基于鐵路專(zhuān)用通信GSM-R的無(wú)線(xiàn)路測系統的研究與實(shí)現

　　0 引 言

　　GSM－R是基于GSM技術(shù)的一種專(zhuān)用通信系統——鐵路綜合數字移動(dòng)通信系統。與傳統的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(chē)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。當前，GSM－R技術(shù)成為國際國內鐵路通信發(fā)展的焦點(diǎn)，我國在GSM－R技術(shù)上也有了一定的進(jìn)展。2004年開(kāi)始在青藏鐵路、大秦線(xiàn)電氣化改造和京護高速鐵路的建設中進(jìn)行GSM－R鐵路專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò )的規劃、建設和試運營(yíng)。與此同時(shí)，由于目前國內的GSM－R路測系統十分稀少，對GSM－R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化也開(kāi)始成為GSM－R移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )建設中的一個(gè)當務(wù)之急。為了真正了解GSM－R網(wǎng)絡(luò )，調測 GSM－R網(wǎng)絡(luò )，優(yōu)化GSM－R網(wǎng)絡(luò )，本文提出并設計出了一種既適用于GSM網(wǎng)絡(luò )又適用于GSM－R網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)路測系統。一方面，在GSM－R網(wǎng)絡(luò )建設的初期，通過(guò)本系統的輔助能夠合理地進(jìn)行頻率分配、小區參數的調整：另一方面，可以?xún)?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 )結構與功能

　　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)現的功能的集合就是GSM－R網(wǎng)絡(luò )提供給用戶(hù)的基本業(yè)務(wù)與補充業(yè)務(wù)。GSM－R移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )結構基于GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )，主要由基站子系統(BSS)、網(wǎng)絡(luò )子系統(NSS)、操作與維護子系統(OSS)三部分組成，其基本結構如圖1所示。

　　BSS主要由基站控制器(BSC)、基站收發(fā)信臺(BTS)組成。通過(guò)無(wú)線(xiàn)接口(Um)與移動(dòng)臺(MS)相連，A接口與NSS相連。BTS是網(wǎng)絡(luò )固定部分與無(wú)線(xiàn)部分之間進(jìn)行通信的中繼，MS通過(guò)空中接口與BTS進(jìn)行連接，是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)接入部分，是終端用戶(hù)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域內的無(wú)線(xiàn)電資源管理與移動(dòng)性管理的功能，以及提供無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )的運營(yíng)與維護功能。BSS還有可能存在編碼速率適配單元(TRAU)，實(shí)現編碼速率轉換。

　　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(fǎng)位置寄存器(VLR)、鑒權中心(AUC)、設備識別寄存器(EIR)，組呼寄存器(GCR)。NSS主要負責端到端的呼叫、用戶(hù)數據管理、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區內漫游移動(dòng)用戶(hù)信息的動(dòng)態(tài)數據庫。HLR存儲的是在網(wǎng)絡(luò )中永久注冊的移動(dòng)用戶(hù)的靜態(tài)信息，如用戶(hù)信息、承載和定制的用戶(hù)信息等。AUC完成對用戶(hù)的鑒權及為移動(dòng)臺與網(wǎng)絡(luò )之間的無(wú)線(xiàn)通信進(jìn)行加密。EIR用來(lái)存儲IMEI(國際移動(dòng)設備識別符)。作為GSM－R網(wǎng)絡(luò )的特有組件GCR，用于存儲移動(dòng)用戶(hù)的組ID、移動(dòng)臺發(fā)起語(yǔ)音組呼(VGCS)和語(yǔ)音廣播 (VBS)參考的小區信息及發(fā)起呼叫的MSC是否負責處理呼叫的指示。

　　OSS可分為對應BSS的操作與維護中心OMC－R及對應NSS的操作與維護中心OMC－S。OSS是操作人員與系統設備之間的中介，它實(shí)現了系統的集中操作與維護。完成了包括移動(dòng)用戶(hù)管理、移動(dòng)設備管理及網(wǎng)絡(luò )操作維護等功能。它的一側與設備相連，另一側是作為人機接口的計算機工作站。這些專(zhuān)門(mén)用于操作維護的設備被稱(chēng)為操作維護中心OMC。系統的每個(gè)組成部分都可以通過(guò)特有的網(wǎng)絡(luò )連接至OMC，從而實(shí)現集中維護。

