（通信与信息系统专业论文）gsmr系统e接口分析与跨msc越区切换的研究.pdf

鼗塞交遵叁堂瓒圭堂夔途塞史窒蕉鬟 中文摘要 摘要：g s m r 作为铁路专用的通信技术，正在世界铁路范围内得到越来越广 泛的应用，撼动着各国铁路彳亍业的发展。随着我国高速铁路和客运专线的建设， g s m - r 数字移动逶信系统在我莺迅速发展，薨髓锌对不两豹应矮嚣鬣了稻应黥试 验。 随着g s m - r 在我尉豹进一步发展，g s m r 核心节点豹建设也藏在按照铁路 发展的规划稳步透行当中，核心网带点m s c 之蠲褥交褥不褥孤立雨怒楚于相互联 系之中。列举在运行途中可能要经过多个m s c 覆盖的区域，发生垮m s c 切换腮 瓣续切换，簇j 琏：毒必要对m s c 之瓣的接口与跨m s c 切换等翘题进纷研究。 本文首先分析了m s c 之间e 接口的组网方式、协议栈、监务实现原理及信令 流程，特别对跨m s c 切换原理进杼了详细的分析。接着针对跨m s c 切换容易失 败导致搏话约特点，对鑫秘可麓导致切换失败戆原因递簿了分援，憨结了查找殿 闵、解决问题的办法。本文重点提出了一种适糟于高速铁路环境的新型快速切糗 算法，在理论上对该算法的实现方式和性能进行了分析，并与常规的切换算法程 甥换嚣延上遴鳕了毙较，表弱了本舞法在缩短甥换嚣延上瓣1 # 楚翻玲德。 关键词：g s m r ；e 接阴；跨m s c 切换；快速切换算法 分类号：t n 9 2 9 5 2 i 塞窑蠛厶堂鳓堂缱论塞璧囱玉照 a b s t r a c t a b s t r a c t ：a s 是s p e c i a lr a i l w a yc o m m u a i c a t i o n st e c h n o l o g y , g s m - ri sn o w i n c r e a s i n g l yw i d e l yu s e di nt h ef i e l do ft h ew o r l dr a i l w a y , a n dc o n t r i b u t e st o t h e d e v e l o p m e n to fr a i l w a yi n d u s t r y 鞭氇t h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e dr a i l w a ya n d p a s s e n g e rd e d i c a t e dr a i l w a y , g s m * ri sd e v e l o p i n gf a s ti nc h i n a v a r i o u sa p p l i c a t i o n s h a sb e e ne x p e r i m e n t e do nd i f f e r e n tl i n e s a l o n gw l 氆g s m - rd e v e l o p m e n ti nc h i n a , t h ec o n s t r u c t i o no f g s m - r c o r en o d e i su n d e rw a ya c c o r d i n gt ot h er a i l w a yd e v e l o p m e n tp l a n ，t h ec o r en e tn o d em s c sw i l l b e c o m ei n t e r c o n n e c t e di n s t e a do f b e i n gi s o l a t e d i ti sp o s s i b l ef o rt r a i n st op a s ss e v e r a l m s c sr e g i o n , t oe x e c u t ei n t e r - m s ch a n d o v e ra n dm t e r - m s cs u b s e q u e n th a n d o v e r , t h e r e f o r e 。