（交通信息工程及控制专业论文）铁路运输综合车地无线信息平台的研究.pdf

铁道科学研究院硕士学位论文 中文摘要 本文从当前铁路移动通信的各种应用出发，分析铁路运输车地无线数据信息 的分类、特点及传输需求。基于数据传输的一般理论、移动数据传输中的核心技 术，以及铁路数字无线通信系统g s m r 的体系结构、业务描述、三种数据传输 方式，从可靠性、实时性和安全性等方面分析g s m 。r 作为铁路综合车地无线信 息平台的技术合理性与业务承载可行性。最后，阐述基于g s m r 的铁路运输综 合车地无线信息平台的系统结构、接口、协议平台、分层模型和数据格式，并以 调度命令无线数据传输过程为例验证g s m r 综合无线信息平台对铁路运输生产 业务数据传输的技术先进性与合理性。 关键字：综合车地无线信息平台、移动数据传输、g s m r 、g p r s 铁道科学研究院硕士学位论文 a b s t r a c t s t a r t i n gf r o mm u l t i - a p p l i c a t i o no fr a i l w a ym o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e l 。 a n a l y z e s t h e t y p e ，c h a r a c t e r i s t i c a n d r e q u i r e m e n t o fr a i l w a y t r a n s p o r t a t i o n o n b o a r d t r a c k s i d ew i r e l e s sd a t ai n f o r m a t i o n b a s e do nt h et h e o r yo fd a t at r a n s m i s s i o n k e yt e c h n o l o g yo fm o b i l ed a t at r a n s m i s s i o na n ds y s t e mc o n l l g u r e ，s e r v i c ed e s c r i p t i o n 3t y p e so fd a t at r a n s m i s s i o no fg s m - r ，f r o mr e l i a b i l i t y , r e a l l i m ea n ds e c u r i t y 。t h i s p a p e ra n a l y z e st h et e c h n o l o g yr a t i o n a l i t ya n ds e r v i c ef e a s i b i l i t yo fg s m ra c t i n ga s r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o no n b o a r d t r a c k s i d ew i r e l e s sd a t ai n f o r m a t i o np l a t f o r m a tl a s t t h i sp a p e re x p o u n d st h es y s t e ms t r u c t u r e ，i n t e r f a c e ，p r o t o c o lp l a t f o r m ，l a y e r e dm o d e a n dd a t ap r o t o c o lo fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o no n b o a r d t r a e k s i d ew i r e l e s si n t b r m a t i o n p l a t f o r mo nt h eb a s i so fg s m - r ，g i v e sa ne x a m p l eo fd i s p a t c hc o m m a n dw i r e l e s s d a t at r a n s m i s s i o nt ov a l i d a t et h et e c h n o l o g ya d v a n t a g ea n dr a t i o n a l i t yo fg s m r w i r e l e s si n f o r m a t i o np l a t f o r mf o rr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nd a t at r a s m i s s i o n k e yw o r d s ：i n t e g r a t i o nw i r e l e s s i i f f o r m a t i o np l a t f o r m ，m o b i l ed a t at r a n s p o r t g s m r ，g p r s 铁道科学研究院硕士学位论文 铁道科学研究院学位论文原创。