（通信与信息系统专业论文）gsmr机车综合平台的软件设计.pdf

中文摘要 g s m r 系统是适应现代铁路运输高速化和智能化、满足国际铁 路联盟要求的新一代铁路移动通信系统。目前它在欧洲已经经过了标 准制定、系统实验和工程实施三个阶段并获得了巨大的成功。我国继 2 0 0 0 年底正式确定将g s m r 系统作为铁路移动通信的发展方向后， 于2 0 0 4 年2 月制定了基于g s m r 的铁路通信设备标准。但与欧洲 发达国家相比，我国在这方面总体上还处于理论研究和实验阶段。特 别是作为g s m r 系统的重要组成部分，担负着铁路机车与地面进行 实时双向信息传输的载体机车综合平台通信设备的硬件和软件 开发工作更是其中重要且需亟待解决的薄弱环节。为此本课题拟以此 为研究重点，借鉴国外的先进技术和经验，着眼于我国的具体国情， 研究和开发出拥有自主知识产权并符合g s m r 标准的机车综合平台 控制软件，为在我国铁路运输中最终全面引入和实现g s m r 系统技 术，尽快提升我国铁路通信的整体水平作出一定的积极探索。 本课题首先在研究g s m r 基本原理和铁路车载机车综合平台功 能、标准以及相互关系的基础上，围绕课题中软件设计所需完成的功 能提出了对机车综合平台硬件的选择方案。然后重点阐述了利用集成 开发工具一一e m b e d d e dv i s u a lc + + 4 0 设计基于嵌入式操作系统 w i n d o w sc e n e t 的机车综合平台软件的过程和方法。其中对g p r s 数据模块接入g p r s 网络的控制采用a t 命令来完成，而g p r s 数据 传输的功能则应用w i n s o c k 编程模型设计来实现，从而使机车综合平 台能以g p r s 方式实现数据的收发、处理、存储转发等业务功能。最 后在工控机u n 0 2 1 6 0 上运行该软件并进行模拟功能测试，结果证明基 本符合设计要求，表明硬件和软件方案可行。由于本软件采用模块化 设计，还具有较好的维护性和可扩展性。 关键词：g s m - r w i n d o w sc e 串口通信套接字 g s m ri st h en e w m e e tt h e h i g h - s p e e d a bs t r a c t g e n e r a t i o nr a i l w a ym o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i c hc a n a n di n t e l l e c t u a l i z e d d e v e l o p m e n t o fm o d e m r a i l w a y t r a n s p o r t a t i o na n ds a t i s f yt h en e e d so fi n t e r n a t i o n a lr a i l w a y u n i o n a tp r e s e n ti th a s u n d e r g o n et h et h r e ep h a s e so fd e t e r m i n i n gs t a n d a r d s ，t e s t i f y i n gs y s t e m ，i m p l e m e n t i n g a n dh a sg a i n e dt h eg r e a ts u c c e s si ne u r o p e a f t e rf o r m a l l ya c c e p t e dt h eg s m - r s y s t e ma st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no fo u rr a i l w a ym o b i l ec o m m u n i c a t i o ni nt h el a t e r 2 0 0 0 ，o u rc o u n t r yw o r k e do u tt h es t a n d a r d so fr a i l w a yc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t s b a s e do ng s m ro nf e b r u a r y2 0 0 4 b u tc o m p a r i n gw i t ht h ed e v e l o p e de u r o p e c o u n t r i e s ，w ea r es t i l li nt h es t a g eo fr e s e a r c h i n gt h e o r ya n dt e s t i f y i n gi ti nt h i sf i e l d e s p e c i a l l y ，t od e v e l o pt h ec i r ( c a bi n t e g r a t e dr a d i oe q u i p m e n t ) i st h ep i v o t a la n d