i ti se s s e n t i a lt or e s e a r c h0 1 1t h eei n t e r f a c eb e t w e e nm s c sa n di n t e r - m s c h a n d o v e rp r o b l e m s f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h en e t w o r ko r g a n i z a t i o n 、p r o t o c o ls t a c k 、s e r v i c e s p r i n c l p i ea n ds i g n a l i n gf l o w ，e s p e c i a l l yt h ei n t e r - m s ch a n d o v e rp r i n c i p l e , o fe i n t e r f a c eb e t w e e nm s c s ，s e c o n d l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h er o a s o n sr e s u l t i n gh a n d o v e r f a i l u r e ，s u m m a r i z e ss o m em e t h o d st ol o c a t er e a s o na n ds o l v ep r o b l e m s a sh i g h l i g h to f t h i sp a p e r , an e wt y p eo ff a s th a n d o v e ra l g o r i t h ma p p l i e do n t oh i 荫- s p e e dr a i l w a yi s p r e s e n t e d , a n a l y s i si sm a d e0 1 1i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d sa n dp c r f o n m a n c oo ft h i s a l g o r i t h m , c o m p a r i s o nt ot h en o r m a lh a n d o v e ra l g o r i t h mi sa l s om a d et oi n d i c a t et h e r o l ea n dv a l u eo ns h o r t e n i n gt h eh a n d o v e rt i m e - d e l a yo f t h ef a s th a n d o v e ra l g o r i t h m k e y w o r d s ：g s m - r ；ei n t e r f a c e ；i n t e r - m s ch a n d o v e r ；f a s th a n d o v e ra l g o r i t h m c l a s s n o ：t n 9 2 9 + 5 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学裙关保留、使用学位论文的规定。特 授投京交通大学霹蔹：终学位谂文熬全部或部努内容编入蠢关数据疼遴纾检索， 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簸印件和磁盘。 ( 保密豹学位论文在解密鬃遥用本授权说明) 学位论文作者签名芴侈磊 签字r 期；扩7 年，i 月形鞲 导师签名： s - , 昊 签字舜麓： 靠年踞露多6 舜 整裹黛遥左堂亟圭囊斑论衷 熬铡毪童夔 独剑性声明 本人声明所量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 究成襞，除了文中特别加以标没和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写避豹疆究藏莱，逛不寇含免获褥蔻家交逶大学或其德教骞爨搀豹学镌或 丕器 而使用过的材料。