眭说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行硼 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本沦文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：节东掀论文作者签名：附t 弘 同期：) 戚巧年7 月毋文日 铁道科学研究院硕七学位论文 引言 为实现铁路跨越式发展，满足铁路运输生产对移动通信的需求，铁道部已确 定组建铁路综合数字移动通信系统( g s m r ) ，制定了g s m r 各项技术规范，并且 针对中国铁路业务的使用特点，开展g s m r 关键技术攻关，同时在青藏线、大秦 线、胶济线着手工程试验与实施。g s m r 系统与过去我国铁路厂泛使用的常规移 动通信系统在网络规划、需求规范、物理平台规范、业务终端技术条件和设备方 丽都有很大的不同，有许多研究、开发的课题需要我们去解决，g s m r 的物理平 台和业务终端设备都需要结合中国铁路的特点与需求来研制。而只有这些关键技 术的突破和物理平台、业务终端的研制完成才能确保中国铁路( ；s m - r 的建设与运 营。 另方面，随着列车提速，货运快捷化和旅客服务功能的扩展以及现代化的 行车调度指挥控制系统的要求，需要在移动的列车、机车与地面调度控制管理中 心、决策中心双向传输大量的指令、运况、工况、状态信息数据，并进行交换与 处理。在实际的铁路运营中，列车作为铁路运营的中心载体，是一个巨大的信息 源，列车上的数据如列车位置、列车尾部风压、列车运况、工况、旅客和货物实 时信息都需要传送到地面上来；另一方面，地面的控制中心也会有一些信息如调 度命令、行车凭证等信息发送到列车上来，这样就需要在列车与地面之间建立 条双向的数据传输通道。g s m r 作为铁路综合通信平台，为列车与地面双向数据 传输这一目标的实现提供了契机。这就迫切要求以c , s m r 网络为基础，研制车地 综合无线信息平台，集语音和多种不同数据业务为一体，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，并可向社会实时提供铁路客 运、货运及其他服务信息。 车地综合无线信息平台可以大大提升铁路运行管理决策的信息化水平，在铁 路移动无线通信技术和业务拓展方面实现跨越式发展和现代化发展，在提高运输 效率、保障行车安全、满足旅客需求方面取得显著的社会和经济效益。 铁道科学研究院硕士学位论文 第一章绪论 1 1铁路车地无线信息传输现状 在我国，目前铁路车地无线信息系统基本上处于常规的单信道的技术水平， 虽有一些车地数据传输与应用，均属初期和分立系统。 下面介绍几种简单的车地无线信息系统： 无线列车调度通信系统主要完成调度员、车站值班员与司机、运转车长之间 的通话功能。近些年来，根据铁路运输的实际需要，以无线列调作为车地无线传 输通道，还扩展了一些数据业务，如机车出入库检测、列车尾部风压无线传输、 d m l s 无线车次号传输、调度命令无线传输等。但是，随着铁路移动数据业务的 日益增多，越来越多的数据, l k 参- 都叠加在无线列调上，使得本己紧张的无线列调 信道资源不堪重负。 站场平面调车系统主要应用在铁路编组站，解决编组场内的调车问题，提供 包括调车区长台、机车控制台、平调手持台之间的语音通话功能，还提供包括调 车指令传输、灯光显示、语音提示等数据传输业务，满足调车指挥的需要。近些 年，还采用模拟集群建立编组站综合无线通信系统，为编组站内调车、列检、商 检、装卸、站内施工、工务、供电、公安等部门提供移动通信手段。 此外，中国铁路还存在大量的诸如工务、列检、施工、供电、公安等各种分 立的通信系统，这些系统采用同频单工或异频单工通信方式为主，基本上只提供 话音业务，无数据业务，并且各系统独立使用。 总之，国内铁路车地无线信息系统基本上属于模拟制式，各分立系统自成体 系，缺少统一的规划，导致铁路枢纽地区同频干扰严重，已经不能满足新一代基 于无线通信的列车控制系统对车地问信息传输通道的要求。 在日本铁路，虽然也用数字无线通信解决车地之间信息的传输，但没有形成 一个综合的信息平台，各子系统仍是分立的，网络与信道不能共享；欧洲铁蹄采 用了g s m r 将现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中，但主要用1 语商业 务，取代目前各种落后的互不兼容的模拟通信设备，未见各业务子系统的应用， 2 铁道科学研究院硕士学位论文 基于g s m - r 的列车控制系统( e r l l m s e t c s 一2 级) ，如意大利的罗马那不 勒斯、英国的伦敦格拉斯哥，也正在试验中。 1 2 本文的思路与论点 本文从当前铁路移动通信的各种应用出发，分析铁路运输车地无线数据信息 的分类、特点及传输需求。重点探讨g s m r 数字无线通信系统承载车地无线数 据传输的几种方式，并做可行性分析。最后给出基于g s m r 数字无线通信系统 的铁路运输综合车地信息传输平台的系统结构、接口、协议平台、分层模型、数 据协议、通信过程。 铁道科学研究院硕士学位论文 第二章铁路运输综合车地无线信息传输平台业务 需求分析 2 1 概述 我国铁路移动通信已成为提高铁路运输效率，保障运输安全生产的重要手 段。