（通信与信息系统专业论文）基于gsmr实现的机车同步操控系统冗余备份方案的研究.pdf

北京交通大学硕士论文 摘要 摘要 2 0 0 5 年，作为我国最重要的一条煤运专线，大秦线的年运输量已经突破了2 亿吨，居世界第一。今年，大秦线计划将年运输量提高到2 5 亿吨，远期目标更 是达到年运输量4 亿吨。这将是中国铁路史上的一个奇迹，也是一次巨大的挑战。 可以说，在原有的技术条件和运行密度下，大秦线的运输能力已经达到了极 限。为了实现铁路跨越式发展、进一步提高大秦线的运输能力，技术改造和技术 创新势在必行。采用g s m r 实现的机车同步操控系统，不受列车长度、地形条件 的限制，可以满足4 5 0 0 0 、2 1 0 0 0 0 等各种运输编组方式的要求。2 0 0 6 年3 月， 采用g s m r 实现的机车同步操控系统已经投入试运行( 编组方式为2 1 0 0 0 0 t ) 。 目前，大秦线每日重载列车开行对数为7 3 对，日均运量6 0 多万吨( 上半年最高 运量达到7 5 5 万吨) ，其中2 万吨列车日开行1 2 对( 占1 4 ) 、万吨列车2 8 对( 占 3 3 ) 、组合列车3 3 对( 占3 9 ) ，完全可以达到年运输量2 5 亿吨的目标。 在此基础上，进一步提高运输能力，需要提高2 万吨列车的开行密度，这就 对机车同步操控系统的稳定性、可靠性提出了更高的要求。在现有系统中，g s m - r 网络已经进行了无线双网补强改造，而g s m r 核心网和地面应用节点都还是单套 设备运行。今年早些时候，太原铁路局、山西铁通和北京交通大学均已提出g s m r 核心网络以及地面应用点增设冗余备份设备的建议。本文即针对g s m - r 核心网络 和地面应用节点冗余备份，提出了相关的冗余备份方案和系统运行策略。希望可 以为今后的工作提供一些具有价值的参考。 本文在第一章首先介绍了g s m r 发展历程和基于g s m - r 的列车通信系统的 发展趋势，以及采用g s m r 实现机车同步操控系统的基本情况。 第二章主要介绍g s m r 网络及其承载数据业务，分析了g s m 最数据传输的 一般原理和数据传输流程。 第三章深入描述了大秦线采用g s m r 实现的机车同步搡控系统，以及机车同 步操控系统g s m r 与8 0 0 m h z 两种通信方式之间的转换流程。 第四章提出了大秦线g s m - r 核心网和机车同步操控系统地面应用节点冗余备 份方案，以及相应的系统运行策略。 第五章对全文进行总结，提出进一步的工作方向。 关键词：g s m r ；机车同步操控：核心网；地面应用节点；冗余备份 分类号：t n 9 1 5 8 5 2 ：u 2 8 5 2 1 ；u 2 9 6 北京交通大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t d a - q i nr a i l 聃，a y ，州c hi s 他m o s ti m p o n a n t 廿a n s l i l i s s i o nl i n ed c d i c 砷e d 细c o a l t r a 丑s p o n 撕0 1 1 ，c a r r i c dm o r et l l a n2 0 0 ，o o o ，o o ot o mo fc o a li n2 0 0 5 i ti sp r o p o s e dt o c a n y2 5 0 ，o o o ，0 0 0t o 璐o fc o a li l l2 0 0 6 ，a n d4 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0t o 璐e v e nm o r ei nn l e 触u r e 1 k s 谢nb ean l i r a c l ei nt l l e1 1 i s t o r yo fc h i n a sr a i l w a yd e v e l o p m e n t m e a n w l l i l e ，i ti sa b i gc h a l l e n g e n sc o n f m e dt h a tt h ec a r r 湎gc 印a c 埘o fd a - q i n 蹦1 w a yi sl 砌t e d 珊d 叮也ef o n n e r t c c h n i c a lc o n d i t i o n s 锄dn a n s p o n a t i o nm o d e t om a k e 铲e a tp r o 蓼e s so fc h i m s m i l w a yd e v e l o p m e ma n de x p 锄dt h ec a n y i 芏1 9c a p a c i t yo fd a - q hr a i l w a y t e 涮c a l h n p r o v e m e n ta ni 姗o v a l i o ni sa b s o l u t e l yn e c e s s a 阱t h el 0 c o t r o l8 y s t e mb 嬲e d0 n g s m - rn 咖。