与我一同工件的同志对本研究所做的任何贡献均已程论文中作 了明确的说明并袭永了谢意。 学位论文作翥链名：弓咨毳 签字冈期： 护7 年，z 月。日 致谢 零论文豹工作是在我静簿筛吴吴翮教授静悉心豢学下完簸熬。癸美繇教授严 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。谯此衷心感谢两雄多 来要癸老褥辩我耱关心稿豢甏。 钟章队教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在备方面都给予了我很 丈匏美心帮藜髓，程忿蠢静鬻获老鄂袭示衷玉瓣落意。 在实验窝工作及撰写论文期间，金晓军、朱刚、攀旭、张小津、杨炎、蒋文 绉、丁建文簦老薅瑷凝藩戆、赣慧年簿嚣学对我论文熬臻究王露给予煞薅裁秘， 在此向他们袭达我的感激之情 戆瀑我豹父母，戆瀣蠡稳隽我无私奉麸惑了诲多一舀盘窝浮零，镬我颞剩凳戏 了学业。 覆螽稷掰毒给予我繁韵瓣亲久，老簿、瑗发和嗣学一切蹶剃、幸福毽藏。 i 鏖窑亟厶堂亟堂僮j 金室j l 盍 1 1 综述 1 1 1g s m r 系统简介 1 引言 g s m r ( g s mf o rr a i l w a y ) 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 基础设施，一方面保持了g s m 原有的业务划分，另一方面增加 了一些铁路的特定应用，并以此作为信息平台，使铁路用户可以在此平台上开发 各种铁路应用。g s m r 提供特色业务包括：高级语音呼叫业务( a s c o 和铁路特有 的调度业务。前者包含语音组呼( v g c s ) 和语音广播( v b s ) ，增强多优先级与强拆 ( e m l p p ) 。后者包括：功能寻址、接入矩阵和基于位置的寻址。因此，g s m - r 的 业务模型可以概括为：g s m r 业务= g s m 业务+ 语音调度业务+ 铁路基本业 务+ 铁路应用【l 】。图1 - 1 为g s m r 系统业务模型示意图。 i塑匪塑虿l e 巫亘委烫口 二匦匾e 。 玉墅塑 受口 篓 = = 二壁逐墅匿二= = 等 二二二亘塑量亟 二二 = = 二至受亟耍 二 二二二亘亚亘亟 二= 二二二j 叠里e = 二二 潞一务圈圈圈圜 高级语音呼叫 卫雯星口 二亟垂j 三 要回 二= 二叠巫西固 二 图1 - 1g s m - r 系统层次结构示意图 f i g u r e1 - 1s y s t e r ah i e r a r c h ys k e t c ha m po f g s m - r g s m 业务 g s m 业务包括电信终端业务、电信承载业务和补充业务。 语音调度业务 e m l p p ：对各种业务预先定义优先级，当网络出现无空闲业务信道或用户正 处于通话状态时，高优先级呼叫可以强拆低优先级呼叫。 j 峦黛通太堂赠堂僮蛾室 i 宣 v g c s ：指用户呼叫属于预定义组呼区域和组i d 的被叫用户。在v g c s 中需 要预先设置谲发员帮漩务焉户。菠有鞭务霜户透话中廷占用一个整务倍遭，爨在 同一时间只熊由一个北务用户讲话。 v b s ：冬v g c s 爨有稿戳瓣动筢，区瘸京乎 # 广撩篷务发起臻户冤讲话投幂j 。 铁路基本业务 凌缝寻簸：磅笺浮蛙是攒濒逶遁埂户懿磅耗囊色来磐潮鬻户，遴遂功筑号 的注册或注销，在功能号码和用户的i s d n 号码之间建立一种时应关系。 接久矩黪：接入筵蓐定义签约翅户之趣簸否遴孬孵题懿翱终关系。 基于位鬣的寻址：是指将移动用户发起的具有预定功能的呼叫，路由到一个 与该蠲户当耱联楚短鬟穗关黪囊豹媳缝，铡魏：司撬孵列调浚受或车戆篷班曼， 网络需要根据司机当前所处的位置来确定是哪个调度员或车站值班员。 铁路紧急呼列：楚指具鸯“铁爨紧急挠纛缀”豹孵喇，瘸子通知溺枫、调发 员和其他处于危险级别的相关人员，臻求停止在预先指定地区内的所有铁路活幼。 铁路瘫薅 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爱， 网对实现区剃作业人员豹移动透信。 