基于鐵路專用通信GSM-R的無線路測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

　　0 引 言

　　GSM－R是基于GSM技術(shù)的一種專用通信系統(tǒng)——鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的GSM技術(shù)相比，GSM－R除了能提供一系列鐵路通信業(yè)務(wù)外，還能保證列車在500 km／h的情況下進(jìn)行高可靠性、高接通率、高傳輸質(zhì)量的通信。當(dāng)前，GSM－R技術(shù)成為國(guó)際國(guó)內(nèi)鐵路通信發(fā)展的焦點(diǎn)，我國(guó)在GSM－R技術(shù)上也有了一定的進(jìn)展。2004年開始在青藏鐵路、大秦線電氣化改造和京護(hù)高速鐵路的建設(shè)中進(jìn)行GSM－R鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、建設(shè)和試運(yùn)營(yíng)。與此同時(shí)，由于目前國(guó)內(nèi)的GSM－R路測(cè)系統(tǒng)十分稀少，對(duì)GSM－R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也開始成為GSM－R移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的一個(gè)當(dāng)務(wù)之急。為了真正了解GSM－R網(wǎng)絡(luò)，調(diào)測(cè) GSM－R網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化GSM－R網(wǎng)絡(luò)，本文提出并設(shè)計(jì)出了一種既適用于GSM網(wǎng)絡(luò)又適用于GSM－R網(wǎng)絡(luò)的無線路測(cè)系統(tǒng)。一方面，在GSM－R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的初期，通過本系統(tǒng)的輔助能夠合理地進(jìn)行頻率分配、小區(qū)參數(shù)的調(diào)整：另一方面，可以優(yōu)化已建GSM和GSM－R網(wǎng)絡(luò)的性能，提高通信質(zhì)量。

　　1 GSM－R網(wǎng)絡(luò)介紹

　　1．1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能

　　一個(gè)GSM－R移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)功能實(shí)體組成。各個(gè)功能實(shí)體所實(shí)現(xiàn)的功能的集合就是GSM－R網(wǎng)絡(luò)提供給用戶的基本業(yè)務(wù)與補(bǔ)充業(yè)務(wù)。GSM－R移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基于GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，主要由基站子系統(tǒng)(BSS)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)、操作與維護(hù)子系統(tǒng)(OSS)三部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　BSS主要由基站控制器(BSC)、基站收發(fā)信臺(tái)(BTS)組成。通過無線接口(Um)與移動(dòng)臺(tái)(MS)相連，A接口與NSS相連。BTS是網(wǎng)絡(luò)固定部分與無線部分之間進(jìn)行通信的中繼，MS通過空中接口與BTS進(jìn)行連接，是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無線接入部分，是終端用戶最直接感受網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的部分。一個(gè)或幾個(gè) BTS連接到一個(gè)BSC上，BSC主要提供在其覆蓋區(qū)域內(nèi)的無線電資源管理與移動(dòng)性管理的功能，以及提供無線電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)功能。BSS還有可能存在編碼速率適配單元(TRAU)，實(shí)現(xiàn)編碼速率轉(zhuǎn)換。

　　NSS一般由六個(gè)功能實(shí)體組成，分別是移動(dòng)交換中心(MSC)、歸屬位置寄存器(HLR)、拜訪位置寄存器(VLR)、鑒權(quán)中心(AUC)、設(shè)備識(shí)別寄存器(EIR)，組呼寄存器(GCR)。NSS主要負(fù)責(zé)端到端的呼叫、用戶數(shù)據(jù)管理、移動(dòng)性管理和固定網(wǎng)絡(luò)的連接。其中MSC是NSS的核心，用于建立業(yè)務(wù)信道和在MSC之間或與其他網(wǎng)絡(luò)之間交換信令消息。與MSC相連的是VLR，VLR管理在一個(gè)MSC區(qū)內(nèi)漫游移動(dòng)用戶信息的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。HLR存儲(chǔ)的是在網(wǎng)絡(luò)中永久注冊(cè)的移動(dòng)用戶的靜態(tài)信息，如用戶信息、承載和定制的用戶信息等。AUC完成對(duì)用戶的鑒權(quán)及為移動(dòng)臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)之間的無線通信進(jìn)行加密。EIR用來存儲(chǔ)IMEI(國(guó)際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別符)。作為GSM－R網(wǎng)絡(luò)的特有組件GCR，用于存儲(chǔ)移動(dòng)用戶的組ID、移動(dòng)臺(tái)發(fā)起語(yǔ)音組呼(VGCS)和語(yǔ)音廣播 (VBS)參考的小區(qū)信息及發(fā)起呼叫的MSC是否負(fù)責(zé)處理呼叫的指示。