铁路移动通信，特别是列车无线通信分语音业务和数据业务两类。需要分析 各项业务的需求，才能有效地组建综合车地无线信息传输平台。 2 2 语音业务 语音业务主要指无线列车调度通信系统。我国铁路无线通信即起步于无线列 调，目前已经在全路普及，线路装备率超过9 5 。无线列调主要以语音业务为主， 提供调度员、车站值班员与司机、运转车长之间的通话功能，闷前已经有a 、b 、 c 三种制式。其扩展产品数话兼容无线列调系统已经能实现简单数据传输功能。 此外，在铁路站场和铁路沿线还存在大量的分立的单工话音通信系统，如工务、 供电、公安、电务维修、列检、商检、施工等，这些系统主要提供语音业务。 2 3 数据业务 近年，根据铁路运输的发展需要，新的无线通信产品在功能上有许多扩展， 承载许多数据业务，但在制式上采用模拟通信，只完成单一的功能，没有形成综 合的车地无线信息平台。 2 3 1d m i s 车次号无线校核系统 调度指挥管理系统( d m i s ) 车次号无线校核系统主要功能是实时跟踪列车 运行位置，是实现有关列车运行计划调整，运行数据统计，实际运行图绘制的必 不可少的组成部分。该系统在列车进站、出站时从机车向地面传送车次号、机车 丛望型堂堕至堕堡主堂堡笙茎 号、列车速度、列车位置、总重、计长、辆数等信息，保证了对运行列车车次号 的连续追踪。d m i s 车次号无线校核系统数据传输是单向的。 2 3 2 调度命令无线传送系统 调度命令无线传送系统是提高铁路运输效率，保障行车安全的一种专业系统 设备，可使得调度命令、行车凭证、调车作业通知单和列车进路预告等相关行车 信息的传送实现智能化，为设置无人职守车站创造条件，并将使铁路信息化建设 登上一个新的台阶。 通过调度命令无线传送系统，调度员、车站值班员均可向辖区内的运行机车 发送调度命令，系统还自动向辖区内的运行列车发送列车接车进路预告信息：到 车接收到调度命令后进行自动确认，在操作显示终端显示发给本次列车的调度命 令，并语音提示司机签收调度命令，司机根据需要选择打印，同时通过显示终端 对接收到的调度命令信息内容和操作过程进行存储。司机还可以利用操作显示终 端发送调车请求信息。 2 3 3 站场平面调车系统 站场平面调车系统主要应用在编组站和专用线较多的货运站，解决编组场内 的调车问题，提供包括调车区长台、机车控制台、平调手持台之间的语音通话功 能，还提供包括调车指令传输、灯光显示、语音提示等数据传输业务，满足调车 指挥的需要。近些年，针对站场无线用户较多、频率资源紧张的情况，采用模拟 集群建立编组站综合无线通信系统，集中控制管理所有信道，将原先分配给不同 用户的频率进行统一的动态分配，从而提高了信道利用率，使有限的频率得到更 充分地使用。系统具有小组通信、调度通信、个别选叫、紧急呼叫、市话互连和 数据传输等功能，但与站场沿线铁路正线采用的g s m - r 通信制式不符。 2 3 4 列车控制信息传送系统 传统列车运行控制系统是基于轨道电路的，为进一步保证安全，提高运输效 铁道科学研究院硕七学位论文 率和提供更多的运行实时信息，列车与地面控制中心之间必须有双向、大量、连 续的数据传输，轨道电路已经难以满足要求，基于无线通信的列车运行控制系统 ( r b f c ) 应运而生，r b t c 可以实现移动闭塞，并且控剑信息传送采用闭珥控 制，使得列控安全性提高，增强了区间通过能力，前提是必须有一个无线信息平 台来做为车地之间的安全数据传输通道。 2 。3 5 列车尾部风压无线传送系统 列车尾部风压无线传送系统也是保证行车安全的重要手段之一，通过该系统 机车乘务员可以随时检查列车尾部风压，必要时能够实施尾部排风制动，防e 制 动失灵事故；当列车风压非正常泄漏时，系统能够实现自动报警，通知乘务员， 保证列车安全运行。与其他数据业务系统不同的是，列车尾部风压无线传送系统 数据传输是在机车和列车尾部的风压装置主机之间进行的，而不是车地之间。 2 3 6 机车同步控制信息传送系统 机车同步控制信息传输系统主要应用于采用分布式动力控制系统 ( i ，0 c o t i 0 l ) 的重载组合列车中。l o c o t r o l 系统通过无线数据通信通道实现丰 控机车与从控机车问控制命令的传递，从控机车根据主控机车的命令自动控制机 车实现全列车的同步操控。机车同步控制信息传送系统是i 0 c o t r o 。系统应用的 基础和关键。该系统提供主控机车和从控机车之间的无线数据传输通道，但为充 分使用f , s m r 系统，将该系统一并纳入铁路综合车地无线信息平台之中。 2 3 7 移动服务信息传送系统 随着铁路信息化的要求，还需要建立铁路移动服务信息传输系统。该系统向 社会实时提供铁路客货运及其他服务信息，包括车上订票服务、电子移动商务、 旅客移动增值服务等；同时，为满足铁路路网移动体实时动态跟踪信息传输的需 要，开展实时网上信息查询和为各种管理信息系统提供移动传输通道。 6 铁道科学研究院硕士学位论文 2 3 8 小结 综上所述，铁路各种数据应用业务对无线数据传输通道的需求如表2 1 所示， 根据不同数据业务的特点，可分为三类。第一类，站场平面调车系统、列车控制 信息传送系统和机车同步控制信息传送系统，传送的数据为控制列车运行的安全 信息，数据信息量大，数据之间间隔时间短，对通信实时性、可靠性要求高，数 据多为双向闭环控制信息。