新一代铁路专用通信系统GSM-R的无线路测系统技术
2010-12-17 16:54:08
来源：《半导体器件应用》2010年7月刊
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0 引言
GSM-R是基于GSM技术的一种专用通信系统——铁路综合数字移动通信系统。与传统的GSM技术相比，GSM-R除了能提供一系列铁路通信业务外，还能保证列车在500km/h的情况下进行高可靠性、高接通率、高传输质量的通信。当前，GSM-R技术成为国际国内铁路通信发展的焦点，我国在GSM-R技术上也有了一定的进展。2004年开始在青藏铁路、大秦线电气化改造和京沪高速铁路的建设中进行GSM-R铁路专用通信网络的规划、建设和试运营。与此同时，由于目前国内的GSM-R路测系统十分稀少，对GSM-R无线网络优化也开始成为GSM-R移动通信网络建设中的一个当务之急。为了真正了解GSM-R网络、调测 GSM-R网络、优化GSM-R网络，本文提出并设计了一种既适用于GSM网络又适用于GSM-R网络的无线路测系统。一方面，在GSM-R网络建设的初期，通过本系统的辅助能够合理地进行频率分配、小区参数的调整；另一方面，可以优化已建GSM和GSM-R网络的性能，提高通信质量。
1 GSM-R网络介绍
1.1 网络结构与功能
一个GSM-R移动通信网络由若干个功能实体组成。各个功能实体所实现功能的集合就是GSM-R网络提供给用户的基本业务与补充业务。GSM-R移动通信网络结构基于GSM移动通信网络，主要由基站子系统(BSS)、网络子系统(NSS)、操作与维护子系统(OSS)三部分组成，其基本结构如图1所示。
BSS主要由基站控制器(BSC)、基站收发信台(BTS)组成。通过无线接口(Um)与移动台(MS)相连，A接口与NSS相连。BTS是网络固定部分与无线部分之间进行通信的中继，MS通过空中接口与BTS进行连接，是移动通信网络的无线接入部分，是终端用户最直接感受网络质量的部分。一个或几个 BTS连接到一个BSC上，BSC主要提供在其覆盖区域内的无线电资源管理与移动性管理的功能，以及提供无线电网络的运营与维护功能。BSS还有可能存在编码速率适配单元(TRAU)，实现编码速率转换。
NSS一般由六个功能实体组成，分别是移动交换中心(MSC)、归属位置寄存器(HLR)、拜访位置寄存器(VLR)、鉴权中心(AUC)、设备识别寄存器(EIR)、组呼寄存器(GCR)。NSS主要负责端到端的呼叫、用户数据管理、移动性管理和固定网络的连接。其中MSC是NSS的核心，用于建立业务信道和在MSC之间或与其他网络之间交换信令消息。与MSC相连的是VLR，VLR管理在一个MSC区内漫游移动用户信息的动态数据库。HLR存储的是在网络中永久注册的移动用户的静态信息，如用户信息、承载和定制的用户信息等。AUC完成对用户的鉴权及为移动台与网络之间的无线通信进行加密。EIR用来存储IMEI（国际移动设备识别符）。作为GSM-R网络的特有组件GCR，用于存储移动用户的组ID、移动台发起语音组呼(VGCS)和语音广播 (VBS)参考的小区信息及发起呼叫的MSC是否负责处理呼叫的指示。
OSS可分为对应BSS的操作与维护中心OMC-R及对应NSS的操作与维护中心OMC-S。OSS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，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OMC。系统的每个组成部分都可以通过特有的网络连接至OMC，从而实现集中维护。
1.2 业务模型
GSM－R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GSM的基础设施及其提供的高级语音呼叫业务，其中包括增强多优先级与强拆(eM- LPP)、VGCS和VBS，并提供铁路特有的调度业务。包括：功能寻址、功能号表示、接入矩阵和基于位置的寻址。并以此作为信息化平台，使铁路部分可以在此信息平台上开发各种应用。GSM-R的业务模型如图2所示。