f e e b l el i n ki nt h ew h o l er e s e a r c hw o r k t h ec i ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t c o m p o n e n t so fg s m rs y s t e m ，w h i c hi sr e s p o n s i b l ef o rt r a n s f e r r i n gt h ei n f o r t n a t i o n b e t w e e nt h er a i le n g i n ew i t ht h eg r o u n dr e a l t i m e l ya n db i d i r e c t i o n a l l y t h e r e f o r e t h i sr e s e a r c ht o p i cw i l le m p h a s i z eo ni t b yu s i n gt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g ya n d e x p e r i e n c e sa b r o a df o rr e f e r e n c ea n db a s e do nt h ea c t u a ls i t u a t i o no f o u rc o u n t r y , w e t r yt od e v e l o pt h ec i rc o n t r o ls o f t w a r ew i t ht h ei n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y r i g h ta c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d s ，t h i sr e s e a r c hw o r kh a sm a d eac e r t a i ns e n s eo f a c t i v e e x p l o r a t i o nf o ri n t r o d u c i n ga n dc a r r y i n go u tt h eg s m rs y s t e mt e c h n o l o g yi no u r r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ng e n e r a l l ya n du l t i m a t e l y , a sw e l la s f o ri m p r o v i n gt h e 、h o l e l e v e lo fo u rr a i l w a yc o m m u n i c a t i o n b a s e do ns t u d y i n gt h ef u n d a m e n t a l so fg s m - ra n dt h ef u n c t i o n s ，s t a n d a r d s ， r e l a t i o n s h i p so fr a i l w a yc i r ，t h er e s e a r c ht o p i cf i r s t l yp r o p o s e st h es e l e c t i o ns c h e m e o fc i rh a r d w a r ea r o u n dt h er e q u i r e df u n c t i o n sf o rd e s i g n i n gs o f t w a r e n e x t ，i t e m p h a t i c a l l ye x p l a i n st h ed e s i g n i n gm e t h o d so fc i rs o f t w a r eb a s e do ne m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e m w i n d o w sc e n e tw i t ht h e i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t t o o l e m b e d d e dv i s u a lc + + 4 0 a m o n gt h e m i ta p p l i e st h ea tc o m m a n dt oc o n t r o lg p r s d a t am o d e mt oc o n n e c tw i t hg p r ss y s t e m ，a n du s et h ew i n s o c kp r o g r a m m i n gm o d e l t or e a l i z et ot r a n s f e rt h eg p r sd a t a b yt h e s em e t h o d st h