字移动通信系统所提供的业务中，最重要的是电话业务它为数字移动 通信系统的用户和其他所有与其联网的用户之间提供双向电话通信。全世界范围 的任何固定电话用户只要是与公用电信网络相连，就能够与数字移动通信系统内 任何移动用户通话，即使是专用网的用户。随着手机的日益普及，使移动电话成 为人与人最重要的通信手段。同时电话业务还引出了紧急呼叫和话音信箱两项业 务。 ( 2 ) 数字业务 在开始制定g s m 数字移动通信体制时就已经打算按i s d n 的模式提供各种数 字业务，因此，现在g s m 数字移动通信系统的数字业务基本上包括了大部分为固 定电话用户和i s d n 用户提供的数字业务。 根据使用数字业务的对象将其分类为以下几种：与p s t n 用户相连的数字业 务；与i s d n 用户相连的数字业务；g 弧用户之间的数字业务；与分组交换数据 通信网用户相连的数字业务；与电路交换数据通信网用户相连的数字业务。 ( 3 ) 短消息业务 短消息业务( s m s ) 是g s m 系统提供给用户的一种数字业务，也是其核心业务。 短消息业务与语音传输及传真一样，同为g s m 数字蜂窝移动通信网络提供的主要 业务中心完成存储和前转功能，每个短消息的信息量为1 6 0 个a s c i i 字符。传送 短消息业务的控制信道为专用控制信道( d c c h ) 。d c c h 为点对点双向控制信道， 包括独立专用控制信道( s d c c h ) ，快速随路控制信道( f a c c h ) 和慢速随路控制信道 ( s a c c h ) 。短消息业务的传送是在独立专用控制信道( s d c c h ) 或慢速随路控制信道 硕士学位论文第二章机车检测数据无线发送系统基础理论研究 ( s a c c h ) 上进行的。每条消息的传送都是通过短消息业务中心( s m - s c ) ，它是g s m 网络和其他固定或移动网络之间进行数据通信的控制单元。短消息服务是g s m 系统中唯一不需要建立端到端信道的业务。因此，即使移动台已经处于电路通信 状态，还能同时实现短消息业务。g s m 系统提供的短消息业务可以让网络端知道 被叫方是否收到所发的消息。如果传送失败，被叫方没有回答确认消息，网络会 保留所传的消息，一旦网络发现被叫方能够叫通时，就可以重发消息以确保被叫 方能够收到，而且主叫方还能够知道发送是否成功，即具有覆盖范围广、在线保 持后不需再拨号自动传送、费用低廉、稳定性高等优势，特别适用于需频繁远距 离传送小流量数据的领域。短消息业务具体内容在下节中详细介绍。 ( 4 ) 补充业务 补充业务修改和添加了基本业务。主要是允许用户能够按照自己的需要改变 网络对其呼入呼出的处理，或者通过网络向用户提供某种信息让用户能够智能化 的利用一些常规的业务。绝大多数移动通信网的补充业务是直接从固定电信网中 继承过来的，因此这些业务并不是专门为g s m 数字移动通信网或其他蜂窝移动通 信网设置的。 2 2g s m 短消息技术 g s m 短消息业务日益受到广大用户的欢迎，晟近在英国短消息的业务量已经 达到了每月l 亿条“。随着越来越多的用户认识到，除了优良的话音质量以外 g s m 还有更多的好处，这些业务便会发展得更快，短消息必将成为g s m 通信中的 重要组成部分。 短消息业务不占用话音通信的信道，它与话音传输及传真一样，同为g s m 数字蜂窝移动通信网所提供的主要电信业务。它通过无线控制信道进行传输，经 短消息业务中心完成存储和前转功能每个短消息的信息量限制为1 4 0 个8 位组。 作为g s m 标准整体的一部分，部署短消息系统能即时向广大的g s m 用户提供蜂窝 移动数据通信和信息业务，并具有保护基础投资和业务可持续等优点。 新的g s m 短消息业务协议正在设计之中，期望在客户端软件实现更高级的功 能。这些功能包括支持消息链接( 允许一次交互能发送多达2 5 5 个消息) 和支持在 s m s c 中产生和修改分发列表( 达到大大提高短消息吞吐量的目的) 。