第二类，d m i s 无线车次号校核系统、调度命令无线 传送系统、列车尾部风压无线传送系统所传输数据大多为突发型数据，对实时性 要求不高，但对可靠性要求较高。第三类，移动服务信息，由于传送的是非安全 信息，对通信实时性、可靠性在这三类中是最低的。了解了各种数据业务的特点， 在综合车地无线信息平台中采用不同的数据传送方式来满足它们的需求。 表2 i 数据业务对车地无线数据传输的需求 数据业务 实时性要求可靠性要求安全性要求信息量 d m i s 车次号低 较高非故障一安全小 调度命令 较高高非故障一安全小 站场调车高高故障一安全较大 列车控制信息高高故障一安全大 列车尾部风压较高高非故障一安全小 机车同步控制信息较高高 非故障一安全 较大 i 移动服务信息低 较高非故障一安全 小 铁道科学研究院硕士学位论文 第三章数据传输一般理论 3 1 数据传输概念 数据传输是一个比较宽泛的概念，大致可以描述为数据从一地到另一地的空 间转移过程。根据通信系统的一般模型，我们可以将数据传输界定为介于发送端 和接收端中间的那一部分，如图3 1 所示。 发送端 数据传输过程接收端 图3 1通信系统一般模型 通信系统有多种分类，不同通信系统的数据传输方式不同。按照数据传输介 质的不同，分为有线数据传输和无线数据传输；按照传输数据信号的不同，分为 基带数据传输和频带数据传输。 3 2 移动数据传输 移动数据传输属于无线数据传输和频带数据传输，移动表示通信终端的三种 运动状态：归属区静止、运动和漫游( 访问区静止) ，移动数据传输就是指通信 终端在三种运动状态下都能进行数据通信的数据传输。 铁道科学研究院硕士学位论_ 文 3 2 1 移动通信网的组成 移动通信网由无线接入网、核心网和骨干网三部分组成。无线接入网主要为 移动终端提供接入网络服务，核心网和骨干网主要为各种业务提供交换和传输服 务。从通信技术层面看，移动通信网的基本技术可分为传输技术和交换技术两大 类。 从传输技术来看，在核心网和骨干网中由于通信媒质是有线的，对信号传输 的损伤相对较小，传输技术的难度相对较低。但在无线接入网中，由于通信媒质 是无线的，而且终端是移动的，这样的信道可称为移动( 无线) 信道，它具有多 径衰落的特征，并且是开放的信道，容易受到外界于扰，这样的信道对信号传输 的损伤是比较严重的，因此，信号在这样信道传输时可靠性较低。同时，无线信 道的频率资源有限，因此有效地利用频率资源是非常重要的。也就是说，在无线 接入网中，提高传输的可靠性和有效性的难度比较高。 从网络技术来看，交换技术包括电路交换和分组交换两种方式。在核心网中， 分组交换实质上是为分组选择路由，这是一种类似于移动i p 选路机制，它是通 过网络的移动性管理( m m ) 功能来实现的。 3 2 2 移动通信网核心课题 有限的频率资源与提高数据速率的矛盾，要求提高系统的有效性。 开放式无线信道特性与传输的可靠性的矛盾，要求提高系统的可靠性。 传统的i p 网络选路与寻址方式与终端移动性的矛盾，要求解决移动性管 理问题。 实时业务( 如话音、视频、多媒体) 质量( q o s ) 要求与传统分组数据传 输机制性能的矛盾。要求移动数据网引入新的机制，提高q o s 保障能力。 移动终端小型化、便携性要求( 硬、软件资源有限) 与功能多、性能好 要求的矛盾。 以上几方面矛盾构成了移动数据通信网基本的核心课题，其中和是网络 空中接口要解决的基本核，1 3 , 课题，和是网络层要解决的基本核心课题，是 9 铁道科学研究院硕士学位论文 移动终端和应用要解决的基本核心课题。 3 2 3 移动通信网核心技术 3 2 3 1 空中接口的核心技术 空中接口主要涉及协议栈的物理层、m a c ( 媒质接入控制) 层、数据链路层等。 对移动无线网络来说，提高系统的可靠性和有效性关键在于物理层。随着移动通 信技术的发展，物理层在多址、数字调制、功率控制、接收和检测等方面不断采 用新的技术。在m a c 层优化接入算法，提高接入效率。从而不断改善无线链路 的性能。 3 2 3 2 网络的核心技术 在基于分组交换方式的移动数据网中，各种数据业务是以分组形式传送的， 分组传送的基本要求一是选择正确的传送路径，二是按业务质量要求传送( 如吞 吐量、差错率、时延和时延抖动等) 。这就构成了网络层的两个基本核心技术： 选路技术和服务质量( q o s ) 。 选路技术 各种移动数据网普遍采用类似于移动i p 选路机制，它是通过网络的移动性 管理( m m ) 功能来实现的。 移动i p 是移动主机( m h ) 在互联网中的选路协议，该协议能对l p 网络中 的m h 的动态路由进行管理。该协议是网络层的协议，与其底层的物理网络无关。 移动i p 采用代理技术和隧道技术来支持m h 的移动性即m h 使用一个固定 的i p 地址在漫游过程中始终能保持它与网络中其他主机的i p 路由不中断。 服务质量( q o s ) 移动数据网可以提供各种类型的业务，如语音、传真、短消息、文件、图像、 视频、多媒体等。不同业务对质量( q o s ) 要求不同。评价q o s 的主要指标有： 吞吐量、差错率、传输时延、时延抖动等。不同业务的q o s 指标是不同的。