ec i rc a nr e a l i z et h e p r o f e s s i o n a lf u n c t i o n so fr e c e i v i n g ，s e n d i n g ，c o n d u c t i n g ，m e m o r i z i n ga n dt r a n s m i t t i n g d a t ai nt h eg p r sw a y f i n a l l y , t h es o f t w a r ei sr u no nt h ei p cu n 0 216 0a n di t s f u n c t i o ni st e s t i f i e d t h er e s u l tp r o v e st h a tt h ed e s i g n m e e t st h ed e m a n d s f u n d a m e n t a l l y , a n dt h es c h e m e so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ef e a s i b l e b e s i d e st h i s ， t h es o f t w a r ei se a s yt om a i n t a i na n de x t e n df o ri t sm o d u l a r i z e dd e s i g n k e yw o r d s ：g s m r w i n d o w sc es e r i a lc o m m u n i c a t i o ns o c k e t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 哭巍 签字f t 期：工阳5 年二月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 涨孰导师虢乡彳华 签字同期：2 5 年2 月歹同签字同期：年。月厂 日 第一章绪论 第一章绪论 随着我国列车运行速度的不断提高，客流量的大幅度增加，以及顾客服务项 目的扩展，如何将机车车辆的运行状态等技术参数和相关信息实时传输给运输指 挥和管理部门，并及时、可靠、全面地将地面调度信息告知机车驾驶员和相关部 门，实现列车运输的有序可控、确保行车安全己成为铁路通信中急需解决的一个 重要技术问题，而当前广泛使用的模拟移动通信系统已不能有效解决这个问题， 现代铁路运输的高速发展需要引入新一代铁路数字移动通信系统( g s m r 系 统) 。 1 1 铁路移动通信的现状与发展 随着欧洲高速铁路网络的迅速发展，为了解决在列车高速运行时语音数据的 可靠传输以及跨国运行时的互操作( 兼容) 问题，1 9 9 3 年国际铁路联盟( u n i o n i n t e r n a t i o n a l ed e sc h e m i n sd ef e r ，u i c ) 3 1 与欧洲电信标准组织( e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ，e t s i ) 协商，建议欧洲各国铁路下 一代无线通信采用以g s mp h a s e2 + 规范为基础的g s m - r 系统。g s m - r ( g s mf o r r a i l w a y ) 就是在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，能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信要求的系统。这一建议在 1 9 9 5 年经u i c 评估并最终确认，随后u i c 建立了标准化组织e i r e n e ( 欧洲铁路 通信标准机构) ，制定了一系列铁路需求规范，涉及范围包括业务功能、调度台 和车载台的要求、电磁环境等各项指标。经与欧洲电信联盟合作，最终将其所提 出的系列调度业务需求纳入到g s mp h a s e2 + 规范中，为g s m r 的发展奠定了基础。 随着g s m r 的发展，到了1 9 9 7 年，有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，该备忘录要求签字的铁路组织至少将g s m r 用于过境运输通信。从 1 9 9 7 - 2 0 0 0 年间，在法国、意大利、德国的高速线上开展了对g s m - r 试验系统的 严格测试。试验结果表明g s m r 完全能满足e i r e n e 和欧洲铁路部门对于铁路无 线通信提出的规范和要求。 目前，g s m r 在欧洲取得了巨大成功，已经采用g s m r 系统的国家有：瑞典 铁路7 2 0 0 公里，德国铁路2 7 0 0 0 公早，荷兰铁路将近3 0 0 0 公里。另外还有许多 国家如匈牙利，英国，瑞士，俄罗斯，西班牙，斯洛伐克和美国等都建立了试验 线。截止到2 0 0 3 年6 月底，有德国、瑞典、瑞士、意大利、西班牙、英国、比 利时、荷兰、芬兰等国家签定了全国铁路商用化合同，在2 0 0 5 年至2 0 0 8 年完成 全国g s m r 网络的建设。 