另外还有一 些研究项目正尝试用s 赆来替代t c p i p 的可能性，为带宽要求较低的应用增加 移动性。因此，短消息业务不论现在还是将来都有非常广的应用前景。 2 2 1 短消息服务的网络结构 硕士学位论文第二章机车检测数据无线发送系统基础理论研究 1 短消息服务的工作原理 s 瞒使用s s 7 信令信道来传输数据分组，因此允许用户在做一个话音或数据 呼叫的同时接收一个文本消息。同时，s m s 是目前g s m 网内唯一采用分组方式 的数据业务。一个活跃移动台应该能够在任何时候发送和接收一个短消息的传输 协议数据单元( t p d u ) ，不管当时业务信道上是否有正在进行的话音和数据呼叫。 s m s 网络结构的主要部分见图2 2 所示。 图2 2s m s 网络结构 在确定一个移动台终结短消息的路由时，s m s c 把短消息转发到短消息业务 网关移动交换中心( s m s g m s c ) 。s m s g m s c 向目的移动台的归属位置寄存器 ( h l r ) 询问路由信息并把消息发送到合适的移动交换中心( 惦c ) ，由该m s c 把消息 发给目的移动台。相反，当确定一个移动台发起的短消息路由时，移动台根据全 球称谓( g 1 0 b a lt i t l e ) 寻址到需要的s m s c 。如果是在外漫游，被访问的移动网 将把短消息路由到合适的短消息业务互连移动交换中心( s m s i 删s c ) 。 移动台终结s m s ( s 赆m o b i l et e r m i n a t e d ，s m s m t ) 是指移动台从s m s c 接 收s m s 的能力。而移动台发起s m s ( s m s m o b i l eo r i g i n a t e d ，s m s m 0 ) 是指移 动台发送短消息到s m s c 的能力。移动台必须能够接收发送短消息t p d u 。在收 到一个短消息后，移动台总要想s m s c 返回一个确认消息表示该短消息已经被成 功接收。s m s c 也会向移动台返回消息，表示一个t p d u 是否已经被成功接收。移 动台内的软件必须能够对短消息进行解码和存储。短消息也能存储在移动台的用 户识别模块( s i m ) 卡中供用户以后取用。当移动台不在服务区内或s i m 存储容量 已满，s m s c 会保留短消息等移动台回到服务区或用户s i m 卡又有了存储空间之 后再发送。如果一个移动台因存储容量不足拒绝接收的话，那么还应在又有接收 一个或多个短消息的存储容量之后通知s m s c 。 s 幅c 用加时间戳的办法来唯一地标识每个短消息。短消息到达s m s c 的时间 精确到秒，s 畦s c 必须确保给在同1 秒内到达的两个或更多短消息赋予不同的时 间戳。 硕士学位论文第二章机车检测数据无线发送系统基础理论研究 2 各部分实体功能 ( 1 ) s c 功能 s c 能向一个m s 递交短消息直到报告已经接收或有效期已过；从m s 接收短 消息：就先前接收的短消息向p l 返回一个报告“。 ( 2 ) 惦功能 m s 具有如下功能“”：向s c 提交一个短消息t p d u ，直到报告到达或时间超 过；从s c 接收短消息t p d u ；就先前接收的短消息向网络返回一个发送报告；从 网络接收报告，通知网络存储器现在有能力接收一个或多个短消息；当一个先前 由m s 发往相同目的地地址的短消息被另一个短消息置换时通知s c 。 ( 3 ) m s c 功能 当从m s 接收短消息t p d u 时，m s c 负责以下操作：短消息t p d u 的接收，v l r 获取m s 的m s i s d n 或出错信息；在向m s 的故障报告里返回适当的错误信息( 如果 v l r 指示有错误) ，检查t p d u 参数( 如果v l r 指示无错) ；在向m s 的故障报告里 返回适当的错误信息( 如果参数不正确) ；检查目的地地址( 如果参数没有错误) ， 向s m s 1 w m s c 转发短消息t p d u ：m s c 向m s 继续发报告( 当从s m s i 删s c 接收到 短消息报告) 。 