语 音、视频、多媒体业务等实时性强的业务对各项指标要求都比较严，例如，高吞 吐量、t 低差错率、时延及其抖动小。 堡望型堂塑茎堕堡主堂焦塑茎 q o s 问题实质上是网络为业务提供资源保障的问题，这对基于电路交换的各 种业务比较容易解决，但对基于分组交换的各种业务比较困难和复杂，尤其是无 线链路的复杂性和移动终端的移动性给解决q o s 问题增加了难度。在这种情况 下，要由移动数据网的物理层、m a c 层、链路层、i p 层、t c p 层和应用层共同 来保障，各层要根据无线移动环境的特点和应用业务的要求采用相应的措施，进 行优化、改进和适配。 铁道科学研究院硕七学位论文 第四章g s m - r 和g s m - r 中的数据传输 g s m r 最早是由国际铁路联盟为解决欧盟各国在列车高速运行时数据的可 靠传输以及跨国运行时自动列车防护的兼容而提出的，在g s mp h a s e2 + 上增加 了调度通信功能和适合高速铁路环境下使用的要素，如高级语音呼q 、啦务 ( a s c i ) ，能够提供语音广播业务( v b s ) 、语音组呼业务( v g c s ) 、增强型多 优先级及强拆( e m l p p ) 等语音调度服务，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 能将现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中，减少 集成和运行成本。由于保留了g s m 的大体结构，使得g s m r 从一开始就是一 个成熟可靠的系统。 目前，在欧洲，g s m r 已经完成了标准制定和系统试验，正处于工程实施 阶段，我国也在2 0 0 1 年正式确认将g s m r 作为我国铁路移动通信的发展方向， 目前正加紧制定g s m r 各项规范，并着手工程实施。 4 1 体系结构 g s m r 系统由若干功能实体组成，这些功能实体所实现的功能的集合就是 网络提供给用户的所有业务，以及对用户数据和移动性的操作、管理。g s m r 系统由三个子系统组成，其基本结构如图4 1 所示。 移动台是接入g s m r 网络的用户设备，包括移动终端( m e ) 和终端设备 ( t e ) ，或通过终端适配器与m e 连接的t e 。移动台通过无线接口( u r n ) 接入 g s m r 系统。 基站子系统( b s s ) 由一个基站控制器( b s c ) 和若干个基站收发信机( b t s ) 组成，b t s 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_ i 进 行管理。b s c 用来管理b t s 与m s c 之间的信息流。b t s 与b s c 之间通过a b i s 接口通信。b s s 中还可能存在编码速率适配单元( t r a u ) ，它实现g s m r 编码 速率向标准的p s t n 或1 s d n 速率的转换。t r a u 与b s c 通过a t e r 接口连接。 网络子系统( n s s ) 建立在移动交换中心( m s c ) 之上，负责端到端的n 乎叫、 壁堕型兰盟塑堕堡主兰焦望塞 用户数据管理、移动性管理和与固定网络的连接。除m s c 外，n s s 还包括如f 几个功能实体，分别是归属位置寄存器( h l r ) 、访问位置寄存器( v l r ) 、鉴权 中心( a u c ) 、设备识别寄存器( e i r ) 、互联功能单元( i w f ) 、以及g s m r 特 有的组呼寄存器( g c r ) 。n s s 通过a 接口与b s s 连接，与固定网络的接口决 定于固定网络的类型。 u m 接口 图4 1g s m r 网络结构 操作和维护子系统( o s s ) 是独立的子系统，为g s m r 网络提供管理和维 护功能。它的具体功能由操作维护中心( o m c ) 来完成，其中o m c r 负责管理 b s s ，o m c 。s 负责管理n s s 。o s s 主要提供移动用户管理、移动设备管理、用 1 3 铁道科学研究院硕士学位论文 络操作和控制三类功能。 4 2 业务描述 g s m r 是一种多业务系统，可以依照用户的需要为用户提供各种形式的通 信。它提供的业务构成了铁路运输综合车地无线信息平台提供的业务。g s m r 业务是在g s m 的电信业务的基础上，根据铁路的特殊需要进行修改积补充后形 成的。习惯上，把话音业务和数据业务区分开来。话音业务中，信息是话音，而 数据业务传送包括报文、图像、传真及计算机文件在内的其他信息。除了这些传 统业务，g s m r 还提供一些非传统业务，如短消息业务。 通信网络提供的基本业务主要涉及传输媒介和建立呼叫的方式。补充业务则 使用户能够更好的接收基本业务或是简化电信的日常使用，为用户提供方便，如 呼叫前转、来电显示等。g s m r 提供的基本业务包括承载业务和电信业务，这 两种业务是独立的通信业务，其差别在于用户接入点的不同。电信业务主要包括 语音业务、数据业务及短消息业务等。此外，g s m - r 还提供了多种多样的补充 业务，下面分别进行介绍。 