比州c hc a n 倒 c tn l cr e q 嘶c m e mo fd i v e r s i 丘e d 廿a n s p o n a t i o nm o d e ，i s u n l h i t e db y 也el e n g mo f 仃a i no rc o n d i t i o n so fl a n d f o r m n l i ss y s t e mh 勰恤m c d n n l n i n g - i i l w i 也n 圯m 盯s h a l i i i l g m o d c o f 2 1 0 0 0 0 ts i n c e m 配2 0 0 6 s y g t e m 舱h a b i l i t y ds t 如i l i t yi sl l i g h l yd e m 锄d e dw h i l ei l l c r e 嬲i n g 也en l n i l i i l g 能q u e n c yo f2 1 0 0 0 0 t 仃a i n n ee x i s t i n gg s m rn 咖o r kh 鹪舱a l i z e db s s 弛d u n d a n c y 弛dd o u b l ec o v e r a g e s i l n i l 砌y t l l eg s m - rc o 他n e t w o r ka n da na l s o r e q u n s 聆d u n d 鳓c y 1 k sr e q u i r 锄e mh 嬲b e c np r o p o s e db y 1 址”蛆r 量i l w a y d 印a m n 吼s h a n x it i c t o n g 缸db j t ue a 订i e rt l l i sy e 她i m sp 印盱p l l t sf o r 啪r d 雠 s o i v e mo fg s m rc o r en 鲍r ka 1 1 da nr e d u n d a n c y ，孤dt l l ec o r r e s p o n d i n gs y 嘲l m n 】n i l i n gp o l i c y c h a p t e ro n cd c s 翻b e st h ed e v e l 叩m e n to fg s m 氇锄d 吐l es u r n m a r yo fl o c o 豇l s y s t e mb e do ng s m - rn e t w o r k c h a p t e rt w oi n 仃o “c e st 量圯g 岫l 曲聪o fg s m - r n e t w o r k ，m eb 部i c1 h e o r yo fi t sd a 协订锄s m i s s i o n 姐d 咖t r 勰s i i l i s s i o nn o w a 蛆p t e r n 1 1 船p r e s e l l 协t h ed e t a i l so fl o c 0 1 r i ls y s t 锄b 勰e do ng s m - rn 咖o r k 锄d 也c a c t i l a l 毋o fl o c o n ls y s t 锄o nd a - q i nr 丑i l w a y c h a p t 盯f o u rp u t sf b n a r d 也e s o l v e n to fg s m - rc o r e 耻= t 、 r o r k 肌da nr e d l m d a n c y ，船dt h e r r e s p l o n d i n gs y s t e m r u 加j n gp o i i c y ( 疆l 印t 盯f 如ec o n c l u d e sm e 怔i e s i sa n dp o 缸t so m t h e 丘e l d sf b rf i l m l e r s t l l d y k e yw o r d s ：g s m - r ；l o c o t r o l ；c o r en e t 、) l ，o r k ；a p p l i c a t i o nn o d e ；r e d u n d 缸c y c l a s s n o ：t n 9 1 5 8 5 2 ；u 2 8 5 1 2 1 ：u 2 9 6 致谢 首先对我的导师张小津教授致以衷心的感谢1 本论文的工作是在我的导师张 小津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。在此衷心感谢两年来张老师对我的关心和指导。 感谢无线通信实验室的全体老师，感谢你们在我学习期间给予我的帮助。尤 其感谢钟老师、蒋老师、丁老师，是你们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，在此表示衷心的谢意。 感谢师兄师姐的指导，0 4 级兄弟姐妹们的帮助。 感谢我的家人和朋友。 感谢所有给予我关心、支持和帮助的人。 