（通信与信息系统专业论文）高速环境下gsmr网络电路域数据传输分析及改善策略研究.pdf

中文摘要 摘要：我国的高速铁路普遍采用c t c s 3 级列控系统，通过g s m r 无线网络提供 的电路域数据业务实现车地信息双向传输。相比于低速或静止条件，在高速条件 下车地信息传输会受到多普勒频移、快速多变多径效应、频繁越区切换等因素的 影响，导致出现数据误码率增大、传输异常中断等问题，会在一定程度上影响列 车控制系统的安全性和可靠性。 本论文针对我国铁路现状，深入研究了高速环境中电路域数据的传输特性和 传输可靠性的改善策略。首先分析了高速环境下g s m r 网络电路域数据传输的特 性，探讨了高速环境下影响电路域数据传输的因素，并且利用郑西客运专线网络 优化期间采集到的数据，针对高速环境对电路域数据传输的影响进行了定量统计 分析。测试数据表明列车速度的提高会导致上、下行无线链路的数据传输误码率 都出现不同程度的恶化，进而影响到电路域数据传输的可靠性。为克服高速影响， 提高电路域数据传输的可靠性，论文提出了两种改善方案。一是从改善无线链路 的性能出发，提出将m i m o 技术引入g s m r 网络的方案，构建高速环境下m m o 系统的链路级仿真模型，分析m i m o 技术的引入带来的通信系统性能提升；二是 从改善c t c s 3 级列控系统的应用方式出发，提出将同一列机车两端列控系统 g s m r 无线模块的天线交叉连接，双路冗余并行传输数据的方案，并结合郑西、 武广的车地通信故障情况，分析了改进方案的优缺点。 关键词：高速；列车控制系统；g s m r 网络；数据传输 分类号：t n 9 2 9 5 a bs t r a c t a b s t r a c t c 1 1 i m 仃a i l lc o n 昀ls y s t e m - l e v e l3i sw i d e l y 璐e di nt l l cl l i 庐一s p d 姐i l w a y sa c f o s sc l l i n a ，a 1 1 dd a t a 咖l s i i l i s s i o nb e 帆e o n b o a r da n d 仃a c k s i d ei 1 1c t c s 3 s y s t e mi sp r o v i d e db yc i 姗i ts w i t c hd a t as e r v i c e so fg s m rn e 咐o r k c o m p a 捌t 0 l o w s p e e do r s t a t i cc o n d i t i o n s ，d a t a 仃a n s m i s s i o nu n d e rl l i 曲一s p e c dc o n d i t i o 郴i s s u f e 打e d 仃o mp r o b l e m so f 自o q u e n t l ys h o r ti n t 唧t i o 船，d a t ae n o rr a t ei n c r e 嬲i n g 觚d n a n s m js s i o na ：b o r ti s s u e sd u et os o m ea d v e r s ee f f e c t s ，s u c ha sd o p p l e rs b j f t ，f a s t c h 锄咖gm u l t i - p a l l le 侬矗明u e n th a n d o f f 锄do m e rf a c t o r s nw i l la 脏c tt l l es e c l l r i t y 锄dr e l i a b i l i t yo f 廿l en 试nc o n n 0 1s y s t 锄 a c c o r d i n gt 0m ec i l l l r c n ts i t 咖o no fc i l i n a 也ep a p e rd e 印l yr e s e a r c h 锱坨 c b a r a c t 面s t i c so fd a t a ，咖s i n i s s i o n 蚰d e rh i 曲s p e e dc 0 n d i t i o l l s ，觚dp r o p o s 鹪 i 玎1 p r o v e m e n ts t r a t e g yt 0e r l l l a l l c em er e l i d b i l i t ) ro fd a t a 缸a n 跚【l i s s i o n f i r s to fa l l ， g s m rc i 姗i td a t a 仃a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa i l dm ef a c t o 瑙w l l i c ha f f e c td a t a t r a n s i i l i s s i o nu n d e rl l i 曲一s p e c dc o n d i t i o 璐a r ed i s c u s s e d t h e l l 圮t 髓td a t ac o