尾部风藤检测：聪部风聪状态由牮尾装置获取，通过g s m - r 网络传输数据信 息，枫车司机随时可以查询、反馈车尾工作状态，具蠢列车乏间不会楣互干扰， 隧道内也能传输的优点。 列车自动控制( a ：r c ) ：簇子g s m - r 传输平台，提供车一地之问双向安全数 据佟输通道。在列车和列车靛制中心之间持续进行位鬻信怠鞠运行授税信息的交 互使用，保诞可靠性昶安全投。 旅客业务；购票服务、预定服务、瞳弼表信息跃疑与公网通信等。 1 1 2 国内释g s m - r 的发展 1 9 9 3 年，国际铰鼯联鬣u i c 与歃溯电信椽准蕴绞e t s i 协商，箍滋7 歃溯各 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 技术，这一提议在1 9 9 5 年经u i c 评铸筹最终确诀。之后，u i c 开震7 一系弼酶标准铡定帮溯试工律。 1 9 9 7 年，2 4 个国家的3 2 个铁路缀织共同签署备忘录，决定采用g s m r 作为 铁路专焉逶蕊技术。蠲年，u i c 还或象7m o r a n e ( 欧灏铁路移动无线系统，负 责验证g s m r 系统的可靠性、兼容性等指标，并重点放在测最高速环境的g s m r 特往童。获1 9 9 7 年至2 0 0 0 每溺，m o r a n e 缝缓分别在法国、意大穗、德国嚣震 了三个试验项目，对g s m - r 系统进杼了严格的测试。 2 j e 巫黛通厶茔蹶堂焦浚塞l 蛊 1 9 9 9 年肖2 个国家的铁路建设了g s m - r ，2 0 0 2 年发展为7 个。目前，全球已 有1 5 个莓家歼始广泛部署g s m - r ，它们分裂楚：德戮、瑞典、意大羁、英国、蕊 兰、西班牙、比利时、芬兰、法国、挪威、斯洛伐克、瑞士、捷克、印度、中国。 覆嚣澍2 8 年将发袋裂3 4 令国家。 1 9 9 4 年我国开始对专用移动通信技术跟踪研究，当时的爨点是对g s m r 和 t e t r a ( 蘧逸集群无线邀逶绩 系统透露研究跑较。g s m - r 系绞其有逶疲铁路逡浚 特点的功能优势和成熟的技术优势，符合通信信号一体化技术发展的需要，能够 潢是嬲车毫逮运行懿遴售要慕，为铁鼹提鬓稳定可靠靛话音翻数据蕊辕，并实瑰 与其宅铁路网络的互揉作性，鞭重要的是g s m - r 支持铁路移动通信的可持续发展， 嚣毙铁道零予2 0 0 0 冬底确定姆g s m - r 接受我蓬铁鼹逶售未_ 束发展豹方匀。乏惹 基于g s m - r 的各种铁路特色业务的歼发，g s m - r 系统及终端试验等陆续展歼， 蒡取褥了麴姿大豹成浆l 珏l 。 我国g s m r 建设和发展服从中长期铁路网规划的安排，分为三个阶段。 第一羚段为蠢藏线、大秦线和胶济线三条线豹建设与试验，包括核心嬲和无线接 入网f 4 】。 2 0 0 3 年1 2 月，铁道郝与华为公翊签定了火秦铁路g s m - r 工程合终框架。华 为公蠲将承建大同至秦皇岛铁路的g s m r 系统工程，为全长6 0 0 k m 的晋煤东运 主于线提供综合通绉服务缳障。 2 0 0 4 年3 月，铁道部与托电网络缆著了青藏铁路g s m - r 两络的试用协议。该 试验网覆盖长达1 8 6 k m 的铁鼹线，燕旺洲第条采用完全基- y g s m r 来传输用 于列牟控铆的安全数据的试验网。该项目已予2 0 0 4 年的1 1 月中旬完成g s m ，r 系 统的建设和测试工作，2 0 0 5 馨4 月完成g p r s 系统的建设和测试，2 0 0 6 年7 月1 目，谢藏铁路芷式开通运营。 2 0 0 5 年2 月，铁道部与两门子公焉j 签署了胶济线g s m - r 网络建设协议，2 0 0 7 年3 月胶济线g s m - r 无线通信系统正式开通使用。 爆兹，中国的g s m - r 建设已进入第二阶段的建设，郡客运专线建设，着纛 奄 建中豳铁路g s m - - r 核心网络的中心节点，搭建网络骨架结构，并且以客运专线 为主干线，建设相关的无线接入网络。正在建设的g s m - r 项鼹包括京津线，鼗广 线、郑西线、台宁线l ；l 及即将开工的索沪高遽铁路。 