　　1．2 業(yè)務(wù)模型

　　GSM－R是專(zhuān)門(mén)為鐵路通信設計的綜合專(zhuān)用數字移動(dòng)通信系統，它基于GSM的基礎設施及其提供的高級語(yǔ)音呼叫業(yè)務(wù)，其中包括增強多優(yōu)先級與強拆(eM- LPP)、VGCS和VBS，并提供鐵路特有的調度業(yè)務(wù)，包括：功能尋址、功能號表示、接入矩陣和基于位置的尋址．并以此作為信息化平臺，使鐵路部分可以在此信息平臺上開(kāi)發(fā)各種應用。GSM-R的業(yè)務(wù)模型如圖2所示。

　　2 無(wú)線(xiàn)接口協(xié)議

　　無(wú)線(xiàn)接口(Um)是MS與BTS之間的通信接口，又稱(chēng)為空中接口(airinteRFace)，用于移動(dòng)臺與GSM-R系統固定部分之間的通信，其物理連接通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路實(shí)現。此接口傳遞的信息包括無(wú)線(xiàn)資源管理、移動(dòng)性管理和接續管理等。

　　2．1 協(xié)議分層(三層)

　　空中接口對應于OSI(開(kāi)放系統互連)模型的低三層，分為物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò )層。與OSI的分層模型不是嚴格對應。

　　物理層(PHL)：支持TDMA幀、FDMA和邏輯信道復用。提供無(wú)線(xiàn)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，負責數據或數據分組的收發(fā)。

　　鏈路層：包括介質(zhì)接入控制層MAC和數據鏈路控制層(DLC)。前者通過(guò)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?？煽康臄祿溌?。為內部控制信令和有限數量的用戶(hù)信息提供非?？煽康膫鬏旀溌?。

　　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(wú)線(xiàn)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(wú)連接的消息業(yè)務(wù)等各種功能。

　　2．2 無(wú)線(xiàn)資源工作模式

　　無(wú)線(xiàn)資源管理的目的是建立、保持、并釋放網(wǎng)絡(luò )與移動(dòng)臺間點(diǎn)對點(diǎn)通話(huà)的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(zhuān)用模式、群發(fā)模式、群收模式。

　　空閑模式：沒(méi)有為任何MS分配專(zhuān)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，選擇駐留在信號強度最強的小區上，MS對應于待機狀態(tài)。

　　專(zhuān)用模式：為MS至少分配了兩個(gè)專(zhuān)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)對點(diǎn)物理連接，用于信息的傳輸?？赏ㄟ^(guò)小區自動(dòng)重選和切換來(lái)保持RR連接。MS對應于通話(huà)狀態(tài)或者位置更新?tīng)顟B(tài)。群發(fā)模式：為語(yǔ)音組呼的MS分配兩個(gè)專(zhuān)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(zhuān)用模式類(lèi)似，不過(guò)在建立過(guò)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對應于VGCS或者VBS中講者的狀態(tài)。

　　群收模式：沒(méi)有為MS分配與網(wǎng)絡(luò )連接的專(zhuān)用信道，它以無(wú)應答的方式接收分配給小區的語(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對應于VGCS或者VBS中聆聽(tīng)者的狀態(tài)。

　　3 GSM－R無(wú)線(xiàn)路測系統

　　本系統通過(guò)監聽(tīng)，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(wú)線(xiàn)質(zhì)量參數，結合GSM－R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化知識對參數進(jìn)行加工處理，通過(guò)顯示模塊的精心設計，向用戶(hù)直觀(guān)、清晰地呈現網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量狀況，并在最后給出了GSM－R網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量狀況的性能報表。

　　3．1 路測環(huán)境

　　網(wǎng)絡(luò )環(huán)境：衛星，GSM／GSM－R網(wǎng)絡(luò )；測試儀器：裝有本系統的計算機一臺，測試手機一部，GPS一臺，接口線(xiàn)若干。

　　3．2 系統采集參數

　　(1)網(wǎng)絡(luò )識別參數

　　移動(dòng)國家號(MMC)、移動(dòng)網(wǎng)號(MNC)、位置區碼(LAC)、小區識別(CI)、網(wǎng)絡(luò )色碼(NCC)、基站色碼(BCC)。

　　(2)系統控制參數

　　公共控制信道配置、接入準許保留塊數、尋呼信道復幀數、周期位置更新定時(shí)器、小區信道描述、無(wú)線(xiàn)鏈路超時(shí)(RLT)、鄰小區描述、允許的網(wǎng)絡(luò )色碼、最大重發(fā)次數(MR)、發(fā)送分布時(shí)隙數(TI)、小區接入禁止(CBA)、接入等級控制(AC)。