第一章绪论 从我国情况来看，近十年来我国铁路经历了重载运输、电气化改造、已有线 路提速等一系列技术改进，极大推动了铁路通信技术的发展，并对铁路移动通信 提出了更多新的需求。截止到2 0 0 2 年底，我国铁路营运旱程已达7 1 9 0 0 公里， 位居世界第三位。但与发达国家相比，我国目前的铁路无线通信技术差距还很 大，存在着技术落后、功能单一、频率利用率低、干扰严重、数据传输能力差、 系统分散、不具备网络能力等缺陷，与当前铁路运输的高速发展和现代化需要不 相适应，不能满足铁路新一代基于无线通信的列车控制系统c t c s ( c h i n e s et r a i n c o n t r 0 1s y s t e m ) 对车一地控制信息传输的需求，同时也不适应客运专线和高速铁 路等现代铁路运输对信息化和提高客运服务质量的需要。 为彻底解决以上问题，同时针对我国铁路交通运输网络庞大的特点，我国确 定的铁路发展移动通信网络的总体目标就是要建立语音数据等综合业务的移动 通信平台，形成现代化的调度通信、公务移动、信息传输、列车控制一体化的通 信系统，并向社会实时提供铁路客货运及其他服务的信息。而实现这一总体目标 的关键就是要在我国铁路通信中引入新一代更为先进的数字移动通信系统 ( g s m r 系统) 以取代现有的模拟移动通信系统。 g s m r 系统在欧洲的实地运行过程显示出其具有以下显著的优点，完全符 合我国铁路移动通信发展的目标： ( 1 ) g s m r 能够满足高速铁路的要求。目日仃，世界上只有g s m r 系统进行了5 0 0 k m h 运行速度下的通信模拟试验，在法国、德国、意大n 3 个试验段对g s m r 系统 进行了验证。在法国东部的试验段，当列车最高速度达至u 3 5 0 k m h 时，g s m r 系统的各项指标均满足要求。 ( 2 ) g s m - r 系统的技术成熟可靠。由于g s m 系统已在i 0 0 多个国家的1 8 0 多个网络中 得到了充分的验证，因此在实施g s m r 时，g s m 部分的基础框架和成熟标准是 可以直接移植应用的。此外，通过在欧洲建立的3 个g s m r 试验段，其技术的 成熟性和可靠性已经得到了充分的验证。 ( 3 ) g s m r 利用i n ( 智能网) 平台引入新的业务。引入新的业务时，网络无需更 新很多网元。在g s m - r 中，针对铁路特殊需求的功能寻址和基于位置的寻址 都是基于i n 平台。通过i n 平台引入新业务，可以节省时间和成本，投资安全 性高。另外，基于i n 的虚拟专用网、号码可携带功能等新业务可以提高铁路 网的运行效率，降低通信成本。 ( 4 ) g s m r 系统可以开展各种增值业务。通过g s m r 系统的数据服务功能及通用无 线分组业务g p r s 的引入，可以为旅客提供大量的数据服务，例如旅客电话业 务、在线定票业务、列车时刻信息、移动办公、文件传输、收发e m a i l 等。 g s m r 系统提供的上述增值服务，可以大大提高我国铁路在运输行业中的竞 第一章绪论 争力。 总之，利用g s m r 系统取代中国铁路现有的分散模拟无线通信系统，可以取 得如下明显的社会经济效益： ( 1 ) 可有效地利用通信资源( 如无线频率资源、光电缆资源等) ，提供更大的容量 和更广的覆盖范围。 ( 2 ) g s m r 系统能将我国现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中，因此减少 了集成和运行费用，降低了建设和运行维护成本( 综合移动通信系统解决各 部门通信需求、只需配备一个系统的运行维护队伍) ，无论对于调度集中还 是非调度集中方案，皆可利用一套g s m r 系统解决全部铁路综合移动通信需 求。 ( 3 ) 随着铁路运输组织模式的发展，越来越多的干线将会采用集中调度方式，其 调度范围也会更大。由于g s m r 超强的跨区组网能力，使得g s m - r 系统的优势 会愈加明显。 ( 4 ) g s m r 系统是由己标准化的g s m 系统改进而成，g s m 平台上已经提供了大量的 业务，因而引入铁路专用的功能时，只需最低限度的改动，就能实现可靠的 系统性能。一 此外，由于g s m r 可以向第3 代通信系统平滑过渡，为我国铁路建立未来的宽 带、多媒体、个人化的通信网奠定了基础。 在欧n g s m r 系统的基础上，针对中国的具体情况，铁道部和部分企业在2 0 0 4 年2 月初共同制定了中国铁路数字移动通信系统规范。相关国家标准的出台对于 加快发展中国数字化铁路综合移动通信网络，奠定铁路信息化基础设施将起重要 作用，其后网络终端的开发与研制工作开始紧张进行。 1 2 课题的研究意义和目的 g s m r 系统在欧洲等国己得到了实践应用，符合其系统标准的设备产品也开 始普及。但在我国，虽然目f i j g s m - r 标准已成为铁路移动通信系统标准，可以预 测在今后相当长的一段时间内，它必将在我国铁路移动通信网络系统中占据重要 的地位。