北京交通大学硕士论文 1 1 综述 l 绪论 g s m - r ( g s mf o r 贼1 w a y ) 是专门为铁路通信量身打造的专用数字移动通信 系统，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轻松开发各种各 样的铁路应用。 g s m r 的标准包括以g s mp h s e - 2 + 为基础的骨干标准和针对铁路特殊应用 的欧洲铁路综合无线增强网络( e 球e n e ) 标准。前者包括商用g s m 标准部分( 包 括电信业务和补充业务) 、通用集群功能( 包括组呼、广播呼叫、优先级、强插强 拆等) 。后者包括功能寻址( 车次、机车、客车、调度作业、铁路维护等功能呼叫) 、 与位置有关的寻址、f 0 1 l ，m e 功能、直接模式、调车编组作业通信、列车自动控 制数据传输业务等。 1 1 1g s m r 的发展历程 g s m r 最早在欧洲发展起来。它是在g s m 蜂窝系统的基础上，增加调度通 信、组呼、列车定位等铁路需要的特殊功能，构成了新一代铁路专用移动通信系 统。g s m - r 系统构架在g s m 基础网络之上，可以实现现有无线列调的所有功能， 同时还增加了许多铁路调度管理急需的附加功能，如：多优先级和强拆功能、话 音组呼及广播功能、列车位置跟踪、车次号传输以及数据传输等。 1 9 9 3 年，国际铁路联盟u i c 成立了e r i e n e 工作组，并与欧洲电信组织e t s i 协商，确定了欧洲各国铁路下一代无线通信以g s mp h 船e 一2 + 为标准的g s m r 技 术。1 9 9 7 年，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，承诺共同为 g s m r 作为新一代的铁路无线通信系统标准努力。同年，e 汪n e ( 负责制定g s m - r 的体制方案) 在德国、法国、意大利开展了三个测试项目( m o i t a n e ) 1 9 9 9 年， 第一个g s m r 网络在瑞典铁路建成。随后，德国、瑞士、荷兰、英国、意大利、 西班牙、印度等国家也相继开始建设自己的g s m r 系统。表1 - l 介绍了到目前为 止国外g s m r 网络的发展状况。 与世界其他国家铁路相比，中国铁路运输无论在运输模式、客货运输量、行 车指挥和控制方式等方面，都存在着不同程度的差别。这就决定了我国铁路部门 北京交通大学硕士论文 表l l 国外g s m r 网络发展状况 国家 计划里程数 ( 欧洲1 5 个，亚洲6 个) ( k m ) 德国3 2 0 0 0 克罗地亚1 3 0 0 瑞士3 0 0 0 意大利 8 5 0 0 英国1 6 0 0 0 法国1 5 0 0 0 欧 西班牙 1 3 0 0 0 比利时3 0 0 0 洲 荷兰3 1 0 0 捷克 2 5 0 0 丹麦 2 5 0 0 芬兰 5 0 0 0 瑞典 9 9 0 0 挪威 3 8 0 0 匈牙利3 8 0 0 俄罗斯 2 5 0 0 0 亚 印度 1 9 0 0 0 哈萨克斯坦 4 2 0 0 洲 土耳其 2 6 0 0 沙特阿拉伯 4 0 0 注：数据来源于2 0 0 6 年u 1 c 年会统计结果 在引入g s m r 系统的同时必须使其适应中国铁路应用的需要，在借鉴和吸收欧洲 各国铁路发展的成功经验的同时，形成适合中国铁路实际需要的g s m r 标准和规 范目前，我国已形成了基本的g s m - r 标准体系，制定了无线通信系统的相关技术 应用条件，包括g s m r 编号计划、调度通信技术条件、铁路g s m _ r 网络规划技 术条件、s i m 卡技术条件、车次号传送系统技术条件、调车机车信号和监控信息 传送系统技术条件、调度命令传送系统技术条件、机车综合无线通信设备技术条 件、列尾装置信息系统技术条件、智能网技术条件等，为g s m r 在中国的发展奠 定了坚实的基础。在此基础上，形成了我国的基于g s m r 的完整铁路应用体系， 如图1 1 所示，该体系分为四个层次：第一层是g s m 的功能和业务；第二层是 2 北京交通大学硕士论文 绪论 g s m r 特有的集群调度业务和功能( e m l p p 、v g c s 、v b s ) ；第三层是基于g s m r 系统的铁路特殊业务，分别是功能寻址、功能号表示、接入矩阵、基于位置寻址； 第四层是基于g s m r 系统的具有中国铁路特色的十大应用旅客列车移动通信 综合接入系统、机车移动综合接入系统、集装箱站点移动信息综合接入系统、动 车段车站移动信息综合接入系统、编组站移动信息综合接入系统、调度通信、列 车尾部风压信息传送、机车同步操控系统信息传送、列车控制系统( c t c s 3 c t c s 4 ) 安全信息传输、区间移动信息接入及公务移动通信。 图1 1基于g s m - r 的申国铁路应用体系 f i g 1 - 1 s 仃u c t u r eo f c h i n a sr a i l w a ya p p l i c a n o nb 鸹e do ng s m r 我国铁路g s m - r 网络的发展目标是在全路建立一张移动通信网络，利用通信 的手段实现铁路移动设施和固定设施的无缝连接，确保列车平稳、高速、安全地 运行。