当从g m s c 接收短消息t p d u ，m s c 负责以下操作：短消息t p d u 的接收，v l r 接收相关信息，如位置区域地址、适当的错误信息；在故障报告里向s m s g m s c 返回适当的错误信息( 如果v l r 指示有错) ：向m s 传送短消息( 如果v l r 指示没有 错误) ；在发送报告里向s m s 。g m s c 传递发送证实信息( 当接收到一个证实信息短 消息己经被m s 接收) ，在故障报告里向s m s c m s c 返回适当错误信息( 当接收到 衔s 没有接收到短消息的故障报告) ；继续向v l r 传递通知( 当从m s 接收到信息它 有可用的存储器接收一条或多条短消息) ：在故障报告里向m s 返回适当的错误信 息( 如果v l r 指示有错) 。当有一个正在向m s 发送m s 或其他很忙的情况， m s c 可以选择把t p d u 先存储在一个队列里。一个消息可以存储在队列里的最大 时间与允许的m s c 响应s 晦_ g m s c 的延迟时间有关。当m s 恢复了，存储的t p d u 按先进先出次序发送给m s 。如果在允许时间消息没有发送到m s ，m s c 将向s m s g m s c 返回适当的错误信息。 ( 4 ) s m s g m s c 功能 当从s c 接收短消息t p 叫，s m s g m s c 负责以下操作：短消息t p 叫的接收； 参数检查：在错误报告中返回适当的错误信息给s c 如果参数有错) ；询问h l r ， 找回路由信息或错误信息( 如果参数中没找到错误) ；用从h l r 处获得的路由信息 将短消息t p d u 转送到m s c ( 如果h l r 没有指示任何错误) ；通知h l r 成功发送或 硕士学位论文第二章机车检测数据无线发送系统基础理论研究 当从m s c 收到错误的报告时通知h l r ，并告诉其原因。 ( 5 ) s 惦一i 懒s c 功能 当从m s c 接收到t p d u 时，s m s 1 w m s c 负责以下操作：短消息丁p d u 的接收： 当需要时和s c 建立连接；传送短消息t p d u 到s c ( 当s c 的地址有效) ；当从s c 接收到有关传送短消息t p d u 的报告时，s m s 1 1 | m s c 负责继续把该报告传向m s c 。 当在期望时间以前没有从s c 接收至q 有关传送短消息t p d u 的报告或s c 地址无效 时，s m s i 删s c 负责以下操作：在故障报告里向m s c 返回适当的错误信息，定 时器的值依赖于s c 和s m s i 删s c 之间的协议。当从h l r 里接收到警告时，蜘s i 删s c 负责以下操作：检查s c 地址；产生一个r p a l e r t s c ；向s c 传送 r p a 1 e r t s c 。 ( 6 ) s g s n 功能 - 当从s m s g m s c 接收短消息丁p d u 时，s g s n 执行下列操作，接收短消息转 移协议数据单元t p d u ：如果s g s n 监测到错误，则通过错误报告把相应的错误信 息送还给s m s g m s c ：如果s g s n 没有监测到错误，将传送短消息到醵s ：当收到 来自m s 的消息确认信息，使用递交报告传送递交确认到s m s g m s c ；当收到一 条传送给m s 的短消息失败报告时，将使用故障报告把相应的错误信息送回给s m s g m s c 。当从m s 接收一条短消息传送协议数据单元t p d u 时，s g s n 执行下列操 作：接收t p 叫，监测r p d a 参数：如果参数不正确，把错误报告送还给m s ，如 果没有参数错误，传送短消息t p d u 到s m s 1 w m s c ；当从s m s i 删s c 接收到短 消息报告时，则传送报告给m s 。 