l l e e d 丘o mz h e i l 孕h o u - x i 觚d e d i c a t e dp a s s e i l g e rh n ei sc o u n t e dt o 趾a l y z e 也e 拣c t i o no f c i r c u i ts w i tc _ hd a t a 仃a n s i t i o n 蕾吣ml l i 曲s p e e d a n d l ct e s tr e s u l t si n d i c a l em a td a t a 仃a n 锄j s s i o ne 聃rr a t eo fd o w i l l i n k 锄du p l i l l kw i l lb o n lb ei n c r e 弱e da l o n gw i n l 也e i i l c r c 弱i i l g 衄血s p e c d ，s 0 心r e l i a b i l 埘o fd a t a 仃a n s 血s s i o n 谢nb er o d u c c d 1 1 l i sp a p 盯 p 1 o p o s 骼t v 吣i l l l p r 0 v 锄e n ts 眦e 百e si i lo r d e rt 0o w 暂c o m et l l ei l l l p a m 矗0 m1 l i g h - s p e e d ， a l s ot oi l n p r o v e 也er e l i a b i l i 锣o fd a t a 仃a n 踞l i s s i o n o no n eh 觚d ，m ot e c h n o l o g ) ri s i 1 1 仃o d u c e dt 0t h er a i l w a ya r e ai i lo r d e rt 0i i l l p r 0 v et h ep e r f 0 n n a n c co ft l l ew i r e l e s s c h 锄e 1 ，锄dal i i l kl e v e ls i i n u l a t i o nm o d e lb 嬲e do nm os y s t 锄u n d e rl l i g hs p e e d r a i l w a yi s 髓t a b l i s h e d ，a l s 0m ea p p l i c a b i l 姆a n di i n p r o v e dq u a l 时a r e 锄a l y z e d a c 硎i n gt ot h ec i 】盯e n tn 咖o r k o nm eo m c rl 珊【1 d ，也ep 印e rm a i l l l yf o c u s e do nh o w t 0i i i l l ) r 0 v e 吐1 e 优l r e n ts t n j c t l l r eo fc t c s 一3s y s t e m a c c o r d i n gt 0 l i si s s u e ，as o l u t i o n o f 啪s s - c o n n e c t i n gm eg s m r 觚t 锄鹤o fm ec t c s 3s y s t 锄i i ln l ed i 脑雠c a b 氓 a l s o 印p l y 恤gd l l a lr e d l m d 锄td a t a 灯锄舳i s s i o ni sp r o p o s e d t h e n ，t 1 1 ea d v 锄t a g e s 趾d d i s a d v 嘲g e so ft 1 1 e 佃叩r o v c ds c _ h 锄ea 聆a n a l y z e dc ( l b i l l i i l gw i n lt l l ec ( 小m 疵c a t i o n 筋l u r ch a p p 铋e di n 乃吼翻1 0 1 l - x i 锄d 础c a t e dp 嬲s 胁g e rl i i 怆 k e y w o r d s ：h i g hs p e e d ；t r a j nc 0 i l 仃o ls y s t e m ；g s m rn e t 、o r k ；d a t a 饥i 船n l i s s i c i a s s n o ：t n 9 2 9 5 致谢 本论文的工作是在我的导师张小津副教授的悉心指导下完成的，张老师严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢这两年半 来张老师对我的关心和指导。 钟章队教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向钟老师表示衷心的谢意。 实验室的金晓军、朱刚、李旭、吴吴、许荣涛、艾渤、熊磊等老师对于我的 科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，蒋文怡老师、丁建文老师、武贵君老师、庞 萌萌、丁殉等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的 感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1列控系统的发展 列控系统是列车运行控制系统的简称，是对列车运行全过程或运行部分过程 实现自动控制的系统。