2 无线接口协议
无线接口(Um)是MS与BTS之间的通信接口，又称为空中接口(airinteRFace)，用于移动台与GSM-R系统固定部分之间的通信，其物理连接通过无线链路实现。此接口传递的信息包括无线资源管理、移动性管理和接续管理等。
2.1 协议分层(三层)
空中接口对应于OSI（开放系统互连）模型的低三层，分为物理层、链路层和网络层。与OSI的分层模型不是严格对应。
(1)物理层(PHL)
支持TDMA帧、FDMA和逻辑信道复用。提供无线链路的传输通道，为高层提供不同功能的逻辑信道，如业务信道与控制信道。物理层在MAC层的控制下，负责数据或数据分组的收发。
(2)链路层
包括介质接入控制层MAC和数据链路控制层(DLC)。前者通过形成多种逻辑信道为高层提供不同的业务；后者为网络层提供非常可靠的数据链路。为内部控制信令和有限数量的用户信息提供非常可靠的传输链路。
(3)网络层
主要是信令层，包括连接管理(CM)、移动性管理(MM)、无线资源管理(RM)。确定了用于链路控制、呼叫控制、附加业务、面向连接的消息业务、无连接的消息业务等各种功能。
2.2 无线资源工作模式
无线资源管理的目的是建立、保持、并释放网络与移动台间点对点通话的无线资源(RR)连接。一个RR连接是两个同等实体间的一条物理连接，用于支持上层间信息流量的变化。无线资源管理主要向上层提供四种工作模式，分别为：空闲模式、专用模式、群发模式、群收模式。
(1)空闲模式
没有为任何MS分配专用信道，不存在RR连接，此时MS只能收到CCCH（公共控制信道）和BCCH（广播控制信道）信道的广播消息。MS分析接收到的寻呼消息和广播消息，选择驻留在信号强度最强的小区上，MS对应于待机状态。
(2)专用模式
为MS至少分配了两个专用信道，其中只能有一个是SACCH（慢速随路控制信道）。MS与BTS此时建立起一个双向的点对点物理连接，用于信息的传输。可通过小区自动重选和切换来保持RR连接。MS对应于通话状态或者位置更新状态。
(3)群发模式
为语音组呼的MS分配两个专用信道，这两个信道可以同时分配给一个MS或者分配给不同的MS。MS与BTS此时建立的RR连接与专用模式类似，不过在建立过程中的信令消息有所不同，特别地指明了该模式用于群发通信。MS对应于VGCS或者VBS中讲者的状态。
(4)群收模式
没有为MS分配与网络连接的专用信道，它以无应答的方式接收分配给小区的语音广播信道或者语音组呼信道下行链路的消息。此时MS对应于VGCS或者VBS中聆听者的状态。
3 GSM-R无线路测系统
本系统通过监听，捕获Um口中MS与BTS进行通信的信令信息，从而获得GSM-R网络的无线质量参数。结合GSM-R无线网络优化知识对参数进行加工处理，通过显示模块的精心设计，向用户直观、清晰地呈现网络质量状况，并在最后给出了GSM-R网络质量状况的性能报表。
3.1 路测环境
网络环境：卫星，GSM/GSM-R网络。
测试仪器：装有本系统的计算机一台，测试手机一部，GPS一台，接口线若干。
3.2 系统采集参数
(1) 网络识别参数
移动国家号(MMC)、移动网号(MNC)、位置区码(LAC)、小区识别(CI)、网络色码(NCC)、基站色码(BCC)。
(2) 系统控制参数
公共控制信道配置、接入准许保留块数、寻呼信道复帧数、周期位置更新定时器、小区信道描述、无线链路超时(RLT)、邻小区描述、允许的网络色码、最大重发次数(MR)、发送分布时隙数(TI)、小区接入禁止(CBA)、接入等级控制(AC)。
(3) 小区选择与重选参数
小区重选滞后(CRH)、控制信道最大功率电平(MT-MC)、允许接入最小接收电平(RXLEVaccessmin)、小区禁止限制(CBQ)、小区重选参数指示(PI)、小区重选偏置(CRO)、惩罚时间(PT)、临时偏置(TO)。
(4) 网络功能参数