同时，在我国中长期铁路网规划中，计划到2 0 2 0 年，全国铁路营业里 程达到1 0 万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电化率均达到5 0 ，运 输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平， 为g s m r 在中国的发展提供了广阔的空间。 目前，我国己初步建设了分别代表高原、重载和繁忙干线的青藏线、大秦线 和胶济线三条g s m r 铁路，客运专线的建设也已经进入实施阶段。其中，青藏线 是一条及多种领先技术于一身的往返于“世界屋脊”的铁路；大秦线是使中国步 入重载领域先进行列的标志性工程，突破性地实现了年运量2 亿吨的目标，现在 技术还在不断创新，预计年运量还有不断攀升的潜力，还处于建设中的胶济线是 对g s m r 技术应用于中国特殊环境的一个尝试，它的成功与否将影响着g s m - r 技术在时速2 0 0 k 妇铁路线路的普及。 j e 京交通火学硕士论文 1 1 2 基于g s m - r 的列车通信系统的发展趋势 在铁路通信信号领域，轨道电路已经有百余年的历史，轨道电路在保证铁路 安全运输中起到了重要作用。但是轨道电路存在缺点是传输环境恶劣，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。历史发展到 今天，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 发展的需要。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。这些信息包括：列 车状态、列车速度、列车位置、列控信息、线路数据信息、桥隧信息及环境信息 等等。 为了增加列车与地面之间信息量的传输，国外提出几种不同的方案，有的已 投入运行，有的还在试验之中，其中包括：德国l z b 自动闭塞系统采用轨道电缆 方式，日本在上越新干线上采用漏泄电缆方式，欧洲e 1 s 系统采用g s m - r 纯无 线方式试验也在进行之中。 国外于8 0 年代初，开始研究基于无线通信的铁路信号系统c b t c ( c o 删n u i l i c 撕o nb 船e d 廿a i l lc o n 仃o ls y s t e m ) ，希望通过c b t c 能够降低系统造价， 节约能源，缩短列车间隔时分，增强铁路运输管理能力，增加旅客乘坐舒适性。 1 9 9 5 年，国际铁路会议指出t b s 是未来铁路信号系统的发展方向。用无线方式传 输铁车控制数据示现代铁路发展的方向。 c b t c ( c o m m u n i c a n o nb 鹊e dt r a i l lc o n 廿0 1 ) 一基于通信的列车控制系统，是 随着无线通信技术的发展及其在铁路上的应用而产生和发展起来的，就是在车载 设备和地面设备之间，利用无线通信系统双向传输列车控制信息，可以实现地面 对列车的闭环控制，并且可以传输大容量的信息，满足铁路发展对列车控制系统 的要求，是铁路列车控制系统发展的方向。 国外研究c b t c 的时间较早，技术发展也比较快，目前相对比较成熟的有欧 洲列车控制系统( e t c s e 衄) p e 托t r a i nc o n 仃o ls y s t e m ) ，北美的先进列车控制系 统( a r c s a d v a n c c dt r a i l i c o n 打o ls y s t e m ) ，日本的计算机和无线通信列车控制系 统( c a r a t c o m _ p u t e ra i l dr a d i o a i d e dc o r l 仃o ls y s t c m ) 等等。其中e t c s 是影响 面最广，应用的最多的一种基于无线通信的列控系统，它也是e l m s 的一个重要 组成部分。可见无线通信是未来列车控制中车地之间进行数据传输的发展方向。 目前中国列车控制系统c t c s 正在起步和发展阶段，它参照e t c s 的分级方式分 4 j e 京交通大学硕士论文 绪论 为o 4 级，其中3 、4 级利用无线通信系统g s m r 来双向传输列控信息，是中国 铁路通信信号的发展方向。 1 1 3 采用g s m - r 实现机车同操控系统的研究 大秦线( 大同一秦皇岛) 是我国煤炭运输的主通道之一，煤炭运量占全国铁路 煤运总量的1 7 强。目前大秦线的单编运输能力达到一万吨左右，年运输能力突 破两亿吨。可以说，在现有的技术条件和运行密度下，大秦线的运输能力已经达 到了极限。为了实现铁路跨越式发展、进一步提高大秦线的运输能力，技术改造 和技术创新势在必行。为此，铁道部引进了美国g e 公司的l o c 0 国l 机车同步 操控技术，在大秦线上开行两万吨重载组合列车。但是原有的l 0 c o l 技术采 用数传电台的方式保持各机车间通信，当传输距离很长时，很容易造成通信中断。 而大秦线上将要开行的两万吨重载组合列车长度达到约2 5 k m ，牵引机车问的间隔 超过了1 k m ，数传电台难以保障，势必要换一种通信平台。