在列控系统中，列车通过获取的地面信息和命令，控制运 行速度，调整与前行列车之间必须保持的距离。列控系统是高速铁路的一个重要 组成部分，是保障高速铁路运营安全、提高运营效率的核心技术装备。 1 1 1列控系统信息传输方式的发展 一般列控系统包括地面设备、车载设备、信号数据传输网络和车地信息传输 设备。地面设备提供线路信息、目标距离和进路状态。车载设备生成目标距离连 续速度控制模式曲线。信号数据传输网络实现地面设备间的数据信息交互。车地 信息传输设备完成地面设备和车载设备的信息交互。 车地信息传输媒介的发展主要经历了轨道电路、轨道电缆、点式设备和无线 传输四种方式。不同列控系统处理方式不同，有的仅使用一种传输方式，有的以 一种为主，辅以其它方式，还有的利用车载数据库来贮存线路数据。 ( 1 ) 轨道电路 轨道电路作为列控系统的传输方式已经有百余年的历史，它在保证铁路安全运 输中起到了重要作用。岍系统、日本a t c 系统等均采用轨道电路传输。但是轨 道电路存在一些缺点，它的传输环境恶劣，传输信息量小，速率低；闭塞分区长 度按最小制动性能列车能在红灯前停车的距离划分，限制了区间通过能力的进一 步提高；适应能力差，列车速度提高后，为保障安全，必须增加信号显示数目甚 至重新分隔轨道电路，需投入大量资金，而且改造的同时会影响既有线路上列车 的运行；轨道线路设备更新、维护费用高。传统的基于轨道电路的列车控制系统， 已经不能满足现代铁路运输信息化的需要。 ( 2 ) 轨道电缆 德国l z b 系统采用轨道电缆实现了双向信息传输。1 9 6 5 年在慕尼黑一奥斯 堡间首次运用，德国已装备了2 0 0 0 虹铁路线，l z b 是1 9 6 5 年以前开发的系统。 它利用轨道电缆作为车地间双向信息传输的通道，并且需要轨道电路来检查列车 占用，轨旁设备较多，给维修带来不便。l z b 以地面控制中心为主计算制动曲线， 车载信号设备智能化不够与其它列控系统兼容比较困难。 ( 3 ) 点式设备 包括点式应答器和点式环线两种。在欧洲列车控制系统e t c s 2 ( e 1 d p et r a i l l c o n 臼0 ls y s t e m l e v e l2 ) 级中主要提供列控系统的辅助信息，如里程标、线路数据、 切换点等；在e t c s 1 级中利用点式设备提供全部控车信息。 ( 4 ) 无线传输 欧洲e t c s 2 及e t c s 3 级技术标准明确利用g s m r 无线系统进行列控信息车 地双向传输，欧盟通过立法的形式确定了e t c s 技术标准。其中，e t c s 一2 级是在 既有信号系统上叠加使用。e t c s 根据地面信号系统的情况，确定每列列车的移动 授权。各种移动授权在地面生成，通过g s m r 网络传送给列车。而e t c s 一3 级取消了 传统的地面信号系统，列车定位和列车完整性检查由地面r b c 和列车完整性验证系 统( 不属于e r t m s e t c s ) 共同完成。r b c 在其管辖的区域内跟踪每列列车的位置， 根据各列车发回的信息进行进路的锁闭或解锁，并确定每列列车的移动授权【l j 。 随着人类进入高速列车时代，为了保证高速列车安全运行，实现列车自动控 制，要求列车与地面之间进行双向、大量信息传输。为满足列车和地面之前的这 些双向、大量信息传输需求，具有功能完善、传输可靠、交换灵活、容量大等特 点的g s m r 技术，逐步开始在铁路发展中扮演着越来越重要的角色，而g s m r 网络所提供的电路域数据传输业务也成为传输车地通信数据的基本承载业务，引 导着全球铁路事业向着数字化、智能化、网络化和综合化的方向迈进。 1 1 2我国列控系统的发展 我国研究和发展列控系统已有约2 0 年的时间，尤其是近1 0 年来，我国列控 系统的研究、建设取得了较快的发展。在借鉴和研究国外典型列控系统技术体系 的基础上，充分结合我国列车种类繁多、线路复杂，客货混跑、高低速列车共线 运行等实际情况，2 0 0 2 年铁道部确定了发展中国铁路列车运行控制系统( 简称 c t c s ) 的战略：将中国列车控制系统c t c s ( c h i i l at r a i nc o n 们ls y s t e m ) 划分成5 个等级，包括c t c s 0 级、c t s 1 级、c 1 s 2 级、c t c s 3 级、c t c s - 4 级l z 。 c t c s o 级列控系统由通用机车信号和列车运行监控装置组成。c t c s 1 级列 控系统由主体信号和安全性列车运行监控装置组成，面向1 6 蛐以下的区段。 c t c s 1 级列控系统采取大贮存的方式把线路数据全部贮存在车载设备中，靠 逻辑推断地址调取所需的线路数据，结合列车性能计算给出目标距离式制动曲线。 同时，c t c s 1 级列控系统在c t c s o 级基础上增加点式设备，实现了列车运行安 全监控的功能，是对c t c s 0 级列控系统的全面加强。 