功率控制指示(PERC)、非连续发送(DTX)、呼叫重建允许(RE)、紧急呼叫允许(EC)、移动分配索引位置(MAIO)、跳频序列号(HSN)。
(5) GPS参数
经度、纬度。
(6) 性能参数
通话接通率、通话失败率、信道利用率、分配失败率、掉话率、切换成功率、切换失败率。
3.3 系统功能
(1) 实时跟踪信令
能够实时地跟踪各个逻辑控制信道信令。
BCCH：包括systeminformation1，systeminforma-tion2等；
PCH（寻呼信道）：包括pagingrequesttype1，pagin-grequest type2等；
SACCH：包括 systeminformation5，system-information6；
AGCH（接入允许信道）：包括immediateassign-ment，immediateassignmentrej ect等；
RACH（随机接入信道）：包括channelrequest，up-linK_access。
此外，还能跟踪层2和层3信令：包括：setup，aler-ting，disconnect等。
(2) 扫频测试
在空闲模式(idlemode)下，能够对所有频率（GSM900/GSM1800/GSM-R等）进行实时扫描。动态显示对应的信号场强和基站色码，实时跟踪所占用ARF-CN（绝对无线频率信道号）受干扰程度。可以检查相邻小区的信号强度，检查小区的覆盖情况和同邻频干扰。
(3) 锁频测试
在双频网络中，测试手机会自动选择信号较强的频道作通话网络。如果碰到双频网络信号强弱接近的区域，就可能出现线路忙或“跳频”（跳频：在两个频道之间不断切换）的情况。所以，用户想让手机接收比较稳定，减少跳频问题，就可以利用“锁频”这项手机操作功能，观察移动台在某一固定频点下的接收电平的变化。
(4)强制切换
强制切换是在专用模式下允许移动台在未满足切换条件的情况下，强制切换到另一频点的小区。利用强制操作采集MS接收到的网络质量状况，其强制区域主要是各小区邻接处，用于发现网络小区规划的合理性、正确性，某些小区的实际覆盖区域是否超过了规划区域，同时还可以
GSM-R是基于GSM技术的一种专用通信系统——铁路综合数字移动通信系统。与传统的GSM技术相比，GSM-R除了能提供一系列铁路通信业务外，还能保证列车在500km/h的情况下进行高可靠性、高接通率、高传输质量的通信。当前，GSM-R技术成为国际国内铁路通信发展的焦点，我国在GSM-R技术上也有了一定的进展。2004年开始在青藏铁路、大秦线电气化改造和京沪高速铁路的建设中进行GSM-R铁路专用通信网络的规划、建设和试运营。与此同时，由于目前国内的GSM-R路测系统十分稀少，对GSM-R无线网络优化也开始成为GSM-R移动通信网络建设中的一个当务之急。为了真正了解GSM-R网络、调测 GSM-R网络、优化GSM-R网络，本文提出并设计了一种既适用于GSM网络又适用于GSM-R网络的无线路测系统。一方面，在GSM-R网络建设的初期，通过本系统的辅助能够合理地进行频率分配、小区参数的调整；另一方面，可以优化已建GSM和GSM-R网络的性能，提高通信质量。
1 GSM-R网络介绍
1.1 网络结构与功能
一个GSM-R移动通信网络由若干个功能实体组成。各个功能实体所实现功能的集合就是GSM-R网络提供给用户的基本业务与补充业务。GSM-R移动通信网络结构基于GSM移动通信网络，主要由基站子系统(BSS)、网络子系统(NSS)、操作与维护子系统(OSS)三部分组成，其基本结构如图1所示。
BSS主要由基站控制器(BSC)、基站收发信台(BTS)组成。通过无线接口(Um)与移动台(MS)相连，A接口与NSS相连。BTS是网络固定部分与无线部分之间进行通信的中继，MS通过空中接口与BTS进行连接，是移动通信网络的无线接入部分，是终端用户最直接感受网络质量的部分。一个或几个 BTS连接到一个BSC上，BSC主要提供在其覆盖区域内的无线电资源管理与移动性管理的功能，以及提供无线电网络的运营与维护功能。BSS还有可能存在编码速率适配单元(TRAU)，实现编码速率转换。