然而与此不相协调的是我国在此领域的技术发展尚处于起步阶段，主要 移动设备的硬件和软件提供都依赖于国外厂商，我国的移动通信制造企业还没有 掌握其中的核心技术，不具有自主的知识产权，这无形中会大大加大企业的成本 并制约我国在g s m r 系统应用方面的发展步伐。因此，尽快丌发出适合我国国情 的符合g s m r 标准的相关通信终端设备硬件和软件，对于提升我国铁路通信的整 体水平，实现数字化、网络化，具有十分重要的意义，并将产生深远的影响。 g s m r 系统是一个囊括车载移动台( 机车综合平台) 、基站子系统、网络子 系统等在内综合移动通信系统。其中机车综合平台作为g s m r 系统中的一个重要 第一苹绪论 组成部分，担负着列车与地面调度台之间的通信传输任务，是保证整个铁路通信 系统f 常运行的关键设备。本课题研究的主要目的就是在自主选择稳定、可靠的 机车综合平台硬件的基础上，尽快开发出符合中国铁道部标准的机车综合平台软 件，从而保证机车综合平台在无线通信环境中与符合g s m - r 系统标准的其他设备 之间能够进行可靠通信传输。本课题的具体依据是铁道部所制定标准中的( ( g s m - r 机车综合平台设备主要技术条件。 1 3 论文的主要工作 本课题的主要工作是完成g s m - r 机车综合平台硬件的选择和软件的设计： ( 1 ) 在熟悉g s m r 网络系统的基础上，提出对机车综合平台的硬件选择方案。 ( 2 ) 应用e m b e d d e dv i s u a lc + + 语言编制车载机车综合平台软件，主要包括以下 步骤： 在掌握w i n d o w sc e 操作系统的基础上研究分析r s 一2 3 2 等各种通信接口技 术，着重解决串口通信的实现。 在分析软件需要实现的功能基础上，利用w i n s o c k 编程原理与多线程技 术，结合g s mm o d e m 的特点和有关的a t 命令，完成g p r s 数据模块的软件 编写，并在此基础上设计主程序。 选择或编写合适的测试软件对程序进行简单测试和分析。 4 第二二章o s m r 系统 第二章g s m r 系统 本章首先简要介绍t g s m r 系统的组成和功能，以及机车综合平台在铁路 移动通信网络中的地位和作用，接着比较t g - s m - r 系统与g s m 系统的一些区别 并举例介绍t g s m - r 系统的主要铁路业务应用。最后介绍了用于实现无线数据 传输的g p r s 业务功能与特点。 2 16 8 m - r 系统网络结构 幽2 1g s m _ r 系统的组成 g s m r 系统借鉴了g s m 公网的很多技术，并保留了g s m 的大体结构，如图2 - 1 所示。系统丰要由以下几部分组成“1 ： l 图2 - 1 中b s s ( 基站子系统) 是g s m - r 系统中最基本的组成部分。它由基站 控制器( b s c ) 和基站收发信机( b t s ) 两种基卒设备组成。，b s c 用柬管理b t s 与m s c 之间的信息流，且每一个b s c 都要控制若干基站收发信机。b t s 则主 要负责与覆盖区域内的移动台( m s ) 进行通信，并对空中接口进行管理。 2 图2 - 1 中n s s ( 网络子系统) 建立在移动交换中心( m s c ) 基础r ，通过接口 与基站子系统相接。m s c 由访问位置寄存器( v l r ) 、组呼寄存器( g c r ) 和归 属位置寄存器( h l r ) 支持。其中，v l r 中存储了当前i d s c 区域内活动用户的 详细资料，g c r 包含了用于相关i d s c 区域的浯音组呼和广播呼叫配置的属性， h l r 存储着用户的永久性详细资料。n s s 主要负责呼叫控制、数据管理、移 动性管理和与固定网络的连接。在图2 1 的网络中还包含了用于支持通用分 组无线业务( g p r s ) 的组成部分。其中g p r g 服务支持节点( g g s n ) 是一个 位旨寄存器功能模块，存储每个在该节点已注册用户的预约信息和位置信 位置寄存器功能模块，存储每个在该节点已注 i j f 用户的预约信息和位置信 第二章g s m r 系统 第二章g s m r 系统 本章首先简要介绍了g s m r 系统的组成和功能，以及机车综合平台在铁路 移动通信网络中的地位和作用，接着比较了g s m r 系统与g s m 系统的一些区别， 并举例介绍了g s m r 系统的主要铁路业务应用。最后介绍了用于实现无线数据 传输的g p r s 业务功能与特点。 2 1 g s i i - r 系统网络结构 图2 一lg s m r 系统的组成 g s m r 系统借鉴了g s m 公网的很多技术，并保留了g s m 的大体结构，如图2 1 所示。系统主要由以下几部分组成3 h3 ： 1 图2 1 中b s s ( 基站子系统) 是g s m r 系统中最基本的组成部分。它由基站 控制器( b s c ) 和基站收发信机( b t s ) 两种基本设备组成。b s c 用来管理b t s 与m s c 之间的信息流，且每一个b s c 都要控制若干基站收发信机。b t s 则主 要负责与覆盖区域内的移动台( m s ) 进行通信，并对空中接口进行管理。 