2 c t c s 2 级列控系统是基于轨道电路和点式信息设备传输信息的列车运行控 制系统，主要面向提速干线和高速线，适用于各种限速区段，地面可不设通过信 号机。轨道电路完成列车占用检测及完整性检查，连续向列车传送控制信息；点 式信息设备传输定位信息、进路参数、线路参数、限速和停车信息。c t c s 2 级采 取准移动闭塞方式，追踪运行间隔比之前的固定闭塞方式小。 c t c s 3 级列车运行控制系统是基于g s m r 无线通信实现车地信息双向传输， 无线闭塞中心生成行车许可，轨道电路实现列车占用检查，应答器实现列车定位， 并具备c t c s 2 级功能的列车运行控制系统，是当前高速客运专线发展领域的重要 研究和发展对象。2 0 0 9 年1 2 月武广高速铁路和2 0 1 0 年2 月郑西高速铁路的正式 投入运营，标志着c t c s 3 级列车运行控制系统已成为中国铁路时速大于3 0 0 m 客运专线的重要技术装备。 c t c s 4 级是完全基于无线通信( g s m r ) 的列车运行控制系统。 根据2 0 0 5 年3 月审议并原则通过的环渤海京津冀地区、长江三角洲地区、 珠江三角洲地区城际轨道交通网规划，到2 0 2 0 年，环渤海将基本形成以北京、 天津为中心的“两小时交通圈”：长三角将基本形成以上海、南京、杭州为中心的“1 2 小时交通圈”；珠三角将建成以广州为中心，以广深、广珠城际轨道交通为主轴， 覆盖区内主要城市，衔接港澳地区的城际轨道交通网络。高速铁路网的形成，意 味着长三角、珠三角、环渤海三大都市圈之间的时空距离大大缩小。 1 2基于g s m r 网络的c t c s 一3 级列控系统 1 2 1g s m r 系统概述 g s m r 是一种基于目前世界最成熟和通用的公共无线通信系统g s m 平台上 的、专门为满足铁路应用而开发的数字式的无线通信系统，针对铁路通信列车调 度、列车控制、支持高速列车等特点，为铁路运营提供定制的附加功能的一种经 济高效的综合无线通信系统。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 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，可以方便快捷地为用户提供网络设计安装。 它基于g s m 的基础结构及其提供的电信业务，提供了铁路特有的基础业务，并以 此作为一个信息化的平台，使得用户可以在这个信息平台上开发各式各样的铁路 应用业务。 3 由于g s m r 是由已标准化的设备改进而成，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地改动，其在g s mp h a s e2 + 中添 加了a s c i ( 增强的语音呼叫业务) 特性，能灵活地提供专网中所需的用户语音服 务如语音广播业务( v o i c eb r o a d c a s ts e i c e v b s ) 、语音组呼业务m i c eg r o u pc a l l s e 而c e v g c s ) 和增强型多优先级和强拆业务吲( e i l l l a j l c e dm u l t i l e v e lp r e c e d e i l c e a n dp r e 锄p t i o ns e r v i c e e m l p p ) ，图1 1 为g s m r 系统的业务模型层次结构的示 意图： 铁路应用 铁路基本业务臣垂i j 委四巨亟i j j 园匝垂! j i 圈臣e 豆至垂j 豆蛋 图1 1g s m r 系统业务模型层次结构示意图 f i 舭1 - 1n e s 衄l c t u r eo f g s m rs y s t 锄 1 2 2c t c s 3 级列车运行控制系统 c t c s 3 级列车运行控制系统由车载设备和地面设备两部分组成。具体结构示 意图见图1 2 所示，车载设备包括车载安全计算机( v c ) 、轨道电路信息接收单元 ( t c r ) 、g s m r 无线通信单元、应答器信息传输模块( b 肿旧、列车接口单元 ( t r u ) 和人机界面( d m d 等h ； 地面设备包括无线闭塞中心( r a d i ob l o c kc 锄t * r b c ) 、列控中心( t c c ) 、 z p w 二2 0 0 0 ( u m ) 系列轨道电路、应答器、g s m r 通信接口设备等； 4 图l - 2c t c s 3 级列车运行控制系统构成 f i g 嗽1 2s t l l 劬鹏o f c h i n ac o n 仃d ls y s t e n l 一l e v e l3 在c t c s 3 级列控系统中，车载设备通过无线网络向地面无线闭塞中心l m c 设备汇报列车位置、请求移动授权，接收并执行来自地面l 国c 设备的控制命令， 控制列车安全运行；地面设备通过无线网络向车载设备发送移动授权，实现速度 限制、紧急停车等功能，远程对高速列车的运行进行调度控制。 g s m r 无线网络是c t c s 3 级列控系统车载设备和地面设备间的传输媒介， c t c s 3 级列控系统通过g s m r 无线网络进行车地信息传输的交互。