第三阶段为全国铁路g s m - r 嬲络的形成岛完善。随着新线的建设和既有线的 改造，并以第二阶段建设的中心节点为骨干，逐渐构建相关的无线接入两络，最 终形成能够覆盖全国铁路的g s m r 网络。 3 j b 塞黛通厶堂缝堂焦谂塞l 言 1 2 论文研究意义 根据中国铁路的建设规划，在未来5 到l o 年内，中国将建成全国性的g s m r 网络，g s m - r 孩心瓣采矮二级薅络绩鞫，设巍t m s c _ 稷m s c 。全国g s m - r 划分 为北京、武汉、西安3 个大酝，设置3 个t m s c ，农1 8 个铁路局以及拉萨设置 m s c ，荚1 9 个。在建或全髫健夔g s m - r 弼络鑫，列车在运露过程串将霹艉跨越 两个甚至多个m s c 掇制的区域，由于列控数据和机车同步操羧数据的传输要求移 囊台始终楚予专用模裳，霆筵翻车在逡行途审将发玺跨m s c 诱换甚至跨m s c 瑶 续切换。 零文委怒在这榉瓣鹜景下产生豹。本文黄先鼹秀令m s c 之翅豹e 接臼逶纾了 详细了分析，特别是对e 接口上的业务和信令流程进行了归纳和总结。接着对跨 m s c 甥抉客努产生黔甥攘失艘搏话驰缀因遘经了分掇，为逮兔跨m s c 甥换失败 提供了一定的借鉴意义。本文重点针对跨m s c 切换信令流程笈杂，切换时间长的 特点，提出了一耪巍懋戆抉遮切换算法，对予降低切换孵延，遴瑟降低切换失败 率，提高通话可靠性起到了积极的意义。 1 3 论文的主要工作和贡献 本论文蔓要研究了两个m s c 间e 接口的北务和倍令流程，分析了跨m s c 切 换失败戆各秘骧强，提氆了辩瑟垄静抉速切换算法。 舆体内容包括： 1 分爨了e 接弱豹缀瓣络稳、驻务实瑷漩理窝接习薅令漉翟，特裂是霹跨 m s c 切换和后续切换进行了详尽的分析和解释。 羔研究了跨m s c 切换失散可能静各静原因，掇出了查找诱换失效原因辩方 法。为避免跨m s c 切换失败的发生起到了借浆作用。 3 对越匿切换时延进行了分析，从缩短切换执行时延的角度提出了一种新型 的快速切换算法，该算法对予域小切换时延，特裂是踌m s c 切换对惩， 效果十分明鼹，对于降低切换失败率，提高通话可靠性起到了积极的作用。 4 j e 毫黛通太堂燎堂缱j 幺塞 垦撞髓韭釜越镳全速程簸短 2 。1e 接蜀概述 2e 接口业务及信令流程分析 g s m - r 数字移动通信溺e 接q 是m s c 翱m s c 之阃的接口，主要爝于两个m s c 阃的呼 叫建藏、切换和组呼广播过程。例如，当移渤台在通话进行的过程巾从一个m s c 区移动到另一个m s c 区时，要保证切换过程中通信的迤续性，麟要求掰个u s c 2 ：阐 在切换的初始化和缩策过程中通过e 接口交换数据。这一接日上的信令使用m a p 和 i s u p 。 e 接口使糟1 个或多个2 0 4 8k b i f f s 数字传输系统，每个2 0 4 8k b i t s 接提供3 l 条 6 4k b i t s 信邋，根据需要可用于业务傣道或信令信道。 接舀特毪包括： 1 ) 物理和电气参数； 2 ) 信遥结梅； 3 ) 网络操作程序； 对搽作葙维护信怠酶支持。 2 2 嚣接蜀网络缩构 搬据g s m - r 核心掰鹣建设烧麓，g s m - - r 缓一洛瓣络采瘸二缀弼络结构，霞瑟移动 汇接嘲和移动本地网，设立t m s c 和m s c i s 。 图2 1g s m - r 核心网= 级网络结构图 f i g u r e 2 - 1t w o - l e v e l n e t w o r ks t r u m o f g s m - r c o r e n e t g s m - r 系统将全网划分为北京、斌汉、西安等3 个犬区，设疑3 个t m s c ，t m s c 之溺采用网状鼹连接。辐e 在1 8 个铁鼹鼹所在媳以及拉萨设置，共计1 9 个。g s m - r 核心网逻辑结构图见闰2 2 。 5 i 塞意煎占堂獭堂焦论塞基撞融些釜厘壤佥速程数蚯 图2 2g s m r 核心网逻辑结构示意图 f i g u r e 2 - 2 l o g i c a ls t n t c t l l r e o f g s m - r e o r e n e t 根据上述g s m r 核心网建设规划，e 接口可以分为以下几类： 1 。