4 2 1 承载业务 g s m - r 承载业务提供网络中各接入点之间传输信号的能力，支持一种基j g s m r 网络的低等级的连接和基本的数据业务。g s m - r 系统设计的承载业务不 仅使移动用户之间能完成数据通信，更重要的是能为移动用户与p s t n 或i s d n 用户之间提供数据通信服务，同时还能使g s m - - r 移动通信网与其他公共数据 网实现互通。 在传输数据业务时，m s c 需启用网络互联功能单元i w f 。互联功能单元完 成数据连通而规定的全部功能。用户总是需要不同种类的承载业务，要支持各种 承载业务也就要经过不同类型的m s 或i w f 接入接口和终端网络。 所有承载业务都支持在r s 参考点之间的信息传输和由多个子速率通过速率 适配合成一个信息流的信息传输。承载业务分为以下几类： 无限制的数据信息( u d i ) ：信息以固定不变的比特率传输，保持比特序 1 4 铁道科学研究院硕士学位论文 列的独立性和完整性。 3 1 k i l z 的音频信息：与i s d n 或p i s n 中的3 1 k h z 音频业务进行互联时 需要。 分组组装分拆( p a d ) ：为一个p a d 提供一个异步连接，使g s m r 网 络的用户能够接入到一个分组网络( p s d n i s d n ) 中去。 分组：提供一个同步连接，使g s m r 网络的用户能够接入到一个分组 网络中去。 4 2 2 终端业务 终端业务的应用必须有承载业务的低层承载能力支持，但是由于终端业务的 管理和提供是相对独立的，它的低层能力不一定就对应于具体的承载业务。终端 业务的主要类别有语音业务、短消息业务、数据业务等。 4 2 2 1 语音业务 话音业务是g s m r 提供的重要业务，它为g s m r 用户和其他与之互联的用 户之间提供双向通话。紧急呼叫是由话音业务中引出的一种特殊业务。紧急呼l i t i 业务优先级高于其他业务。同时为适应铁路应用需要，g s m r 还提供了语音组 呼和语音广播业务。 4 2 2 2 数据业务 g s m r 规范在制定时便按照i s d n 模式为用户提供各种数据业务。目前，提 供给固定用户和i s d n 用户的大部分数据业务g s m r 都能提供，包括公共分组 数据交换网( p s t n ) 所提供的业务。在无线传输允许的条件下，g s m r 规范中 列举了3 5 中数据业务，可以适用于不同的场合。 数据通信可以按照通信者的不同、端到端信息流的性质或者传输模式来划 分。g s m r 规范中不能提供所有的描述，但可以按照通信者的类型进行分类。 在g s m r 规范中，所有的数据服务均作为特殊的项目提出。g s m r 用户可以和 p s t n 用户相连接，所用的标准有 4 2 1 、v 2 2 等。g s m 。r 用户还可以与i s d n 铁道科学研究院硕士学位论文 用户相连，关键问题在于两者速率的适配。此外，g s m r 用户州以及g s m r 刖 户与分组交换数据网网用户、电路交换数据网用户之问都可以建立连接，其互联 协议可以参考相关g s m r 规范。 4 2 2 3 短消息业务 上面提到的各种数据业务只是将用于固定用户的业务扩展到g s m ，r 移动用 户，但实现这些业务所用终端通常比较笨重，并不适于真正的移动环境。针对这 种情况，g s m r 提供了一种类似于寻呼业务的短消息服务，移动台被设计成可 用于通话又可以用于寻呼，使用户可以用g s m r 移动台来传递一些简单消息。 g s m r 可以提供点到点短消息服务，包括移动台发起和从移动台接收。系 统通过g s m r 系统一个相对独立的实体短消息业务中心( s m sc e n t e r ) 实 现这两种服务。点对点短消息的发送和接收应在处于呼叫状态或空闲状态时进 行，由控制信道传送短消息业务的消息。这类短消息的最大长度为1 6 0 个字符。 另一种短消息服务是“广播短消息”，即系统周期性的对小区中的所有的用 户广播数据信息。广播短消息也是在控制信道上传送，移动台只有在空闲状态下 才可以接收广播消息。 4 2 3 补充业务 补充业务是对基本电信业务的修改和补充。g s m r 支持的补充业务包括： 增强多优先级与强拆( e m l p p ) 、号码识别、呼叫转移、呼叫完成、多方通话、 专有通信、用户到用户、呼叫禁止、呼叫转接、遇忙呼叫完成、专用拨号方案、 名字识别。这里介绍铁路应用中常用的增强多优先级与强拆( e m l p p ) 。这一业 务分为优先级与强拆。优先级是指结合快速呼叫的建立为一个呼叫提供某个较高 的级别。强拆是指抢夺资源，在缺乏空闲资源的情况下，一个优先级较低的n 乎n t t 会被一个优先级较高的用户强拆。强拆还可以用于当一个优先级较低的呼叫正在 进行时，如果有一个优先级较高的呼叫进入，优先级较高的呼叫可以切断优先级 较低的呼叫。在用户进行切换时，考虑到呼叫的连续性，使用这一业务刈以为呼 叫建立提供多个优先级。用户在定制业务时可以自己选择优先级的最大值。 铁道科学研究院硕士学位论文 4 2 4 铁路特定业务 g s m r 除了支持以上列出的补充业务外，还提供以下一些特定的业务： 4 2 4 1 功能寻址 功能寻址是g s m r 的一个重要特征，它允许主叫用户通过功能号码来识别 功能和应用。