c t c s 3 级列 控系统对g s m r 网络提出了如下相关承载业务和特性需求： 电路交换模式下的数据传输； 数据传输允许多速率数据流，即速率自适应； 异步透明传输模式。 全速率无线信道； 为保障c t c s 3 级列控系统的高度安全可靠，必须保证车载和地面设备随时随 地都能高效、可靠通信。 5 1 3 课题研究现状和意义 武广和郑西高速铁路的开通，标志着中国的高铁时代已经来临。在c t c s 3 级列控系统中，车地数据交互采用g s m r 网络提供的电路域数据传输方式。随着 列车速度的不断提高，相比于低速或静止条件，在高速条件下车地信息的传输会 受到多普勒频移、快速多变多径效应、频繁越区切换等因素的影响，出现频繁瞬 时中断、呼叫建立时延过大、数据误码率增大、传输异常中断等问题，这会在一 定程度上影响车地数据传输的可靠性，降低进而影响到列控系统的安全性和可靠 性。为保证列控系统车地数据传输的可靠性，需要针对高速环境下影响电路域数 据传输的因素进行系统研究和综合分析， 略，以改善高速环境下的无线数据传输， 可靠性。 针对这些影响因素，考虑相应的改进策 提高高速铁路运营的舒适性、安全性和 目前，国内外很多学者致力于列控系统中数据传输的研究，文献 5 和 1 6 】中研 究了g s m r 网络数据传输关键性能指标及其测试方法，探讨了网络性能指标的取 值对列控系统的影响：文献 1 3 】和 1 8 】中探讨了高速铁路环境下无线信道的传输特 性，分析了高速环境对通信系统误码率的影响，但并未详细结合列控系统讨论高 速环境对电路域数据传输的影响；文献【1 2 】中针对影响g s m r 服务质量的路径损 耗、多径衰落和越区切换三个因素出发，分析了高速环境对电路域数据传输的影 响，提出了一种适合g s m r 无线网络的快速切换算法。前人的研究中探讨高速环 境下的无线网络的传输特性居多，与列车控制系统的传输策略相结合进行探讨的 较少。本文是在前人研究的基础上，首先分析了高速环境下电路域数据传输的特 性，并提出了二种改善高速环境下电路域数据传输可靠性的策略，为提高g s m r 网络的无线链路和电路域数据传输的可靠性提供理论参考。 1 4 论文的主要工作 论文研究了高速环境下电路域数据的传输特性，通过对郑西客运专线网络优 化期间搭建测试系统采集到的数据进行定量分析，探讨了高速环境对电路域数据 传输的具体影响。然后从g s m r 通信系统本身和列控系统的数据传输结构出发， 提出了两种车地数据传输可靠性的改善策略。论文共分五章，各章结构如下： 第一章：总结列控系统中信息传输方式的发展情况，并介绍了基于g s m r 无 线网络的c t c s 3 级列车控制系统，阐述该课题的研究现状，引出课题的研究意义 及本文的主要工作； 第二章：研究g s m r 网络数据传输的方式和特性，分析高速环境下影响电路 6 域数据传输的因素，通过对郑西客运专线网络优化期间搭建测试系统采集到的数 据进行定量分析，探讨了高速环境对电路域数据传输的具体影响； 第三章：为提高数据传输可靠性，研究g s m r 系统中引入m 蹦o 技术的可 行性，并针对方案搭建高速环境下m m o 系统的链路级仿真平台，通过仿真和分 析探讨m 蹦o 技术带来的无线链路可靠性的提升； 第四章：分析c t c s 3 级列车控制系统使用g s m r 无线网络进行数据传输的通 信方式，结合实际应用情况对列控系统的数据传输方案进行研究，提出了一种将 同一列机车两端列控系统g s m r 无线模块的天线交叉连接，双路冗余并行传输数 据的优化方案，并结合实际工程将其和现行列控系统中的数据传输方案进行了对 比分析； 第五章：总结与展望，指明进一步研究方向。 本论文的贡献主要包括以下几个方面： 通过实际测试和定量分析评估高速环境对g s m r 无线网络和电路域数据传输 的影响。 从电路域数据传输业务的承载层面，即g s m r 无线网络侧出发，研究g s m r 系统中引入m i m o 技术的可行性，并针对方案搭建高速环境下m i m 0 系统的 链路级仿真平台，分析m m o 技术在高速环境下的适用性和带来的性能增益。 从电路域数据传输业务的应用层面，即c t c s 3 级列车控制系统侧出发，对列 控系统的数据传输方案进行研究，并提出了一种将同一列机车两端列控系统 g s m r 无线模块的天线交叉连接，双路冗余并行传输数据的优化方案。 7 2 高速铁路环境下g s m r 网络电路域数据传输分析 2 1g s m r 网络数据传输方式和传输流程 2 1 1数据传输方式 g s m r 网络提供了两种数据传输方式，电路域数据传输和分组域数据传输。 电路域数据传输采用传统的以电路连接为基础的交换方式，在g s m r 网络数 据传输中被称为c s d 业务。电路域数据传输的整个过程大致分为建立线路、占用 线路并进行数据传输、释放线路三个阶段。应用于列控系统中，在进行数据传输 时，首先需要在车载设备和地面设备间建立起通信链路。该数据传输方式的实时 性和可靠性好，符合列控业务的数据传输需求。 分组域数据传输方式使得用户能够在端到端分组传送模式下发送和接收数 据。