2 图2 一l 中n s s ( 网络子系统) 建立在移动交换中心( m s c ) 基础上，通过接口 与基站子系统相接。m s c 由访问位置寄存器( v l r ) 、组呼寄存器( g c r ) 和归 属位置寄存器( h l r ) 支持。其中，v l r 中存储了当前m s c 区域内活动用户的 详细资料，g c r 包含了用于相关m s c 区域的语音组呼和广播呼叫配置的属性， h l r 存储着用户的永久性详细资料。n s s 主要负责呼叫控制、数据管理、移 动性管理和与固定网络的连接。在图2 1 的网络中还包含了用于支持通用分 组无线业务( g p r s ) 的组成部分。其中g p r s 服务支持节点( s g s n ) 是一个 位置寄存器功能模块，存储每个在该节点已注册用户的预约信息和位置信 第二章g s m r 系统 息。而g p r s 网关支持节点( g g s n ) 是一个位置寄存器功能模块，用于存储 每个用户的预定信息和路由信息。 3 操作维护子系统( o s s ) 是相对独立的子系统，为g s m - r 网络提供管理和维 护功能。它的具体功能由图2 1 中的o m c ( 操作维护中心) 来完成。 4 图2 1 中b i l l i n gc e n t e r ( 计费中心) 负责通信业务的计费管理。 5 图2 1 中的m s ( 移动台) 是指用来接入g s m r 网络所提供的电信业务的用户 设备，由一块s i m ( 用户识别模块) 卡和一个m e ( 移动设备) 组成。s i m 卡 中包含单个用户特定的信息，一个标准化的接口能将移动设备与s i m 卡连接 起来。移动台( m s ) 与b s s 通过空中接口( u m ) 进行通信，它有两种使用模 式：一种是手持模式，一种是车载模式。手持模式的移动台是指天线与带有 声音传感器的便携式设备结为一体的形式。车载模式则是指天线架设在交通 工具外部的形式。铁路部门根据执行任务和工作环境的不同，定义了3 种类 型的移动台：机车综合平台，供列车驾驶员使用；通用电台，供铁路员工通 用；运行电台，给参加列车运行的人员使用，如调车作业和现场维护。本课 题重点研究的是供驾驶员使用的机车综合平台及其软件。 另外，g s m r 网络还需要与外部相连，如专用铁路固定网络、公众网络、调 度设备、专用铁路系统( 如列车控制系统) 等，共同完成移动用户和移动用户之 间、移动用户与固定用户之间的通信。 2 2g s m - r 与g s m 公网的区别 由于g s m - r 是专门为铁路通信设计的综合移动通信系统，因此铁路g s m r 网 和公众g s m 网的主要区别在于由铁路特殊需求引起的网络结构和规划上的不 同。此外，在g s m r 系统中频段的规定也与g s m 不同，它需满足如下要求：。( 1 ) 可以人工或自动地切换到公用网络；( 2 ) 可以人工或自动地切换回g s m r 网络； ( 3 ) 上行频段为8 7 6 - - 8 8 0 m h z ，下行频段为9 2 1 9 2 5 m h z 。 另外，在g s m 业务的基础上，g s m r 业务有以下扩展： g s m r 在基于g s mp h a s e2 + 规范的基础上添加了a s c i ( 高级语音呼叫业 务) 特性，因此能灵活的提供专网中所需的语音调度服务，如语音广播呼叫业务 ( v b s ) 、语音组呼业务( v g c s ) 和增强多优先级与强拆( e m l p p ) 业务，并 能提供功能寻址和基于位置寻址两个关键技术的应用，如图2 2 所示。 1 语音组呼业务( v g c s ) 为适应专用移动通信网的要求，在g s m r 中引入了组呼业务，允许一种由多 方参加( g s m - r 移动台或固定电话) ，一人讲话、多方聆听的语音通信方式，工 6 第二章g s m r 系统 作于半双工模式下。v c g s 突破了g s m 网络点对点通信的局限性，能够以简捷的方 式建立组呼叫，实现调度指挥、紧急通信等特定功能，尤其适用于铁路的行车指 挥调度部门，用以完成点对多点的组呼业务和群呼业务。 2 语音广播呼叫业务( v b s ) 允许一个业务用户，将话音或其他用话音编码传输的信号发送到某一个预先 定义的地理区域内的所有用户或者用户组。同语音组呼业务一样，语音广播呼叫 也提供了点对多点呼叫的能力，适用于铁路的行车调度。 * i 。套匕lj _ l g u 日匹哥习e 基于位置的寻址 一 铁路孵叫 豢匠凶运蓝囱：睬繁| 1 | 鬣 燃瓣燃溅瓣戮鬻鲻缫瓣鞲戮凝糍燃、 调譬编组作业 j 多驾驶员遵倍。i 隶署一 夕焉一 影 煮对点语音呼叫 荔 语音组呼业务 黼 多方语膏呼叫 语音广播业务 1 | | 电路交换数据北务 e m l p f o 。 稚蠢业爨 i j 一； g g # h # g h 女；黼 图2 - 2 参考g s m 功能的g s m r 系统业务 r 3 增强多优先级与强拆业务( e m l p p ) g s m - r 还具有增强多优先级与强拆功能( e m l p p ) ，规定了在呼叫建立或越区切 换时呼叫接续的不同优先级，以及资源不足时的资源抢占能力。