于是，g s m _ r 铁路专 用移动通信网被创造性地引入到机车同步操作控制系统中，通过o s m r 通信网络 传输l o c o n t 0 l 控制数据。北京交通大学g s m _ r 研究与应用模拟系统实验室设计 并开发了基于g s m r 网络实现的机车同步操作控制系统。 采用g s m r 实现机车同步操控系统的研究，在g s m r 网络提供的点对点数 据承载业务基础上，开发了点对多点的数据会议系统。采用g s m - r 并用数据会议 的方式传输l o c o 砸旧l 控制数据，能够满足机车i 司步操控系统的要求，并且不受 列车长度、地形条件的限制，可以满足4 5 0 0 0 、2 1 0 0 0 0 等各种运输编组方式 的要求。采用o s m r 实现的机车同步操控系统已于2 0 0 6 年3 月底投入试运行。 1 2 本课题研究的意义 虽然机车同步操控系统已经投入试运行，但是围绕保障同步操控系统安全、 稳定地运行，仍然需要一系列的改进工作，如0 s m r 单网完善、双网补强等。目 前，g s m r 双网建设仅限于无线网络部分的双网改造，尚未涉及到核心网络以及 相应的机车同步操控系统地面应用节点的改进工作( 太原局和山西铁通已经提出 了相关建议) 。考虑到现有网络，采用怎样的核心网双网冗余方案和地面应用节点 冗余备份方案以及相应的运行策略，这是我们必须考虑的问题。 本文即针对核心网和地面应用节点冗余备份问题，在前人对核心网冗余备份 研究基础上，充分考虑大秦线现有网络，提出了大秦线o s m r 核心网和地面应用 节点冗余备份方案以及相应的运行策略，希望可以为以后的工作提供具有价值的 北京交通大学硕士论文 参考。 1 3 本论文的主要工作与贡献 本文在第一章首先介绍了g s m - r 发展历程和基于g s m r 的列车通信系统的 发展趋势，指出无线方式传输铁路列控信息是未来的发展方向。然后介绍了采用 g s m r 实现机车同步操控系统的基本情况。 在本文的第二章，主要介绍g s m - r 网络及其承载数据业务，分析了g s m - r 数据传输的一般原理和数据传输流程。 第三章深入描述了大秦线采用g s m r 实现的机车同步操控系统，包括系统方 案、系统各组成部分的实现、系统通信过程，以及机车同步操控系统对g s m - r 网 络服务质量的要求。此外，本章还详细解释了机车同步操控系统g s m 壤与8 0 0 m h z 两种通信方式之间的转换流程。 第四章是本文的主体部分。首先对现有的机车同步操控系统配置情况以及目 前的系统运行策略进行了总结。在此基础上，提出了大秦线g s m r 核心网和机车 同步操控系统地面应用节点冗余备份方案，以及相应的系统运行策略。 第五章对全文进行总结，提出进一步的工作方向。 本论文的主要贡献： 研究了g s m r 数据传输的一般原理和数据传输流程； 研究了大秦线采用g s m - r 实现的机车同步操控系统，并进行了总结 包括系统方案、系统各组成部分的功能及实现、系统通信过程。以及机车 同步操控系统对通信质量的要求； 结合现有网络状况，提出了大秦线o s m - r 核心网冗余备份方案； 提出了机车同步操控地面应用节点冗余备份方案以及相应的系统运行策 略。 6 北京交通大学硕士论文g s m r 网络及其承载数据业务 2g s m r 网络及其承载数据业务 2 1g s m r 网络1 1 g s m r 陆地移动网络是由一个管理者或专门的机构组织建立并执行操作的， 它的目的是为铁路提供陆地移动通信的各种业务。g s m r 陆地网络可以看作是某 个固定网络的扩展，如i s d n ；或者是一个采用统一编号方案的m s c 的集合。m s c 作为陆地移动网络和固定网络的接入单元。作为铁路专用的网络，g s m r 可以有 限地、有条件地与地面的公众或专用网络进行互连。 一个g s m r 陆地移动系统由若干个功能实体组成，这些功能实体所实现的功 能的集合就是网络能够提供给用户的所有基本业务和补充业务，以及对于用户数 据和移动性的操作和管理。g s m r 陆地移动网络由三个子系统组成，其基本结构 如图2 1 所示。 圈2 1g s m r 陆地移动网络的基本结构 f i g 2 - 1 s 订眦t i l 他o f g s m rl 柚dm o b i l en 咖o r k 基站子系统( b s s ) 是g s m - r 系统中最基本的组成部分，从功能上看，b s s 7 北京交通大学硕士论文g s m r 网络及其承载数据业务 通过无线接口直接与移动台相连，负责无线发送，接收和无限资源管理；通过a 接 口与n s s 相连，实现移动用户之间或移动用户和固定网用户之间的通信连接，并 且传送系统信令和用户信息等。它由一个基站控制器( b s c ) 和若干个基站收发信 机( b t s ) 组成，b t s 主要负责与一定覆盖区域内的移动台( m s ) 进行通信，并 对控制接口进行管理。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 ra 1 ，) ，它实现了 g s m r 编码速率向标准的p s t n 或i s d n 速率的转换。