功能号识别的是用户使用的功能，而不是用户终端的号码。例如， 一个特定的功能号代表的是特定列车上的一个司机，而不是机车上的无线电话号 码。 4 2 4 2 基于位置的寻址 基于位置的寻址采取两种方式：基于小区的路由；使用来自外部资源的位黄 信息。来自外部资源的位置信息可以由地面系统( 如轨道电路或g s m r 网络内 部的位置系统) 或车载系统( 查询应答起、g p s 等) 提供。 4 2 4 3 铁路紧急呼叫 铁路紧急呼叫是指具有“铁路紧急优先级”的呼叫，用于通知司机、调度员 和其他处于危险级别的相关人员，停止在预先指定地区内的所有铁路活动。由于 铁路运营存在的紧急情况，这些呼叫被连接到事先定义的用户或用户组，所有铁 路紧急呼叫都应符合g s m r 语音组呼规范。 4 2 4 4 调车作业 调车作业指提供一种有效的通信方法，保持与调车作业操作有关的组成员之 间的通信。在调车作业的过程中会采用组呼、闭合用户组等功能。 4 2 4 5 多司机通信 在有多个牵引机车的列车上，多个驾驶员之间需要进行通话连接，可以使用 g s m r 网络进行无线连接。这一业务需要点对点通话连接和多方通话的支持。 铁道科学研究院硕士学位论文 4 。3g s m r 中的数据传输方式 根据信息理论，当给定b i t 速率和误码条件下时，如果增加纠错能力，则传 输特性是传输全部数据、传输时延与剩余误码率之间的平衡。在g s m r 中，不 存在单一的标准适用于所有的数据业务类型。某些情况下，短时延较误码更为重 要；而另一些情况下，长时延是可以容忍的。系统可能更关注于可靠性。根据不 同场合的需要，g s m r 提供了几种数据传输方式，在每种数据传输方式下也提 供了不同业务连接类型可供选择。 4 3 1 电路交换数据( c s d ) 4 3 1 1 电路交换原理 电路交换属于资源预分配系统，即在一次接续中把资源预先分配给一对用户 固定使用，而不允许其他用户共享。电路交换过程可以做如下描述：当用户请求 发送数据时，向交换中心发送呼叫请求，交换中心就在主叫用户终端和被叫用户 终端之间连通一条数据传输链路，并且在呼叫连接期间，不管传输链路上是否有 数据在传输，该链路一直被占用，直到通信双方要求拆除电路连接为止。电路接 通后，控制中心不再干预数据传输，为用户提供了一条透明的通路。 4 3 1 2 g s n r 电路交换数据实现 在6 s m r 中电路交换数据业务基本原理如图4 2 所示。( ；s m r 网络两端分别 设置了两个功能单元t a f 和i w f ，使得无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。c s d 通过占用一条话音信道提供端到端的数据传输。 它的优点是数据传输时延小( 约为3 3 0 毫秒) ，数据传输效率较高，可提供9 6 1 4 4 k b i t s 的传输速率，信息编码方法和信息格式不受限值。缺点是电路接续 时间比较长，当通信的数据电文较短时，信息传输的实际通信效率低；电路资源 被通信双方独占，电路利用率低；由于是透明传输，要求通信双方在信息传输速 率、编码格式、同步方式、通信规程等方面要完全兼容；必须在通信双方连通数 据链路后，才能传送消息，存在呼损的可能，如为了解决建立时间长的问题而采 用永久电路方式，则电路利用率进一步降低。所以c s d 方式适合于实时性要求高， l r 铁道科学研究院硕士学位论文 数据量大的数据传输。 图4 2 电路交换数据业务的实现 4 3 1 3 c s d 传输模式 g s m r 网络为电路交换数据业务提供了以下两种传输模式，以满足一i 同时 延和误码率要求的用户需求。 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 a f 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。 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f a f 和t w f | 日j 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，本端能重发该 信息，在n t 模式下，t a f 和i w f 间的信息传输可看作为分组数据流，其吞吐 i 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 1 9 铁道科学研究院硕士学位论文 _ - _ _ - h _ _ _ - _ _ _ 一一 式。n t 模式必然涉及两个关键技术：一是t a f 和i w f 间的无线链路规程协议 ( r l p ) ，它负责信息的差错检查和重发；另一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。 4 3 1 4 高速电路交换数据传输 g s m - r 网络单个无线信道所能传输的最高用户速率为1 4 4 k b i t s ，在很多情 况下不能满足用户需求，g s mp h a s e2 + 规范提供了高速电路交换数据业务 ( h s c s d ) ，它采用了新的信道编码方式，使每个时隙的传输速率从9 6 k b i f f s 提高 到1 4 4 k b i v s ，并能将多个时隙合并使用，使传输速率最高可达6 4 k b i t s 。