　　OSS可分為對(duì)應(yīng)BSS的操作與維護(hù)中心OMC－R及對(duì)應(yīng)NSS的操作與維護(hù)中心OMC－S。OSS是操作人員與系統(tǒng)設(shè)備之間的中介，它實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集中操作與維護(hù)。完成了包括移動(dòng)用戶管理、移動(dòng)設(shè)備管理及網(wǎng)絡(luò)操作維護(hù)等功能。它的一側(cè)與設(shè)備相連，另一側(cè)是作為人機(jī)接口的計(jì)算機(jī)工作站。這些專門用于操作維護(hù)的設(shè)備被稱為操作維護(hù)中心OMC。系統(tǒng)的每個(gè)組成部分都可以通過特有的網(wǎng)絡(luò)連接至OMC，從而實(shí)現(xiàn)集中維護(hù)。

　　1．2 業(yè)務(wù)模型

　　GSM－R是專門為鐵路通信設(shè)計(jì)的綜合專用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，它基于GSM的基礎(chǔ)設(shè)施及其提供的高級(jí)語(yǔ)音呼叫業(yè)務(wù)，其中包括增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)與強(qiáng)拆(eM- LPP)、VGCS和VBS，并提供鐵路特有的調(diào)度業(yè)務(wù)，包括：功能尋址、功能號(hào)表示、接入矩陣和基于位置的尋址．并以此作為信息化平臺(tái)，使鐵路部分可以在此信息平臺(tái)上開發(fā)各種應(yīng)用。GSM-R的業(yè)務(wù)模型如圖2所示。

　　2 無線接口協(xié)議

　　無線接口(Um)是MS與BTS之間的通信接口，又稱為空中接口(airinteRFace)，用于移動(dòng)臺(tái)與GSM-R系統(tǒng)固定部分之間的通信，其物理連接通過無線鏈路實(shí)現(xiàn)。此接口傳遞的信息包括無線資源管理、移動(dòng)性管理和接續(xù)管理等。

　　2．1 協(xié)議分層(三層)

　　空中接口對(duì)應(yīng)于OSI(開放系統(tǒng)互連)模型的低三層，分為物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。與OSI的分層模型不是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。

　　物理層(PHL)：支持TDMA幀、FDMA和邏輯信道復(fù)用。提供無線鏈路的傳輸通道，為高層提供不同功能的邏輯信道，如業(yè)務(wù)信道與控制信道。物理層在MAC層的控制下，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)分組的收發(fā)。

　　鏈路層：包括介質(zhì)接入控制層MAC和數(shù)據(jù)鏈路控制層(DLC)。前者通過形成多種邏輯信道為高層提供不同的業(yè)務(wù)；后者為網(wǎng)絡(luò)層提供非常可靠的數(shù)據(jù)鏈路。為內(nèi)部控制信令和有限數(shù)量的用戶信息提供非常可靠的傳輸鏈路。

　　網(wǎng)絡(luò)層：主要是信令層，包括連接管理(CM)、移動(dòng)性管理(MM)、無線資源管理(RM)。確定了用于鏈路控制、呼叫控制、附加業(yè)務(wù)、面向連接的消息業(yè)務(wù)、無連接的消息業(yè)務(wù)等各種功能。

　　2．2 無線資源工作模式

　　無線資源管理的目的是建立、保持、并釋放網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)臺(tái)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通話的無線資源(RR)連接。一個(gè)RR連接是兩個(gè)同等實(shí)體間的一條物理連接，用于支持上層間信息流量的變化。無線資源管理主要向上層提供四種工作模式，分別為：空閑模式、專用模式、群發(fā)模式、群收模式。

　　空閑模式：沒有為任何MS分配專用信道，不存在RR連接，此時(shí)MS只能收到CCCH(公共控制信道)和BCCH(廣播控制信道)信道的廣播消息。MS分析接收到的尋呼消息和廣播消息，選擇駐留在信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的小區(qū)上，MS對(duì)應(yīng)于待機(jī)狀態(tài)。