2 2 2 短消息服务的分类 短消息分为两类小区广播短消息( c b s ) 和点到点短消息( s m s ) 。通常提到 的短消息业务主要是指点到点短消息“”。 小区广播短消息业务是将消息发送给该小区中有能力接收短消息并注册了 该项信息服务的活跃手机或移动台，典型应用是发送关于路况、天气预报、股市 行情等消息。 在点到点短消息业务中，消息可以是从一个移动台发送到另一个移动台，从 一个p c 到一个移动台，或者相反。这些消息由短消息中心( s m s c ) 来保存，并在 可以传递时转发消息。每个g s m 网络必须支持一个或多个s m s c 对消息进行分类 和确定路由。 2 2 3 短消息服务的实现方式 硕士学位论文第二章机车检测数据无线发送系统基础理论研究 点对点短消息和小区广播短消息的实现方式是不同的： ( 1 ) 点对点短消息( s 1 i i s ) 点对点短消息是g s mp h a s e l 标准定义的业务，它通过信令信道传送，在无 业务信道呼叫时使用独立专用控制信道( s d c c h ) ，有业务信道呼叫时使用慢伴随 控制信道( s a c c h ) ，最大消息长度为1 4 0 字节或1 6 0 字母数字州，其实现见图2 3 。 图2 3 短消息业务的实现 点对点短消息既是一种基本电信业务，又可作为信息服务业务的数据传输载体提 供增值业务，如信息点播服务及远程数据采集( 定位信息的传输) 和远程操作业 务。 ( 2 ) 小区广播短消息( c b s ) 小区广播短消息是g s mp h a s e 2 标准定义的在某一特定区域内广播短消息的 业务。所有位于这一区域并注册了该项服务的用户，只要激活此功能就可以接收 到广播的短消息。与点对点短消息不同的是，小区广播短消息是在专用的小区广 播信道( c b c h ) 中发送，其消息长度为8 3 字节或9 3 字母数字。 图2 4 小区广播短消息的实现 c b s 的实现见图2 4 所示。信息源通过小区广播中心( 可单独设立或与s m s c 合设) 直接传送到基站控制器( b s c ) ，b s c 存储短消息并根据指定的时间、次数等，依 次向设定的各个基站传输系统( b t s ) 播出。 2 2 4 短消息服务的吞吐量分析 发送短消息只能在s d c c h 或s a c c h 上完成。l a y e r 2 的s d c c h 数据帧最多 硕士学位论文第二章机车检测数据无线发送系统基础理论研究 只能携带2 3 字节信息，因此来自c m 子层的2 5 1 字节的数据单元需要 2 5 1 2 3 = 1 1 个数据帧来发送：l a y e r 2 的s a c c h 数据帧最多只能携带2 1 字节信息，因 此需要 2 5 1 2 1 = 1 2 个数据帧来发送。每个帧由物理层的一个b l o c k ( 4 个突发) 传送。在物理层，一个t d 姒帧持续4 6 1 5 m s ，控制信道( b c c l ，c c c h ，s d c c 十 s a c c h ) 安排在5 1 复帧中，业务信道( t c h + s a c c h ) 安排在2 6 复帧中。s c c c h 的每 个毗o c k 重复周期为5 1 t d m a 帧。因此在s h 上发送2 5 1 字节c p d u 的时间s = 1 1 卑5 1 4 6 1 5 m s = 2 6 s ，也就是说来自应用层的一条1 4 0 字节的短消息，经过层 层封装，最后在空中接口需要2 6 s 才能发送完毕。同理，伴随t c h 的s a c c h 每 个b l o c k 的重复周期为1 0 4 t d m a 帧，因此在s a c c h 上发送2 5 1 字节c p d u 的时间 t = 1 2 $ 1 0 4 木4 6 1 5 m s = 5 8 s 也就是每5 8 s 发送一条1 4 0 字节的短消息。