h s c s d 的基本思想是在m t 和i w f 内对信息进行分割重组( s c ) ，使组合信道内每个予 信道传输部分用户信息。子信道的编码方式、误码率控制等与单信道传输时相同。 子信道上传送的每个信息帧都包括一个子帧号，用于接收方对子信道信息的重 组。h s c s d 相对于c s d ，传输速率有一定提高，但没有本质的变化：h s c s d 不需要增加新的网络设备，但它出现的时机不是很好，与g p r s 相差不到一年， 且对资源消耗很大，支持的厂家和终端很少。 4 3 2 短消息 点对点短消息是通过信令信道传送简短信息的业务，它传输速率较低，适台 于简短信息的传送。其体系结构如图4 3 所示。短消息需要在短消息中心( s m s c ) 存储、确定路由并转发，如果接收方关机或不在服务区内，s m s c 会自动保持此 短消息，等到接收方在服务区内再发给它，因此实时性较弱。短消息的传送占用 控制信道，在业务量较高时，会受到无线信道的能力限值。与普通的寻呼机制不 同，短消息是一项有保证的双向服务。发送方可以在短消息发送出去后得到一条 确认通知，返回传递成功或失败的信息以及不可到达的原因。但短消息也有其缺 点与局限性，消息格式简单，只支持简单文本；消息长度受限，信息长度最长只 能达到1 6 0 个字符( 7 _ b i t 编t i - 马) ，如果要发送信息较长的数据，则要拆分成多个 消息分段，在应用中带来不便；传送速率低，实时性较差。 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 ) 。小区 丛望型兰堕塑堕堡主堂垡堡壅 广播短消息业务是将短消息发送给该小区内有能力接收短消息并注册了该项信 息服务的移动台。c b s 是在专用的小区广播信道( c b c t i ) 中发送的。信息通过 小区广播中心直接传送到基站控制器，基站控制器存储短消息并根据指定时f h 】、 次数等，依次向各个基站传输系统播出。在点到点短消息业务中，消息可以从一 个移动台发送到另一个移动台，一个p c 到一个移动台，或者相反。s m s 又分为 移动台发起的短消息业务( m o ) 和移动台终止的短消息业务c m t ) 。s m s 通过 控制信道传送，在无业务信道呼叫时使用独立专用控制信道( s d c c h ) ，在有业 务呼叫时使用慢随路控制信道( s a c c h ) ，s m s 既是一种基本的电信业务，又可 作为信息服务业务的数据传输载体提供增值业务。 4 3 3g p r s 4 3 3 1g p r s 特点 图4 3短消息的体系结构 g p r s 是通用分组业务的简称，能实现比电路交换数据9 ，6 k b i t s 更高的数据 率。g p r s 采用与g s m r 相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、 调频规则以及相同的t d m a 帧结构。g p r s 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m s 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。与原有的电路型业务相比较，用户使用g p r s 业务将 具有建链时间短、数据传送速率高、费用低等特点，g p r s 具有以下特点： 在核心网络中引入g p r s 支持节点：s g s n 和g g s n ，采用分组交换平台方式， 2 i 铁道科学研究院硕士学位论文 定义了基于t c p i p 的g t t 方式来承载高层数据。s g s n 与m s c 在同一等级水平， 并跟踪单个m s 的存储单元，实现安全功能和接入控制，节点s ( ；s n 通过帧中继连 接到基站子系统。( ；g s n 支持与外部分组交换网的互联互通，并经由基于l p 的g p r s 骨干网和s g s n 连通。 通过g ( ；s n 实现了与标准i n t e r n e t 的无缝连接，g g s h 可实现与外部1 i 网络的透明与非透明的连接，支持特定的点对点和点对多点服务，以实现些特 殊应用如远程信息处理。g p r s 也允许短消息业务经g p r s 无线信道传输。 以灵活的方式与g s m r 语音业务共享无线与网络资源，采用了灵活的策 略，实现数据和话音业务共存。 g p r s 非常适合突发数据应用业务，能高效利用信道资源在无线接i j m a c r l c 层无线资源的有效管理，以及核心网络部分适于数据传送的分组交换方 式，g p r s 网络适于突发性数据的有效传送，它支持四种不同的q o s 级别。一般 来说，g p r s 能在0 5 l s 之内恢复数据的重新传输。 定义了新的g p r s 无线信道，且分配方式十分灵活：每个t d m a 帧可分配 1 到8 个无线时隙。时隙能为用户所共享，且上行链路和下行链路的分配是独立 的。 g p r s 支持中、高速率数据传输，可提供9 0 5 1 7 1 2 k b