NSS一般由六个功能实体组成，分别是移动交换中心(MSC)、归属位置寄存器(HLR)、拜访位置寄存器(VLR)、鉴权中心(AUC)、设备识别寄存器(EIR)、组呼寄存器(GCR)。NSS主要负责端到端的呼叫、用户数据管理、移动性管理和固定网络的连接。其中MSC是NSS的核心，用于建立业务信道和在MSC之间或与其他网络之间交换信令消息。与MSC相连的是VLR，VLR管理在一个MSC区内漫游移动用户信息的动态数据库。HLR存储的是在网络中永久注册的移动用户的静态信息，如用户信息、承载和定制的用户信息等。AUC完成对用户的鉴权及为移动台与网络之间的无线通信进行加密。EIR用来存储IMEI（国际移动设备识别符）。作为GSM-R网络的特有组件GCR，用于存储移动用户的组ID、移动台发起语音组呼(VGCS)和语音广播 (VBS)参考的小区信息及发起呼叫的MSC是否负责处理呼叫的指示。
OSS可分为对应BSS的操作与维护中心OMC-R及对应NSS的操作与维护中心OMC-S。OSS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，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OMC。系统的每个组成部分都可以通过特有的网络连接至OMC，从而实现集中维护。
1.2 业务模型
GSM－R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GSM的基础设施及其提供的高级语音呼叫业务，其中包括增强多优先级与强拆(eM- LPP)、VGCS和VBS，并提供铁路特有的调度业务。包括：功能寻址、功能号表示、接入矩阵和基于位置的寻址。并以此作为信息化平台，使铁路部分可以在此信息平台上开发各种应用。GSM-R的业务模型如图2所示。
2 无线接口协议
无线接口(Um)是MS与BTS之间的通信接口，又称为空中接口(airinteRFace)，用于移动台与GSM-R系统固定部分之间的通信，其物理连接通过无线链路实现。此接口传递的信息包括无线资源管理、移动性管理和接续管理等。
2.1 协议分层(三层)
空中接口对应于OSI（开放系统互连）模型的低三层，分为物理层、链路层和网络层。与OSI的分层模型不是严格对应。
(1)物理层(PHL)
支持TDMA帧、FDMA和逻辑信道复用。提供无线链路的传输通道，为高层提供不同功能的逻辑信道，如业务信道与控制信道。物理层在MAC层的控制下，负责数据或数据分组的收发。
(2)链路层
包括介质接入控制层MAC和数据链路控制层(DLC)。前者通过形成多种逻辑信道为高层提供不同的业务；后者为网络层提供非常可靠的数据链路。为内部控制信令和有限数量的用户信息提供非常可靠的传输链路。
(3)网络层
主要是信令层，包括连接管理(CM)、移动性管理(MM)、无线资源管理(RM)。确定了用于链路控制、呼叫控制、附加业务、面向连接的消息业务、无连接的消息业务等各种功能。
2.2 无线资源工作模式
无线资源管理的目的是建立、保持、并释放网络与移动台间点对点通话的无线资源(RR)连接。一个RR连接是两个同等实体间的一条物理连接，用于支持上层间信息流量的变化。无线资源管理主要向上层提供四种工作模式，分别为：空闲模式、专用模式、群发模式、群收模式。
(1)空闲模式
没有为任何MS分配专用信道，不存在RR连接，此时MS只能收到CCCH（公共控制信道）和BCCH（广播控制信道）信道的广播消息。MS分析接收到的寻呼消息和广播消息，选择驻留在信号强度最强的小区上，MS对应于待机状态。
(2)专用模式
为MS至少分配了两个专用信道，其中只能有一个是SACCH（慢速随路控制信道）。MS与BTS此时建立起一个双向的点对点物理连接，用于信息的传输。可通过小区自动重选和切换来保持RR连接。MS对应于通话状态或者位置更新状态。
(3)群发模式