这种业务为满足 铁路对于某些类型通信的高性能要求，保证高等级呼叫或紧急呼叫快速可靠地建 立，提供了一种强制能力，符合无线列车调度通信的特点。 g s m r 系统在应用于铁路移动通信领域时，为了满足铁路运营和服务中的特 殊业务与应用，例如铁路呼叫等，需要采用两种先进的寻址技术：功能寻址和基 于位置的寻址，它们是实现集群调度通信的关键技术和必要手段。 ( 1 ) 功能寻址：功能寻址是指用户可以由它们当时所担当的功能角色，而不是 它们所使用的终端设备的号码来寻址。因为终端设备的号码不容易记忆， t渐嗜 n j 手玎 第二章g s m r 系统 所以g s m r 系统为每种功能赋予不同的号码，即功能码( f n ) 。这些号码 针对功能而不针对个人，在同一时刻，至少可以为个用户分配若干功能 码，但只能将一个功能码分配给一个用户。用户可以向网络注册和注销功 能码，地面用户拨打预先定义的、具有特定意义的功能码呼n q y , j 车上的用 户时，不需拨打很长的物理终端号码。例如，可以给一列正在运行列车的 司机分配一个功能码，结构为车次号+ 司机功能代码( 设为0 1 ) 。于是t 1 3 次列车司机的功能码为t 1 3 0 1 。当某位司机驾驶t 1 3 次列车从起点站出发 时，他必须向网络注册该功能码，网络负责将该功能码与他当时所使用的 机车综合平台的真实号码对应起来。当调度员或车站值班员呼叫t 1 3 次列 车的司机时，他不必知道该司机的姓名，也不必知道该司机使用的机车综 合平台的号码，只要向网络请求“我要呼叫t 1 3 0 1 ”，网络查询数据库后， 将t 1 3 0 1 对应到一个真实的电话号码，并建立该呼叫。这主要是利用了 g s m - r 中的功能码管理、查询和呼叫转移等特性。按照铁路的特殊规定进 行功能寻址，可以大大提高寻址的准确度和设备的利用率，简化了呼叫的 操作，能够显著提高铁路工作人员的工作效率。 ( 2 ) 基于位置的寻址：是指网络将移动用户发起的用于特定功能的呼叫，路由 到一个与该用户当前所处位置相关的目的地址。例如整个铁路网被分成不 同类型的服务区域( 如调度区段) ，列车在行车途中会经过若干调度区段， 当用户漫游到某一地点时，直接按“调度员”按键，基于位置寻址功能将 用户的移动主叫自动路由至与该地理位置相关的调度员，即由主叫移动用 户当时所处的位置来确定正确的调度员或车站值班员。这种功能用于移动 用户呼叫特定的固定用户( 调度员和车站值班员) 。举例来说，短码1 2 0 0 表示呼叫调度员，但司机无法确切知道他当前位于哪个区段，更不知道调 度员和车站值班员的电话号码，于是司机可以直接拨号1 2 0 0 呼叫调度员， 网络根据他当时所处的位置，自动将其路由到f 确的调度员。 2 3g p r s 业务的功能和特点 根据机车综合平台的数据通信协议要求，调度命令、列尾风压等数据必须通 过g p r s 方式进行传送，因此g p r s 数据通信程序的设计是整个程序设计的重要 组成部分，下面具体说明g p r s 业务的功能及特点。 g p r s 是通用分组无线业务的简称( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，g p r s ) ， 是g s mp h a s e2 + 规范中的技术，是在g s m 系统基础上发展起来的分组交换数据承 载和传输业务。它将分组交换模式引入n g s m 网络中，从而提高了频率资源利用 率，在数据传输上产生了由电路交换到分组交换的质的飞跃。g s m 网的用户数据 第二章g s m r 系统 传输速率只有9 6 k b s ，而g p r s 贝j j 具有四级可变编码方案，可提供从 9 0 5 k b s 一1 7 1 2 k b s ( 理论上) 的可变流量，并可实现资源的灵活配置，特别适用 于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。 同时，由于它支持i p 协议和x 2 5 协议，可以方便地与i n t e r n e t 禾d x 2 5 网相连，便 于向公众开展增值业务。在g s m r 中引入g p r s 技术，将可以开展更多新应用，从 而满足未来铁路通信发展的需要。如上图2 1 中所示，在g s m - r 中引入g p r s 技术， 只需在g s m r 移动网中添力d s g s n ( g p r s 业务支持节点) 、g g s n ( g p r s 网关支持节 点) ，在b s c 添力h p c u ( 分组控制单元) 等网元设备，就能提供g p r s 业务了。 采用g p r s 技术后，将可以获得以下几方面的好处砸3 ： ( 1 ) 频率和资源利用率高，传输速率也将大大提高。g p r s 采用时隙结合的方式， 所有频率和资源由用户共享，可以动态地给每个用户分配1 - 8 个时隙，采用c s 4 编码方案时( 每时隙数据吞吐量为2 1 4 k b s ) ，理论上最高速率可达2 1 4 k b s 8 = 1 7 1 2 k b s 。 ( 2 ) 编码方案灵活，提供优先级控制。g p r s 可以提供四种不同的编码方案，分别 提供不同的错误保护能力，可以根据不同的信道环境，选择不同的编码方案。 