伴随 s d c c h 的s a c c h 重复周期只有1 0 2t d m a 帧。 下面结合g s m 网的小区频率规划来分析短消息的吞吐量。 以北京电信为例，g s m 网络目前占用的频率带宽为1 1 8 删z 。每个载波 2 0 0 k h z ，因此共计5 9 个载频。根据下面的无线信道容量m 的理论公式计算： 肘 一丽 可以得到表2 一l 结果。 表2 一l 北京电信g s m 网络每标准宏蜂窝基站小区理论容量 i 所需最小c i ( d b )频率复用系数载频数基站 i9 ( g s m 技术规范) 2 4 52 4 1 2 ( 工程设计要求) 2 8 32 0 8 这里按照工程设计情况考虑，每基站有2 1 个载频，因为每载频分为8 个时隙， 所以共有2 1 十8 = 1 6 8 个物理信道。信道组合如下：f c c h + s c h + b c c h + p c h + r a c h 占 1 个信道，还有3 个信道供b c c h + p c h + r a c h 使用，假设为s d c c h + s a c c h 分配了 n 个信道，则t c h + s a c c h 共有( 1 6 8 一卜3 一n ) 个信道，n 5 则一个基站每秒能够发 送的短消息数目q 计算公式如下： 日：旦+ 型二旦( 衫) 2 6 s5 鼬 8 ( 以最小情况n = 5 考虑，q = 2 9 3 条s ) 。如果北京地区有1 0 0 个基站，则北京 地区短消息吞吐量为2 9 3 0 0 条s 。 上面的分析中有几点假设： ( 1 ) 每条短消息为最大长度1 4 0 字节： ( 2 ) 没有考虑控制信令信道的传令负荷s d c c h 、s a c c h 全部用于短消息传送： 硕士学位论文第二章机车检测数据无线发送系统基础理论研究 ( 功基站分配给s d c c h + s a c c h 的信道数是个可配置的变量，依实际情况而定，分 析时是以最小值估算的) ； ( 4 ) 基站数目也是假定的。 在实际工程设计中，短消息长度未必都是1 4 0 字节，再考虑信令的占用，实 际的基站数目、信道配置数目，可以用上述分析方法求出理论最大值，再进行一 定的折算。 硕士学位论文第三章机车检测数据无线传输系统研究 第三章机车检测数据无线传输系统研究 3 1 系统方案 随着我国经济的不断发展，人们生活水平的不断提高，对铁路各方面的要求 也越来越高。我国铁路为了适应这种需求，从而保证铁路在我国交通运输中的地 位，在铁路软件和硬件上做了许多改革，最引人注目的就是提速工程。随着提速 进程的不断深入，各种为机车运行服务的检测系统和监控系统应运而生，并且日 益完善。同时也产生了新的问题，大量的检测和监控数据必须人工采集、传送到 地面相关部门进行处理和保存。现有的人工方式得到的数据既缺乏实时性，而且 那种手抄笔写的数据管理办法也不符合时代的发展要求。因此，设计一套切实可 行的机车检测数据无线传输系统是现场迫切需要的。 通过对无线传输方案的研究，其目的是：找到一种适合目前机车检测数据多 模式无线传输的方案。然后依据方案要求，通过在硬件上针对已有数字信息采集 设备所具备的硬件条件以及信息类型，在软件上针对现有机车信息数据库结构和 接口的研究，开发一种通用的，能和现有系统软硬件平台特别是现场单位已有的 管理数据库进行无缝链接的机车检测数据无线传输系统。通过对机车检测数据无 线传输系统的研究和应用，解决机车采集到管理这一环节中的数据传输问题。相 比现行的人工采集、填表、递送的办法，降低了工人劳动强度，提高了生产效率。 节约了人力资源。同时，在计算机中建立数据库对机车信息综合管理，保证了数 据的安全和可靠性，减少了人为因素的影响，提高了管理水平。实现了机车信息 采集管理各方面科学化、系统化、智能化。符合我国铁路从粗放型向集约型，技 术含量低向高技术数字化发展的要求。 3 1 1 系统方案设计原则 如今，对机车信息管理水平的要求越来越高，分散在现场的各类检修设备信 息需要得到及时采集、分析以便提出相应的处理方案，实现下情上达、上呼下应 的功能，使管理中心对工作做到心中有数、指挥得当。