为语音组呼的MS分配两个专用信道，这两个信道可以同时分配给一个MS或者分配给不同的MS。MS与BTS此时建立的RR连接与专用模式类似，不过在建立过程中的信令消息有所不同，特别地指明了该模式用于群发通信。MS对应于VGCS或者VBS中讲者的状态。
(4)群收模式
没有为MS分配与网络连接的专用信道，它以无应答的方式接收分配给小区的语音广播信道或者语音组呼信道下行链路的消息。此时MS对应于VGCS或者VBS中聆听者的状态。
3 GSM-R无线路测系统
本系统通过监听，捕获Um口中MS与BTS进行通信的信令信息，从而获得GSM-R网络的无线质量参数。结合GSM-R无线网络优化知识对参数进行加工处理，通过显示模块的精心设计，向用户直观、清晰地呈现网络质量状况，并在最后给出了GSM-R网络质量状况的性能报表。
3.1 路测环境
网络环境：卫星，GSM/GSM-R网络。
测试仪器：装有本系统的计算机一台，测试手机一部，GPS一台，接口线若干。
3.2 系统采集参数
(1) 网络识别参数
移动国家号(MMC)、移动网号(MNC)、位置区码(LAC)、小区识别(CI)、网络色码(NCC)、基站色码(BCC)。
(2) 系统控制参数
公共控制信道配置、接入准许保留块数、寻呼信道复帧数、周期位置更新定时器、小区信道描述、无线链路超时(RLT)、邻小区描述、允许的网络色码、最大重发次数(MR)、发送分布时隙数(TI)、小区接入禁止(CBA)、接入等级控制(AC)。
(3) 小区选择与重选参数
小区重选滞后(CRH)、控制信道最大功率电平(MT-MC)、允许接入最小接收电平(RXLEVaccessmin)、小区禁止限制(CBQ)、小区重选参数指示(PI)、小区重选偏置(CRO)、惩罚时间(PT)、临时偏置(TO)。
(4) 网络功能参数
功率控制指示(PERC)、非连续发送(DTX)、呼叫重建允许(RE)、紧急呼叫允许(EC)、移动分配索引位置(MAIO)、跳频序列号(HSN)。
(5) GPS参数
经度、纬度。
(6) 性能参数
通话接通率、通话失败率、信道利用率、分配失败率、掉话率、切换成功率、切换失败率。
3.3 系统功能
(1) 实时跟踪信令
能够实时地跟踪各个逻辑控制信道信令。
BCCH：包括systeminformation1，systeminforma-tion2等；
PCH（寻呼信道）：包括pagingrequesttype1，pagin-grequest type2等；
SACCH：包括 systeminformation5，system-information6；
AGCH（接入允许信道）：包括immediateassign-ment，immediateassignmentrej ect等；
RACH（随机接入信道）：包括channelrequest，up-linK_access。
此外，还能跟踪层2和层3信令：包括：setup，aler-ting，disconnect等。
(2) 扫频测试
在空闲模式(idlemode)下，能够对所有频率（GSM900/GSM1800/GSM-R等）进行实时扫描。动态显示对应的信号场强和基站色码，实时跟踪所占用ARF-CN（绝对无线频率信道号）受干扰程度。可以检查相邻小区的信号强度，检查小区的覆盖情况和同邻频干扰。
(3) 锁频测试
在双频网络中，测试手机会自动选择信号较强的频道作通话网络。如果碰到双频网络信号强弱接近的区域，就可能出现线路忙或“跳频”（跳频：在两个频道之间不断切换）的情况。所以，用户想让手机接收比较稳定，减少跳频问题，就可以利用“锁频”这项手机操作功能，观察移动台在某一固定频点下的接收电平的变化。
(4)强制切换
强制切换是在专用模式下允许移动台在未满足切换条件的情况下，强制切换到另一频点的小区。利用强制操作采集MS接收到的网络质量状况，其强制区域主要是各小区邻接处，用于发现网络小区规划的合理性、正确性，某些小区的实际覆盖区域是否超过了规划区域，同时还可以
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