t r a i7 与b s c 通过a 接口 连接。 网络子系统( n s s ) 建立在移动交换中心( m s c ) 上，负责端到端的呼叫、 用户数据管理、移动性管理和与固定网络的连接。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互连网络的类型。n s s 提供的主要功能包括为用户移动 特征提供的特定功能如寻呼，呼叫过程中对无限资源的管理，与b s s 之间的信令 协议的管理，负责与其他的移动功能实体交换信令信息等。基本的网络子系统由6 个功能实体组成，分别是：移动交换中心( m s c ) 、归属位置寄存器( m r ) 、拜 访位置寄存器( 展) 、鉴权中心( a u c ) 、设备识别寄存器( e i r ) 和互连功能单 元( 聊f ) 。另外，n s s 中还可以有实现语音组呼和语音广播的实体，即交换子系 统中的组呼寄存器( g c r ) ，是g s m - r 为了支持语音组呼和广播呼叫业务而增加 的新数据库，用来与存储语音组呼和广播呼叫相关的数据和属性，这些功能实体 可以根据具体的需要进行选择。 操作子系统( o s s ) 可以分为对应b s s 的操作与维护中心( o m c - r ) 及对应 n s s 的操作与维护中心( o m c s ) 。o m c - r 与b s c 的连接有两种途径：通过x 2 5 数据网络与b s c 相连：b s c 先与n 认u 相连，然后通过m s c 再与o m c r 连接。 o m c s 通过o m n 接口与m s c 相连。o s s 是操作人员与系统设备之间的中介， 它实现了系统的集中操作与维护，完成了包括移动用户管理、移动设备管理及网 络操作维护等功能。它的一侧与设备相连( 不包括b t s ，对b t s 的操作维护是经 过b s c 进行管理) ，另一侧是作为人机接口的计算机工作站。这些专门用于操作维 护的设备被称为操作维护中心o m c 。系统的每个组成部门都可以通过特有的网络 连接至o m c ，从而实现集中维护。 移动台是接入g s m - r 网络的用户设备，包括移动终端( h 舶巳) 和终端设备( t e ) ， 或通过终端适配器与m e 连接的t e 。移动台除了具有通过无线接口( u m ) 接入 到g s m r 系统的一般处理功能外，还为移动用户提供了人机接口。 任何g s m - r 陆地移动通信网络都必须与固定网络连接，一同完成移动用户与 移动用户之间、移动用户与固定用户之间的通信。 组成g s m r 网络的各个子系统之间、b s s 与移动台之间、与固定网络之间的 北京交通大学硕士论文g s m - r 网络及其承载数据业务 互连都提供了标准的接口。网络中的不同设备可以通过标准的接口来实现移动业 务的本地和国际互连。g s m r 网络的信令系统采用n o 7 信令网传送呼叫控制信 息和其他信令信息。 g s m - r 网络为支持基本业务提供以下功能： 呼叫处理 用户身份的鉴权 紧急呼叫 语音组呼和语音广播 短消息业务 信令信息的加密 除此之外，g s m - r 网络还为支持各种补充业务提供了相应的功能。 为支持蜂窝系统的操作提供以下功能： 位置登记 切换 呼叫重新建立 g s m r 网络还具有网络管理功能和一些附加功能，如呼叫处理的排队、安全 功能、不连续发送和接收( d d ( d n t ) 等。 与g s m 网追求最大用户系统容量不同，g s m r 系统更侧重于系统的有效性， 这是铁路特殊的需求，因此g s m r 在网络覆盖上有更多的重叠，网络设施也采用 冗余备份。可选择将g s m 系统的m s c 、皿、e 盈、g c r 、s s p 、m 瓜、a u c 置 于一个网元中，且随着网络的增长而分散到多个网元中，这样可以形成一个经济、 便于维护的网络结构。 典型的基于o s m g s m - r 的铁路通信网与普通的g s mp l h d n 并无大的区别， 在其网络的网元、标准接口和连接的扩展上也无大的区别。在公网的基础上引入 一系列的新技术，即可用于铁路部门。铁路网与公网的主要区别在于由铁路网特 殊需求引起的网络结构和规划上的区别。 9 北京交通大学硕士论文g s m r 网络及其承载数据业务 2 2g s m r 承载数据业务 2 2 1g s m r 数据业务 2 2 1 1 业务接入模型 g s m - r 网络的业务接入参考图如图2 2 所示。根据实际应用情况，m s 可由 t e ( 即车载计算机) 和m t 2 ( 包括t a 和m e ) 构成。 t e ：终端设备b s s ：基站子系统m s c ：移动交换中心 i w f ：互连功能i s d n ：综合业务数字网 图2 2g s m - r 网络业务接入框图 f i g 2 - 2 s k 时c hm 印o f g s m - rs e i c e 眦锚s 2 。2 1 2 承载业务1 1 i s d n 数据承载业务是指从移动侧的终端设备( 即车载计算机) 到固定侧与i s d n 互 连的网关( 服务器，如机车同步操控系统中的地面应用节点) 的数据接入和传输。 