　　專用模式：為MS至少分配了兩個(gè)專用信道，其中只能有一個(gè)是SACCH(慢速隨路控制信道)。MS與BTS此時(shí)建立起了一個(gè)雙向的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)物理連接，用于信息的傳輸?？赏ㄟ^小區(qū)自動(dòng)重選和切換來保持RR連接。MS對(duì)應(yīng)于通話狀態(tài)或者位置更新狀態(tài)。群發(fā)模式：為語(yǔ)音組呼的MS分配兩個(gè)專用信道，這兩個(gè)信道可以同時(shí)分配給一個(gè)MS或者分配給不同的MS。MS與BTS此時(shí)建立的RR連接與專用模式類似，不過在建立過程中的信令消息有所不同，特別地指明了該模式用于群發(fā)通信。MS對(duì)應(yīng)于VGCS或者VBS中講者的狀態(tài)。

　　群收模式：沒有為MS分配與網(wǎng)絡(luò)連接的專用信道，它以無應(yīng)答的方式接收分配給小區(qū)的語(yǔ)音廣播信道或者語(yǔ)音組呼信道下行鏈路的消息。此時(shí)MS對(duì)應(yīng)于VGCS或者VBS中聆聽者的狀態(tài)。

　　3 GSM－R無線路測(cè)系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)通過監(jiān)聽，捕獲Um口中MS與BTS進(jìn)行通信的信令信息，從而獲得GSM－R網(wǎng)絡(luò)的無線質(zhì)量參數(shù)，結(jié)合GSM－R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化知識(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行加工處理，通過顯示模塊的精心設(shè)計(jì)，向用戶直觀、清晰地呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量狀況，并在最后給出了GSM－R網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量狀況的性能報(bào)表。

　　3．1 路測(cè)環(huán)境

　　網(wǎng)絡(luò)環(huán)境：衛(wèi)星，GSM／GSM－R網(wǎng)絡(luò)；測(cè)試儀器：裝有本系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)一臺(tái)，測(cè)試手機(jī)一部，GPS一臺(tái)，接口線若干。

　　3．2 系統(tǒng)采集參數(shù)

　　(1)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別參數(shù)

　　移動(dòng)國(guó)家號(hào)(MMC)、移動(dòng)網(wǎng)號(hào)(MNC)、位置區(qū)碼(LAC)、小區(qū)識(shí)別(CI)、網(wǎng)絡(luò)色碼(NCC)、基站色碼(BCC)。

　　(2)系統(tǒng)控制參數(shù)

　　公共控制信道配置、接入準(zhǔn)許保留塊數(shù)、尋呼信道復(fù)幀數(shù)、周期位置更新定時(shí)器、小區(qū)信道描述、無線鏈路超時(shí)(RLT)、鄰小區(qū)描述、允許的網(wǎng)絡(luò)色碼、最大重發(fā)次數(shù)(MR)、發(fā)送分布時(shí)隙數(shù)(TI)、小區(qū)接入禁止(CBA)、接入等級(jí)控制(AC)。

　　(3)小區(qū)選擇與重選參數(shù)

　　小區(qū)重選滯后(CRH)、控制信道最大功率電平(MT－MC)、允許接入最小接收電平(RXLEVaccessmin)、小區(qū)禁止限制(CBQ)、小區(qū)重選參數(shù)指示(PI)、小區(qū)重選偏置(CRO)、懲罰時(shí)間(PT)、臨時(shí)偏置(TO)。

　　(4)網(wǎng)絡(luò)功能參數(shù)

　　功率控制指示(PERC)、非連續(xù)發(fā)送(DTX)、呼叫重建允許(RE)、緊急呼叫允許(EC)、移動(dòng)分配索引位置(MAIO)、跳頻序列號(hào)(HSN)。

　　(5)GPS參數(shù)

　　經(jīng)度、緯度。

　　(6)性能參數(shù)

　　通話接通率、通話失敗率、信道利用率、分配失敗率、掉話率、切換成功率、切換失敗率。

　　3．3 系統(tǒng)功能

　　(1)實(shí)時(shí)跟蹤信令

　　能夠?qū)崟r(shí)地跟蹤各個(gè)邏輯控制信道信令。

BCCH：包括systeminformation1，systeminforma-tion2等；
PCH(尋呼信道)：包括pagingrequesttype1，pagin-grequest type2等；
SACCH：包括 systeminformation5，system-information6；
AGCH(接入允許信道)：包括immediateassign-ment，immediateassignmentrej ect等；
RACH(隨機(jī)接入信道)：包括channelrequest，up-linK_access。
此外，還能跟蹤層2和層3信令：包括：setup，aler-ting，disconnect等。