由于无线资源采用动态分配方式，一个用户可分配多个时隙，一个时隙也可 由多个用户共享，用户虽然与网络一直连接，但仅当有数据传送时才占用无线信 道资源，属于非安全性的数据传输业务。 ( 1 ) 电路域数据传输 g s m r 网络提供的典型电路域数据传输业务接入方式如图2 1 所示。 i s d n 接入服 务器 t e ：终端设备b s s ：基站子系统m s c ：移动交换中心 m t ：移动终端i s c ) n ：综合业务数字网。 图2 1g s m - r 网络电路域数据传输业务接入框图 f i g u r e2 一ld i a 星髓mo fg s m rc i r j i ts 血c hd a t at i 砒峪m i s s i o ns e r v i 移动侧通过g s m r 无线通信模块( m t ) 接入g s m r 网络，固定侧通过m s c 与i s d n 接入设备相连【5 1 。 ( 2 ) 分组域数据传输 g s m r 网络提供的典型分组域数据传输业务接入方式如图2 2 所示。 8 t c p i p 接入 t e ：终端设备b s s ：基站子系统m s c ：移动交换中心m t ：移动终端 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 图2 - 2g s m r 网络分组域数据传输业务接入框图 f i g l | 托2 2d i a g r a mo fg 锄e r a lp a c k e td a t at 豫n 跚i s s i o ns e r v i c e 应用于分组域传输方式的g p r s 网络在g s m r 原有网络的基础上增加了 g p r s 业务支持节点( s g s n ) 和g p r s 网关支持节点( g g s n ) 两个功能实体。 s g s n 相当于传统g s m 系统中的m s c l r ，主要功能是对移动台进行鉴权、移 动性管理和路由选择，g g s n 是用于接入外部数据网络和业务的节点，s g s n 和 g g s n 的功能可以在一个物理节点内实现，也可以放置在不同的物理节点内。g p r s 共用g s m r 系统的基站，但b s c 需要增加处理分组数据及无线分组信道管理的 分组控制单元( p c u ) ，同时b s c 中还要增加新的移动性管理软件。 分组域传输方式的移动终端需要支持g p r s 业务，g p r s 分组域数据传输通道 建立成功后，移动端和固定端都被g g s n 分配一个口地址，双方通过t c p 口方 式进行数据交互。 无论是电路域数据传输还是分组域数据传输，数据传输有两种模式：透明和 非透明模式【6 1 。 ( 1 ) 透明模式 对于透明模式，信息流通过无线信道时由无线信道传输方案提供的前向纠错 机制完成纠错，在传输速率较低的情况下，采用透明模式能得到较好的传输效果。 ( 2 ) 非透明模式 对于非透明模式，除了由无线信道传输方案提供的前向纠错机制外，还使用 了差错重发机制，如果另一端不能正确收到本端发送的信息时，本端应能重发该 信息。非透明模式的残余误码率优于透明模式，但是它的吞吐量和传输时延会随 着无线信道传输质量的改变而变化。 2 1 2电路域数据接入和传输流程 在进行电路域数据传输时，电路域数据主叫应用设备首先要通过a t 指令控制 9 g s m r 无线模块拨号，无线模块根据接入指示将被叫信息传输给g s m r 网络， 由g s m - r 网络根据被叫号码寻找相应的被叫实体，分配相应的数据传输通道，呼 叫建立成功后，双方就可以进行正常的数据交互。应用数据经过一系列速率适配 和协议处理，传送至对端，即完成了数据的发送和接收。传输完毕，一方控制挂 断，释放数据链路【刀【8 】。 目前，g s m - r 网络电路域数据业务主要应用于移动车载设备呼叫地面固定设 备。数据接入和传输的具体流程如图2 3 所示： 划 瓣噱口p r i 接口 被叫( i s d n 接入设备) s e t u p c a p r o e d i n g ( 幻n n e c t c o n n e c ta c k n o w i e d g e 一 脚弱 舛7 力 _ d s c o n n e c t r e 蛔s e r e 晤a s ec o m p l e 伯 信令 用户数据 信令 图2 - 3g s m - r 网络电路域数据接入和传输流程图 f j g i 聪2 - 3a c c 岱s 柚dn 粕钮l i 鹃i 蚰p r o c e d u r eo f g s m - rc i r c l l i ts 谢t i 出d a t a 图2 - 3 中左侧为移动主叫设备，对应于c t c s 3 级列控系统车载无线控制单元 和g s m - r 无线模块，右侧为地面侧固定设备，对应于c t c s 3 级列控系统地面无 线闭塞中心。 车载进行呼叫时，首先要检测无线模块的网络注册状态及接收电平，如果成 功注册网络且接收电平满足通信需求，则通过a t 牛c b s t 指令设置电路域数据传输 业务的承载速率。