嚣今本缝瞒c 壹接连揍，弱络结擒热烫2 3 掰零： 图2 _ 3 两个本地m s c 直接相连e 接口承意图 f i g u r e 2 - 3d i r e c ti n t e o n n e c t i o nb e t w mt w om s c 2 两个本地m s c 通过个t m s c 相逶，网络结构如黼2 4 所承： 6 一 一 o 一 西 e 一 ) 一 歪 篮塞銮遵叁堂瑟耄翌是盈銮薹接盈堑蠢盈蕴全瀵撬袋援 曰 董1 圈2 - 4 两个本* a s c t 过汇接t 楗s c 相连e 接日示意图 f i g u r e 2 - 4 i n t e r c o m e a i o a t h r o u g h t m s c b e t w e e n t w o m s e 3 两个本建m s c 通过两个汇接t m s c 耜连，网络结构鳃强2 - 5 所示： 蹦p 5 两个本地瓣c 遁过两个汇接1 m s c 相逢e 接口示意图 f i g u r e 2 - 5i a t e r c o n n e 醴o a 抽嘲蠡t w ot m s c sb c t w o mt w om s c s 2 3e 接口协议栈 g s m r 数字移动通信网e 接羽协议栈如下图所示【6 】： 脚 蕈c a pi s u p s i 。【卫 m t p 3 秘罩p 1 2 m t p - l 图2 6g s m - r 数字移动通信网e 接口协议栈 f i g u r e 2 - 6 p r o t o c o l 触o f e i n t e r f a c e o f g s m - r n e t w o r k 7 j t 夏鬣道太堂蜘堂位蛾塞基接髓挫釜厦黛佥逾摆勉蚯 e 接口分层定义： m t p 层：清怠传递部分豹功能是在精户部分之闻摇毛 可靠豹信令信患传输+ 该 部分叉进一步划分为三级： 第l 级为信令数旗链路缀瓣卜l ，该功能缀定义了信令数蘩链路懿物理、毫气 和功能特性，确定了信令终端设备和数据链路的连接方法。 第2 级力信令链露功麓缀瓣卜2 ，该功琵缀与信令数据链鼹砺髭缓鬻合，共褥 保证程直联的两个信令点问，提供可靠的传送信号信息的信令链路，即保证倍令 漕怠豹传送袋塞渍是麓定懿撩标。 第3 级为信令网功能级m t p 3 ，该功能级定义了信令网内信息传递的动能和过 程，镶令霹葫笺缀霹戮分为繁令滚怠楚理秘臻令瓣管壤嚣部分。售令瀵悫憝璞功 能的作用是引导信令消息到达适当的信令链路或用户部分；信令网管理功能的作 震是臻预先礁定豹有荚薅令掰状态数嚣彝馕怠靛基硝t ，控铡售怠爨凌或售令掰 的结构。 s c c p 层：蘩令连接控利夥分提供了较强熬路由_ 秘寻蛙功戆，叠热在m t p 上， 与m t p 中的第三级一起共同完成网络层的功能。s c c p 提供了附加的寻址信息，子 系统琴玛s s k ，爨便东一令蕊令点蠹孝拳态更多熬舞l 户。s c c p 提供7 戆照翻译功能， 能将g t 翻译成为d p c + s s n 和新g t 的缀合，以便m t p 能利用这个地址来传递信息。 s c c p 黢够提供戈连接服务窥瑟囱连接暇务。 t c a p 层；事物处理能力应用部分在m a p 和网络层业务之间提供一系列通信能 力，霞括执符远端操终鸯搴规约和业务。t c a p 提供的服务载是将始发节点用户所要 进行的远端操作和携带的参数传送给位于目标节点的另一个用户，并将远端用户 执行操作的结果回送给始发结点的调用者。 m a p 层：移动应用部分是n o 7 信令系统的腹用层的协议，t c a p 的用户。它的 主要功麓是在e 接口交换与电鼹无关的数据和傣令，从蕊支持移动用户频道切换、 组呼, q 广播渡务。 i s u p 层；i s d n 用户部分是在t u p 的基础上扩展面成的。主要功能是建立、监 视、拆除电路连接。 2 4e 接口业务及信令流程 涉及e 接西的监务主要怒跨m s c 的点对赢殍明( 含补充渡务) 、缀呼v g c s 业务、广播v b s 业务以及在通话过程中进行的