显然，过去那种靠人工采 集、传递、录入机车信息的作业方式已经与现代信息管理不适应了。同时，随着 机车信息采集装置的普遍应用和数字化程度的不断提高，也为应用开发快捷、有 效的信息传输技术从而进一步提高机车管理水平提供了有利条件。经过对现场调 查与论证，对本机车检测数据无线传输系统提出了如下具体要求： ( 1 ) 采用无线传输方式。 硕士学位论文第三章机车检测数据无线传输系统研究 检测数据采集点位置不固定且分布较广，而且为了彻底改变数据人工传送的 老方式，实现快捷、安全和可靠的数据传送，决定了采用无线传送的方式。 ( 2 ) 信息传输距离比较远、环境复杂。 机务段中各机车检测设备所处位置是不固定的，而且位置分布面积比较大。 同时，机务段所处的位置多处于郊区，地形比较复杂，这些特殊的位置地理条件 决定了在选取无线传输方案时必须采用接收面积广、受地形干扰小的无线数据传 输技术。 ( 3 ) 信息类型基本为文本和数据，不同信息类型采取不同的传输模式。 机车检测数据内容大多数情况下基本是检测结果，因此，信息类型基本是文 本，信息量也不是很大。同时，信息量的大小决定了数据在传送中占用数据通道 的时间和数据流的连续性。从目前现场要求来看，只要能传送文本就能够满足现 场需要。 ( 4 ) 对数据传输的安全性、可靠性要求高；系统应实现双向、全天候工作。 设计机车检测数据无线传输系统的一个初衷就是解决数据的安全问题，最大 限度上解决人工传送所具有的弊端，并且一定要保证检测数据的真实可靠性。同 时，现场的工作节奏也要求系统能够双向数据传输，减小系统受自然环境的影响， 抗干扰能力强。 ( 5 ) 系统的兼容性和升级空间。 机车检测设备种类繁多，为每一种设备量身打造一套系统显然是不科学的。 而且，机车检测设备的更新也是随着科技水平和电子技术的发展不断前进的，因 此，要求在采用哪种无线传输方案时应充分考虑系统的兼容性和预留出系统升级 空间。 3 1 2 无线数据传输技术概述 现代无线数据传输技术比较成熟并且应用较广的主要有以下几种”。：蓝牙技 术( 8 l u e t 0 0 t h ) 、无线电技术、红外线技术( i r d a ) 。 ( 1 ) 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 1 9 9 8 年，爱立信、i b m 、i n t e l 、诺基亚和东芝等公司联合推出了一项最新 的无线网络技术，即蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术。蓝牙技术作为一种短距离的无线链 接技术，它的目的是使特定的移动电话、便携式电脑以及各种便携式通信设备在 近距离内实现无缝的资源共享。它具有健壮性、低复杂性、低功耗和低成本等特 点。 尽管蓝牙技术获得了工业界广泛的支持，但它至今还不是一种标准。如想将 硕士学位论文第三章机车检测数据无线传输系统研究 它发展为一种标准，需要得到s d 0 ( s t a n d a r d sd e f i n i n go r g a n i z a t i o n ) 组织的 认可。 ( 2 ) 红外线( i r d a ) 技术 i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术 都已比较成熟。它在技术上的主要优点是：无需专门申请特定频率的使用执照， 数据传输速率较高，适合于传输容量较大的数据文件和多媒体数据流：红外线发 射角度较小，有一定的物理传输上的安全性。体积小、功率低的等特点。 i r d a 也有其局限性。首先，i r 队是一种视距传输技术，也就是说两个具有 i r d a 端口的设备之间如果传输数据，在视觉上必须对准，中间不能有阻挡物。 其次，i r d a 设备中的核心部件一红外线乙e d 不是一种十分耐用的器件，损坏 率比较高。 ( 3