目前国内列控相关业务使用的数据传输速率主要有9 6 0 0 b p s 和 4 8 0 0 b p s 两种，9 6 0 0 b p s 的数据承载速率主要应用于中低速线路，如大秦线、青藏 l o 线。对于时速超过3 0 0 k m 的高速列控线路，例如c t c s 3 级列控线路，主要使用 4 8 0 0 b p s 的业务承载速率，原因是在高速条件下无线信道的质量会出现一定程度的 恶化，9 6 0 0 b p s 的电路域数据传输误码率无法达到规定的指标要求。 承载速率设置完毕，通过a = r 命令朋m + 被叫号码执行呼叫，尝试连接被叫侧 的应用实体。如果接入正常，返回c o n n e c t 连接成功，则g s m r 无线模块可以 由空闲模式正式转入专用模式，进入正常的数据传输过程。 如果g s m r 网络或应用实体在传输过程中出现异常，传输会被断开，车载侧 g s m r 无线模块返回n oc a r i e e ra t 指令，表明g s m r 无线模块退出专用模 式，返回空闲模式。地面侧p 接口会通过正常的呼叫挂断信令通知被叫用户， 释放相关资源。 如果传输过程中未出现异常，传输完毕，主叫侧可以通过正常的舢或将串 口d t r 信号置低挂断当前呼叫，地面侧p 融接口同样会通过正常的呼叫挂断信令 通知被叫用户，释放相关资源。 2 1 3电路域数据传输与电路域语音传输的区别 ( 1 ) 传输的信息量不同，数据传输的信息量可以从几个字节至几千个字节不 等，话音传输每次建立起通话需要几兆的字节，而电路域数据传输都为几个字节 的短信息序列。 ( 2 ) 容错性不同，在话音传输中存在一定的误码率都是可以容忍的，因为进 行通话时，用户之间交流的内容之间具有关联性，用户可以容忍一定的通话质量 的下降，评价话音传输的可靠性具有主观性。话音传输可利用交织、跳频技术等 来均衡错误码字的分布，随机化、分散化信道中的突发错误，有效降低系统中的 干扰，改善话音质量。而电路域数据传输则没有这种容错性，故它不能采用交织 技术来降低数据传输的误码率，一般是在差错控制中采用较短的纠错编码达到与 交织前用较长的纠错编码同样的纠错效果，从而获得较高的编码效率，达到提高 电路域数据传输实时性的目的【明。 在目前的g s m r 网络中，电路域数据传输主要用于列控系统传输车地通信的 信息，故其对g s m r 提供的无线链路的可靠性和列控系统本身的可靠性提出了更 高的要求。 2 2 高速环境下影响g s m r 网络电路域数据传输的因素 2 2 1快速多变多径效应 无线电波从发射天线到接收天线之间的传播方式有直射、反射和绕射三种， 影响无线电波传播方式的重要因素就是发射天线和接收天线之间的地形条件。电 波在传播过程中会遇到很多不同的建筑物、树木和起伏的地形，会引起电波的反 射、散射及绕射等，这样，列车移动台天线接收到的信号是由这些不同路径来的 众多反射波的合成。而又由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径来的 反射波到达接收端的时间和相位也不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，同 相叠加时使信号加强，反向叠加时使信号减弱，形成随机的驻波场。这样，列车 在这种驻波场中运动时，接收信号的幅度将会出现起伏的急剧变化，即产生了衰 落。这是一种由多径引起的衰落，称之为多径衰落。 在铁路环境中，铁路沿线的各种反射和散射体都沿铁路两侧随机的分布，铁 路沿线的地形主要分为以下几种：平原开阔、平原丛林、山区、桥梁、隧道、城 区和涵洞、路堑、高架桥、车站、市区等。铁路两旁具有隔离防护网，交流电气 化铁路的高架电网，形成了一种特殊的带状无线通信环境。当列车在平原行驶， 电波传播主要受地面反射的影响，绕射、反射都很弱；当列车在山区、丘陵和路 堑区段行驶时，铁路沿线分布的障碍物较多，电波会发生复杂的反射、绕射和散 射，多径效应比较明显，根据在路堑地段的步行实际测试，在同一位置接收的电 平波动幅度会达到l 肚1 5 d b ，特别是在带有弯道的路堑区段，上行通话效果较差； 当列车行驶经过车站或者在车站停留时，此时的传播环境类似于市区的地形环境， 唯一不同的是，车站存在站棚，或者有天桥和高架通道，也会带来一些多径效应。 多径衰落可以从空间和时间两个方面来描述和测试。从空间角度来看，沿列 车运动方向，接收信号的幅度随着距离变动而衰减。其中本地的反射物所引起的 多径效应呈现较快的幅度变化。从时域角度来看，由于各个路径的长度不同，信 号到达接收端的时间就不同。这样，如从基站发送一个脉冲信号，则接收信号中 不仅包含该脉冲，而且还包含它的各个时延信号。这样由于多径效应引起的接收 信号中脉冲的宽度扩展现象，称为时延扩展，时延扩展会影响移动通信系统的通 信质量。 用相干带宽毋来表示时延扩展带来的影响，它是指在一个特定的频率范围内， 两个频率分量的幅度有很强的相关性。若两个正弦信号的频率间隔大于相干带宽， 则这两个信号受到的信道影响不相同，定义相干带宽为频率相关函数大于o 9 的某 个特定带宽，其可以表示为： 皿= 击 ( 2 _ 1 ) 较小的相干带宽意味着频率选择性衰落和较大的时延扩展【1 0 】【i l 】。 