　　(2)掃頻測(cè)試

　　在空閑模式(idlemode)下，能夠?qū)λ蓄l率(GSM900／GSM1800／GSM-R等)進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描。動(dòng)態(tài)顯示對(duì)應(yīng)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)和基站色碼，實(shí)時(shí)跟蹤所占用ARF-CN(絕對(duì)無線頻率信道號(hào))受干擾程度?？梢詸z查相鄰小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度，檢查小區(qū)的覆蓋情況和同鄰頻干擾。

　　(3)鎖頻測(cè)試

　　在雙頻網(wǎng)絡(luò)中，測(cè)試手機(jī)會(huì)自動(dòng)選擇信號(hào)較強(qiáng)的頻道作通話網(wǎng)絡(luò)。如果碰到雙頻網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)弱接近的區(qū)域，就可能出現(xiàn)線路忙或“跳頻”(跳頻：在兩個(gè)頻道之間不斷切換)的情況。所以，用戶想讓手機(jī)接收比較穩(wěn)定，減少跳頻問題，就可以利用“鎖頻”這項(xiàng)手機(jī)操作功能，觀察移動(dòng)臺(tái)在某一固定頻點(diǎn)下的接收電平的變化。

　　(4)強(qiáng)制切換

　　強(qiáng)制切換是在專用模式下允許移動(dòng)臺(tái)在未滿足切換條件的情況下，強(qiáng)制切換到另一頻點(diǎn)的小區(qū)。利用強(qiáng)制操作采集MS接收到的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量狀況，其強(qiáng)制區(qū)域主要是各小區(qū)鄰接處，用于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)小區(qū)規(guī)劃的合理性、正確性，某些小區(qū)的實(shí)際覆蓋區(qū)域是否超過了規(guī)劃區(qū)域，同時(shí)還可以通過切換信令、分析掉話原因。

　　(5)GSM／GSM-R基站開通測(cè)試

　　網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃實(shí)施后，常常要測(cè)試基站信號(hào)覆蓋范圍，查找盲區(qū)。本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集目前所在小區(qū)以及相鄰小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度變化。本系統(tǒng)支持GPS定位系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)打印目前所在的位置，結(jié)合DT(車測(cè))網(wǎng)絡(luò)測(cè)試方法，能夠得到車所經(jīng)過的路線上任何一個(gè)采集點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度、基站識(shí)別碼、絕對(duì)頻點(diǎn)、信號(hào)強(qiáng)度。

　　(6)根據(jù)信令分析查找各種網(wǎng)絡(luò)問題

　　因?yàn)楸鞠到y(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及無線信令，應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化可以使網(wǎng)絡(luò)資源獲得最佳效益。信令包括：尋呼、鑒權(quán)、加密、分配信道、切換、測(cè)量報(bào)告、位置更新，能清晰顯示出通話的起呼、切換、位置更新、結(jié)束通話和掉話等各部分的信令流程。將現(xiàn)場(chǎng)采集到的信令與GSM-R各類業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)信令流程作對(duì)比，能夠定位到如掉話、TCH(業(yè)務(wù)信道)擁塞、SDCCH(獨(dú)立專用控制信道)擁塞等網(wǎng)絡(luò)故障。

　　(7)雙手機(jī)大話務(wù)量呼叫與統(tǒng)計(jì)

　　網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中，常利用大話務(wù)量測(cè)試來得到呼叫接通率、掉話率、呼叫失敗率、切換成功率等性能參數(shù)，來了解網(wǎng)絡(luò)的健壯性與可行性。本系統(tǒng)支持雙手機(jī)互呼測(cè)試，通過自動(dòng)撥號(hào)功能，設(shè)定呼叫數(shù)量、持續(xù)時(shí)間、被叫號(hào)碼等參數(shù)，呼叫完畢后能夠提供回放以及通話統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

　　(8)測(cè)試GSM-R特有業(yè)務(wù)

　　GSM-R特有的業(yè)務(wù)包括VGCS，VBS等。普通的GSM路測(cè)系統(tǒng)在GSM-R網(wǎng)絡(luò)不適用。本系統(tǒng)能夠?qū)SM-R特有業(yè)務(wù)進(jìn)行參數(shù)采集、信令捕捉。

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　在總結(jié)分析GSM-R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)模型、無線接口協(xié)議等這些理論的基礎(chǔ)上，討論了無線路測(cè)的目的以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作的意義，并給出了一種適用于新一代鐵路無線通信系統(tǒng)——GSM／GSM-R網(wǎng)絡(luò)的無線路測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)為GSM／GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作者提供了有效的工具。