通常从四方面特性来描述承载业务： 信息传输特性：这一特性描述了从g s m r 网络的用户接入点到其他网络 的用户接入点之间的传输信息的网络能力。 接入特性：描述了从接入点接入网络的功能或设备。 互联特性：描述了终端网络和接入点的特性，终端网络也可能与源端网络 是同一个 一般特性。 图2 3 说明了这四种特性之间的关系。 北京交通大学硕士论文g s m - r 网络及其承载数据业务 图2 - 3 承载业务特性之间的关系 f i g 2 - 3旭l a t i o n 锄o n gb e a 埘s e r v i c h a r a c 刚s t i c s 承载业务每一特性所包含的具体内容如表2 1 所示，对于每一特性必须包含的 内容用最小集合来描述； 表2 1 承载业务的具体特性 1 曲1 e2 - lc h a r t e r i 鲥c so f b e 删s e r v ； 特性最小集合 信息传输模式 信息传输速率 信息 信息传输能力 1 传输 通信建立 特性 对称性 通信配置 数据压缩 接入信道和速率 信令接入协议 接入特性 信息接入协议 信息接入结构 信息接入速率 互联特性 提供的补充业务 一般特性服务质量 操作和商用 对于所有的g s m r 承载业务，下列属性具有相同的参数值，如表2 - 2 所示： 北京交通大学硕士论文 g s m r 网络及其承载数据业务 表2 - 2 承载业务的公共参数值 信息传输模式电路模式。 信息传输速率无应用。 通信建立请求 对称性双向对称密 通信配置点到点 注释：在g p r s 中要求使用分组传输的模式 g s m _ r 网络的传输速率决定于参考点，传递网络和终端网络 g p r s 中要求双向非对称性 所有的承载业务都支持在剐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。 目前g s m - r 能够提供的数据承载业务主要分为以下四类： 无限制的数据信息( u d i ) 3 1 娥z 的音频信息( g s m - r 网络外部) 分组组装分拆( n 蛐) 分组 2 2 1 3 传输模式1 1 9 l 数据传输有两种模式：透明和非透明模式。 ( 1 ) 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 7 和1 w f 之间的路径可以看成为同步电路，两者之间有固定的吞 吐量和传输时延，但误码率不定。采用透明模式在传输速率较低的情况下能得到 较好的传输效果。 ( 2 ) 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1 - a f 和1 w f 之间 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。在非透明模式下，1 ：a f 和i w f 之间的信息传输可以看作为分组数据流，其 残余误码率优于透明模式，但是吞吐量和传输时延会随着无线信道传输质量情况 而变化。 作为一种分组传送方式，非透明模式必然涉及两个关键技术：一是1 a f 和i w f 之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 北京交通火学硕士论文g s m - r 网络及其承载数据业务 的流量控制，它有三种力敏：端到端的控制、反压式控制和r i j 接收未准备好控 制。 2 。2 。2 数据传输过程 在g s m r 网络中，车载应用数据经过一系列速率适配和协议处理后，传送至 移动交换机m s c ，m s c 中的i w f 将数据转换成固定网络( i s d n ) 要求的格式后， 再将其送至固定端。 2 2 2 。lm s 数据流程i l m s 中的数据业务流程如图2 4 所示。 r a o 模块功能 、 图2 - 4m s 中的数据业务流程 f ig 2 - 4d 曩t as e r v i f i o wj nm s 表2 - 3o s m r 中i 认0 适配对应关系 异步用户数据速率同步用户数据速率 s0 6 k b i t s 0 6 k b i 以 1 2 k b i t s 1 2 k 1 ) i t ，s 2 舢出i 佻 2 4 k b i t ，s 4 8 k b 0 4 8 k b i t s 9 6 k b j t ，s9 6 k b i t s 用户数据一般采用异步方式发送，通过r a 0 实现了异步数据和同步数据之间 的转换。转换方法是把输入的异步数据通过填充附加的“停止比特”，使其速率刚 好等于相同的同步数据速率或者最接近的较高同步数据速率。r a 0 输出的速率为2 的n ( o n 6 ) 次方乘以6 0 0 k b i 讹，1 4 4 k b i t ，s 或2 8 8 k b i 讹。因此，对于速率为 7 5 b s 和3 0 0 b i 低的异步用户数据都适配到速率为6 0 0 b i t s 的同步数据。表2 3 给 出了g s m r 中r a o 的速率转换关系。 北京交通大学硕士论文o s m - r 网络及其承裴数据业务 对于9 6 k b 州s 的异步用户数据，转换成9 6 k b i “s 的同步用户数据时，采用的 是修改过的c c i t t v l l o6 0 比特帧格式。