1 2 2 2 2 多普勒效应 由于列车的不断运动，固定点接收到的载波频率将随运动速度的不同，产生 不同的频率偏移，这种现象称为多普勒效应。而在高速铁路环境下，高速列车的 移动速度要远高于一般的汽车的移动速度，故它的多普勒频移加大，衰落现象更 加严重。 b 男叁 、 v 图2 - 4 多晋勒效应不恿图 f i g u r c2 - 4d o p p l e re 眠ts k e t c hm 印 如图2 4 所示，列车以恒定速度v 在长度为d ，端点为x 和y 的路径上运动， 无线电波从基站b t s 出发，在x 点和y 点分别被列车接收时所走的路程差为 出：j c o s 口：础c o s 秒。其中，缸是列车从x 点运动到y 点所需的时间，口是x 和y 处与入射波的夹角。由于源端b t s 距离很远，可假设x 、y 处的日是相同的。 所以，由路程差造成的接收信号相位变化值为： 够：型：兰丝c o s 矽够= = c 0 s 旯a ( 2 2 ) 当环境物体的速度足够大时，该运动物体将对小尺度衰落起重要作用。移动 台与接收机之间的相对运动引起的多普勒频移可由下式来表示： ：土丝：兰c o s 乡 删 2 万出 名 ( 2 3 ) 从该式中可以看出，当列车向基站方向运动时，频率变高，多普勒频移为正； 当列车向远离基站的方向运动时，频率变低，多普勒频移为负。这就好像对信号 又进行了一次频谱的搬移，多普勒频移是一种非人为的频率调制。 由上面的式子，可以得到最大多普勒频移为： 丘= m a 】【 厶) = ( 2 - 4 ) 1 3 由于列车和基站之间的相对运动，或者是多信道环境中物体的运动引起无线 信道的时变特性，因此在无线数字通信中，接收端每隔一段时间即要对信道进行 估计，用来捕获信道的时变信息，及时调整接收端的信道模型，多普勒扩展和相 干时间就是描述信道时变特性的两个参数。 多普勒扩展代表频谱展宽的测量值，用它还衡量移动无线信道的时间变化率。 当基站发射频率为疋的单频波时，列车接收端的接收信号的频谱会从频率为z 的 谱线扩展为z 一无到z + 厶的有限谱带宽( 厶= m a x ( 以) ) ，在多径环境下，接收 信号的频谱结构中会产生不同的多普勒频率偏移，这种频移会造成多普勒扩展。 多普勒扩展会降低接收机的输入信噪比，会影响其误码率性能。 多普勒扩展在频域的表示是相干时间，用于在时域描述信道频率扩散的时变 特性，与最大多普勒频移成反比，在移动通信系统中，相关时间由下式给出： 乃= 去 ( 2 - 5 ) 相干时间就是指一段时间间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果 基带信号的带宽的倒数大于信道相关时间，那么传输中基带信号可能就会发生变 化，导致接收机解码失真。通常，相干时间取为信号包络相关系数为o 5 时的值， 此时，相干时间近似计算公式为： 互= 志 ( 2 - 6 ) 相干时间z 的值越大，表示信道变化的速度较慢；反之，表示信道变化的速 度较快【1 2 】【1 3 】。 对于高速铁路环境，采用的覆盖方式为线状覆盖而非面状覆盖，绝大多数情 况下，基站位于运行列车的正前方，正后方较小的角度范围内，多普勒频移可根 据最大多普勒频移来计算。对于铁路的9 0 0 m 频段，当列车速度为3 0 0 k m h 和 5 0 0 l ；m l l l 时，最大d o p p l c r 频移可达2 5 0 h z 和4 1 7 h z 。信道特性的快速变化，将影 响误码率和数据传输的突发帧错误平均长度。 2 2 3频繁越区切换 在g s m r 网络基站站距一定的情况下，列车运行速度越快，发生越区切换的 频率越高。同时，为提高保证整个系统的可靠性，高速线路g s m r 无线网络多采 用交织覆盖方式，基站站距更短，越区切换的频率会相对更高。 按照国内c t c s 3 级高速铁路的设计与运行情况，考虑两个相邻基站的平均间 距3 k m ，列车行驶速度为3 5 0 h n l l ，每秒钟大约行进1 0 0 m 。一次完整的越区切换 1 4 的时间为6 s 左右，完成一次切换所需要的距离是6 0 0 i i l 。如果切换不够快的话，可 能导致切换还未完成，列车已经驶离重叠区而导致既没有接入新小区也无法返回 原小区，发生掉话事故，这将直接导致车地数据传输信息的中断，严重时可导致 列车的紧急制动，影响到列车的正常运营；即使是在正常的切换过程中，g s m r 列车的车载设备只能与一个基站进行通信，当车载设备离开原基站接入新基站时， 会发生3 0 0 5 0 0 m s 的通信中断，随着列车速度的逐步提高，越区切换的频率也将 提高，高频率的短时通信中断也可能会导致车地信息传输的丢失从而增加列车运 营安全的风险。 2 2 4弱场强区和场强盲区的覆盖 铁路环境下的覆盖属于链状的覆盖， 桥梁、隧道、城区、路堑、涵洞和平原， 高速列车沿途的铁路环境复杂，有山区、 这些环境下的损耗很大，通常会容易出 现盲区或者是弱场区，其无线覆盖区域与公众网络相比较不规则，传输质量容易 恶化，会影响到g s m r 系统的可靠通信【1 1 】。 列车中电路域数据的传输还会受到不同的天气状况和各种自然的和人为的干 扰，如：列车本身的大功率牵引电机的电机转向和电磁场，电气化区段供电网的 高