　　(3)小區選擇與重選參數

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

　　(4)網(wǎng)絡(luò )功能參數

　　功率控制指示(PERC)、非連續發(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(HSN)。

　　(5)GPS參數

　　經(jīng)度、緯度。

　　(6)性能參數

　　通話(huà)接通率、通話(huà)失敗率、信道利用率、分配失敗率、掉話(huà)率、切換成功率、切換失敗率。

　　3．3 系統功能

　　(1)實(shí)時(shí)跟蹤信令

　　能夠實(shí)時(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)掃頻測試

　　在空閑模式(idlemode)下，能夠對所有頻率(GSM900／GSM1800／GSM-R等)進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描。動(dòng)態(tài)顯示對應的信號場(chǎng)強和基站色碼，實(shí)時(shí)跟蹤所占用ARF-CN(絕對無(wú)線(xiàn)頻率信道號)受干擾程度?？梢詸z查相鄰小區的信號強度，檢查小區的覆蓋情況和同鄰頻干擾。

　　(3)鎖頻測試

　　在雙頻網(wǎng)絡(luò )中，測試手機會(huì )自動(dòng)選擇信號較強的頻道作通話(huà)網(wǎng)絡(luò )。如果碰到雙頻網(wǎng)絡(luò )信號強弱接近的區域，就可能出現線(xiàn)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(hù)想讓手機接收比較穩定，減少跳頻問(wèn)題，就可以利用“鎖頻”這項手機操作功能，觀(guān)察移動(dòng)臺在某一固定頻點(diǎn)下的接收電平的變化。

　　(4)強制切換

　　強制切換是在專(zhuān)用模式下允許移動(dòng)臺在未滿(mǎn)足切換條件的情況下，強制切換到另一頻點(diǎn)的小區。利用強制操作采集MS接收到的網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量狀況，其強制區域主要是各小區鄰接處，用于發(fā)現網(wǎng)絡(luò )小區規劃的合理性、正確性，某些小區的實(shí)際覆蓋區域是否超過(guò)了規劃區域，同時(shí)還可以通過(guò)切換信令、分析掉話(huà)原因。

　　(5)GSM／GSM-R基站開(kāi)通測試

　　網(wǎng)絡(luò )規劃實(shí)施后，常常要測試基站信號覆蓋范圍，查找盲區。本系統能夠實(shí)時(shí)采集目前所在小區以及相鄰小區的信號強度變化。本系統支持GPS定位系統，能夠實(shí)時(shí)打印目前所在的位置，結合DT(車(chē)測)網(wǎng)絡(luò )測試方法，能夠得到車(chē)所經(jīng)過(guò)的路線(xiàn)上任何一個(gè)采集點(diǎn)的信號強度、基站識別碼、絕對頻點(diǎn)、信號強度。

　　(6)根據信令分析查找各種網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題

　　因為本系統能夠實(shí)時(shí)采集網(wǎng)絡(luò )參數以及無(wú)線(xiàn)信令，應用于網(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、加密、分配信道、切換、測量報告、位置更新，能清晰顯示出通話(huà)的起呼、切換、位置更新、結束通話(huà)和掉話(huà)等各部分的信令流程。將現場(chǎng)采集到的信令與GSM-R各類(lèi)業(yè)務(wù)的標準信令流程作對比，能夠定位到如掉話(huà)、TCH(業(yè)務(wù)信道)擁塞、SDCCH(獨立專(zhuān)用控制信道)擁塞等網(wǎng)絡(luò )故障。

　　(7)雙手機大話(huà)務(wù)量呼叫與統計

　　網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化過(guò)程中，常利用大話(huà)務(wù)量測試來(lái)得到呼叫接通率、掉話(huà)率、呼叫失敗率、切換成功率等性能參數，來(lái)了解網(wǎng)絡(luò )的健壯性與可行性。本系統支持雙手機互呼測試，通過(guò)自動(dòng)撥號功能，設定呼叫數量、持續時(shí)間、被叫號碼等參數，呼叫完畢后能夠提供回放以及通話(huà)統計結果。

　　(8)測試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路測系統在GSM-R網(wǎng)絡(luò )不適用。本系統能夠對GSM-R特有業(yè)務(wù)進(jìn)行參數采集、信令捕捉。

　　4 結 語(yǔ)

　　在總結分析GSM-R網(wǎng)絡(luò )結構、業(yè)務(wù)模型、無(wú)線(xiàn)接口協(xié)議等這些理論的基礎上，討論了無(wú)線(xiàn)路測的目的以及對網(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(wú)線(xiàn)通信系統——GSM／GSM-R網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)路測系統。該系統為GSM／GSM-R網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化工作者提供了有效的工具。