通过这种帧格式转换，用户数据速率为 9 6 k b i t ，s 时，可以计算出帧的速率达到了1 2 k b i 讹。转换后帧格式如表2 4 所示。 表2 49 6 k b i 怕的同步用户数据帧格式 字：仃编号 比特编号 1234567 0d l d 2 d 3d 4d 5d 6s 1 ld 7 d g d 9d 1 0d 1 1d 1 2x 2d 1 3d 1 4d 1 5d 1 6d 1 7d 1 8s 3 3d 1 9d 2 0d 2 1d 2 2d 2 3d 2 4s 4 4e 4e 5e 6e 7d 2 5d 2 6d 2 7 5d 2 8d 2 9d 3 0s 6d 3 1d 3 2d 3 3 6d 3 4 d 3 5 d 3 6xd 3 7d 3 8d 3 9 7d 4 0d 4 1d 4 2s 8d 4 3d 4 4d 4 5 8d 4 6d 4 7d 4 8s 9 r a l 模块功能 r a l 实现了同步数据速率与无线接口速率之间的转换。表2 5 给出了g s m r 中r a l 的速率转换关系。 表2 5g s m r 中r a l 适配对应关系 同步用户数据 无线接口速率 董2 4 j ( b i 讹 3 6 k b i t ，s 4 8 k b i 以6 k b i t s 9 6 k b i o g 1 2 k b i t ，s 2 2 2 2b s s 数据流程1 2 l j b s s 中的数据业务流程如图2 5 所示。 b s s 信遭编码单元c c u码型交换器 r a l lr a ll t r a u u m 自壶匝区卜回 图2 - 5b s s 中的数据业务流程 f 谵2 5 d a 协s e r v i c cf o l wi nb s s 1 4 北京交通大学硕士论文g s m 琅网络及其承载数据业务 r a l r a l 模块功能 数据通过u m 接口发送到b s s 后，r a l r a l 模块进行无线接口速率和中间速 率的透明转换。r a l 先把无线接口速率转换成同步数据速率，r a l 再接着转换成 中间速率。通过比特重复和附加帧可以转换为以下几种中间速率：8 k b 甜s ，1 6 k b 彬s ， 3 2 k b 州s 或6 4 k b i 以。表2 6 给出了g s m - r 中r a l 模块的速率转换关系。 从r a l 输出的数据采用c c i t t v l l 0 协议里规定的8 0 b i 协帧格式。下面以 2 4 k b i t ，s 和9 6 k b i 讹的同步用户数据为例，说明帧格式的转换。 2 4 k b i t ，s 的同步用户数据速率转换成8 k b i 佻的中间数据速率，转换后的帧格 式如袭2 7 所示。 表2 6g s m - r 中r a l 适配对应关系 同步用户数据速率 中间速率 2 4 k b i t s 8 k b 胁 4 8 k b i t ，s8 k b i 讹 9 6 k b i t ，s1 6 k b 肭 表2 72 4 k b i 怕同步用户数据到8 k b i 讹中间速率适配帧格式 字节 比特编号 编号 12345678 0o00o0oo0 ild ld ld 2d 2d 3d 3s 1 21d 4d 4d 5d 5d 6d 6x 3 1d 7d 7d 8d 8d 9d 9s 3 4ld 1 0d 1 0d 1 1d 1 1d 1 2d 1 2s 4 5l1 1oe 4 e 5 e 6 e 7 6ld 1 3d 1 3d 1 4d 1 4d 1 5d 1 5s 6 7ld 1 6d 1 6d 1 7d 1 7d 1 8d 1 8x 8 1d 1 9 d 1 9d 2 0d 2 0d 2 1d 2 1s 8 91d 2 2d 2 2d 2 3d 2 3d 2 4d 2 4s 9 可以看出，对于8 0 比特的v 1 1 0 帧，其中含有数据2 4 比特，对用户数据进行 了比特重复。正好满足如下关系式； 8 0 ( b i t 詹a m e ) 2 4 ( b i 铲晒m e ) = 8 ( k b 州s ) ，2 4 ( k b 州s ) 9 6 k b i 仉的同步用户数据速率转换成1 6 k b i t ，s 的中间数据速率，转换后的帧格 式如表2 8 所示。 北京交通大学硕士论文g s m - r 网络及其承载数据业务 可以看出，对于8 0 比特的v l l o 帧，其中含有数据4 8 比特。正好满足如下关 系式： 8 0 ( b i 矿妇m e ) 4 8 ( b i 咖a m e ) = 1 6 ( k b i t ，s ) 9 6 ( k b i t s ) r a a 模块功能 在c c u 和t ra 17 之间是以n 认u 帧方式进行传输的，其传输速率是1 6 k b i 以。 因此，鼬锚实现了c c i t t v l l o8 0 比特帧格式和讯u 数据帧位置区中修改后的 c c i t t v l l o7 2 比特帧格式之间的转换。只需将用户同步的全o 字节去掉或者加 入。n i a i ，的数据帧格式如表2 9 所示。 表2 89 6 k b i 魄同步