这一特点特别适用我国铁路复杂多变的传播信道环境。另外，g p r s 定义了q o s 等级，规定了高优先级1 、普通优先级2 、低优先级3 ( 对第4 种优先级还没有规 定) 。优先级控制特别有利于将g s m - r 中的那些重要的、关键的功能与其它功 能区别对待。 ( 3 ) 快捷登录，实时在线。g p r s 的用户开机后始终附着在g p r s 网络上，用户可以 随时与网络保持联系，每次使用时只需一个激活的过程就可以建立连接，使 得呼叫建立的时间减少，适于实时地传送在众多铁路内部业务中大量存在的 突发短数据。 ( 4 ) 支持x 2 5 协议，易于连接x 2 5 网。随着“三网合一”趋势的加强，现有的话 音通信网络、视频通信网络及数据通信网络将最终汇集成统一的网络，g p r s 技术的引入，把铁路数据网和计算机网有机地连接在一起，朝未来的全i p 网 络平台发展，从而实现真f 意义上的全路联网。 ( 5 ) 容易实现点对点、点对多点的传输，在越区切换中能保持点对多点的会话。 这非常适合铁路无线列调和编组站调车中的组呼、选呼短数据等的传输。 正是由于g s m - r 将现有的全部铁路专用无线通信应用综合到一个通信平台 上，而且能利用高性能的数据传输手段g p r s 为铁路提供数据业务和为旅客 提供数据信息业务，因此大大加快了g s m r 系统在铁路移动通信领域的应用和发 展。 第三章车载机车综合平台硬件组成方案 第三章车载机车综合平台硬件组成方案 随着铁路信息化的发展，铁路部门建立了t i m s ( 铁路运输管理信息系统) 、 d i m s ( 铁路运输调度指挥管理信息系统) 等各种信息系统，这些信息系统在提高 铁路的运输能力、改善列车安全性能等方面发挥着重要作用。为了支持这些信息 系统，各种数据通信网络相继建成并投入使用，其中包括传输网、x 2 5 数据通 信网等，而这些网络主要解决地面上固定节点之间的通信问题。在实际运营中， 列车作为一个巨大的信息源，是铁路运营的中心载体，列车上的数据，如列车位 置、列车尾部风压信息、旅客和货物实时信息都需要传送到地面上来，另一方面 地面的控制中心也有一些信息需要发送到列车上去，这样就需要在铁路与地面之 间建立一条双向的数据传输通道。以前由于铁路移动通信系统的限制，双方的信 息无法实时传递。但采用g s m r 系统后，就能够在列车高速运行时提供可靠的信 息传输，为列车与地面实现双向数据传输提供了契机。 3 1 机车综合平台主要功能 机车综合平台( 机车台) 位于牵引机车所在的机车控制室内，由列车司机 进行操作控制，主要作用是与地面控制台进行实时双向通信。根据g s m r 机车 综合平台设备主要技术条件的要求，它具体需要完成以下主要功能1 ： 开机时完成g s m r 网络注册和功能码注册；支持g s m r 调度通信功能和通用 数据传输功能；g p s 定位功能( 可向司机提供机车所在小区位置信息、g p s 信息等、 并根据需要对信息进行存储) ；根据承载业务的需要提供g p r s 或电路方式的数据 传输链路；具有电源软关机功能；完成主机断电后的g s m r 网络注销和功能码注 销。此外，为了与原来的4 5 0 m h z 铁路模拟移动通信系统兼容，它还需具有在g s m r 矛1 4 5 0 m h z 两种工作模式之间进行自动切换和手动切换功能。 3 2 机车综合平台的组成及硬件选择方案 为了实现以上全部功能，机车综合平台需要由主机、操作显示终端、g p r s 数据模块、语音模块、4 5 0 m h z 电台矛i g p s 模块等主要部件以及一些辅助部件如天 馈系统、连接电缆、打印终端等组成，如图3 1 所示。在上面所列出的机车综合 平台的所有功能中，最重要的是调度通信和通用数据传输两大功能，这也是本课 题研究的重点。调度通信功能需要由语音模块禾1 4 5 0 m h z 电台来完成，其中语音模 块通过u m 接口接入g s m r 网络。而通用数据传输功能则需通过g p r s 数据模块完成， 它工作于g p r s 方式时按照u d p 通信协议通过u m 接口接入g s m r 网络。 0 第三章车载机车综合平台硬件组成方案 在图3 1 中主机通过r s 2 3 2 串口对各功能模块进行通信控制。下面分别就机 车综合平台各主要构成模块的功能进行详细介绍，其中对于涉及机车综合平台软 件设计的重点模块如主机和g p r s 数据模块等还着重分析了其硬件选择方案。 图3 1 机车综合平台 1 主机 主机是整个车载机车综合平台的核心部分，它的功能是一方面要接收和处理 来自其它模块( f f o 如m m i ) 的信息，并向这些模块发送控制信息。另一方面将从 其他模块接收到的数据传送给相应目的模块。也就是说，机车综合平台的各功能 模块通过主机进行信息互传，或数据转发，并接受它的控制。 要实现以上功能主要可采用以下两种方法，一种方法是可以通过使用嵌入式 芯片+ 外围电路的方式设计实现，其优点是灵活性较强，但全部需要自行开发研 制，需要花费较长时间。为了更快的研制出产品，本课题决定采用另一种方法， 即应用现成的工控机( i n d u s t