鐵路專用移動通信網應用技術研究

么 亮

1 北京交通大學；2 北京鐵路通信技術中心

鐵路專用移動通信網應用技術研究

么 亮1.2

1 北京交通大學；2 北京鐵路通信技術中心

本文介紹了利用鐵路專用移動通信網承載鐵路機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的組網結構、通信原理、技術特點。并對承載機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的GPRS網絡進行了網絡功能分析，提出了具體網絡設置、維護方面的建議。

GSM-R；GPRS；機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；功能分析

隨著鐵路信息化建設的發(fā)展，信息技術將廣泛應用于鐵路生產經營的各項活動中，基于GSM技術的鐵路專用移動通信系統(tǒng)（以下簡稱GSM-R）作為鐵路信息化建設的一個基礎通信網絡，為推動鐵路信息化建設的發(fā)展起到了關鍵性的作用，是我國鐵路移動通信的發(fā)展方向。GSM-R作為專門為鐵路通信系統(tǒng)設計的綜合專用數字移動通信系統(tǒng)，可以在GSM-R網絡中承載適合于鐵路應用的各種通信業(yè)務，為鐵路的安全生產，高效運輸提供了通信保障。本文以GSM-R網絡為基礎，介紹了基于GSM-R的機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的技術應用，以及此系統(tǒng)在GSM-R網絡維護中的幾點注意事項。

1.鐵路數字移動通信網絡結構特點

鐵路專業(yè)移動通信網絡，為滿足列車高速行駛的無線通信需求而建設，可作為機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的良好平臺。

鐵路數字移動通信網絡的分組無線數據業(yè)務（GPRS）是在網絡中增加服務GPRS支持節(jié)點（SGSN）和網關GPRS支持節(jié)點（GGSN），來實現無線數據傳輸功能，SGSN主要負責GPRS用戶移動性管理、用戶接入、分組數據轉發(fā)。GGSN主要負責將用戶數據轉發(fā)到其他數據網上，實現與外部網絡的互聯。在網絡中，對GPRS撥號接入過程作了優(yōu)化處理，大大縮短了撥號時間，對于已經通過撥號驗證的用戶，可以實現“永遠在線”。

鐵路數字移動通信網絡的核心網采用二級網絡結構，設立移動業(yè)務大區(qū)匯接中心（TMSC）和本地業(yè)務端局（MSC），匯接中心和本地業(yè)務端局、小區(qū)基站（BTS）之間使用SDH光線環(huán)網連接。SDH環(huán)支持自愈環(huán)回功能，即如果兩個SDH節(jié)點之間的光線被切斷，傳輸業(yè)務可以在故障點進行環(huán)回，并且GSM-R基站采用環(huán)型組網，兩種環(huán)形組網方式保證了信息傳輸不受影響，具有傳輸高可靠性，滿足鐵路應用的需求。BSS（基站子系統(tǒng)）到SGSN之間的數據采用幀中繼方式傳輸。幀中繼位于OSI（開放式系統(tǒng)互聯）模型的第二層，即數據鏈路層。幀中繼使用邏輯接連傳送數據信息，并通過在一個物理連接上配置多個邏輯連接來實現帶寬的復用和動態(tài)分配，使網絡傳輸的操作過程大大簡化，提高了網絡信息處理效率，大大節(jié)省了交換機開銷，曾加網絡吞吐量，降低了傳輸時延。

綜合上述GSM-R網絡的技術特點，非常適用于鐵路業(yè)務的應用，為機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)提供了良好的承載方式。

2.機車遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結構和工作原理

2.1 系統(tǒng)結構

基于GSM-R的機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由遠程監(jiān)測車載終端（以下簡稱車載終端）和地面設備（遠程監(jiān)測客戶端、遠程監(jiān)測數據服務器）兩大部分構成，結構如圖1所示。

機車上的車載終端采集機車信號設備的輸出信息、工作狀態(tài)、實時數據、軌道電路信號以及機車安全信息綜合監(jiān)測系統(tǒng)數據等，并將這些數據通過GSM-R網絡的GPRS無線通道傳入到GPRS核心網，SGSN（服務GPRS支持節(jié)點）完成分組數據的交換，GGSN（網關GPRS支持節(jié)點）通過有線方式（采用TCP/IP協(xié)議）與機車信號遠程監(jiān)測數據服務器相連，服務器通過有線網絡（采用TCP/IP協(xié)議）可以和多個客戶端相連，構成車地之間的數據傳輸通道，從而把機車信號的數據轉發(fā)到遠程監(jiān)測客戶端，由此設在地面上的遠程監(jiān)測客戶端可以實時觀察機車上信號機的運轉狀態(tài)，并進行與車載終端的交互，設置車載終端的相關參數以控制車載終端的工作。

圖1 基于GSM-R的機車信號動態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

圖2 基于GSM-R的機車信號動態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)工作原理圖

2.2 工作原理

車載終端使用GPRS無線鏈路向地面服務端實時發(fā)送數據，當車載終端一上電，立即發(fā)起與GPRS無線鏈路的連接，連接建立后，車載終端再發(fā)起與地面服務器的連接。

連接建立過程

車載終端上電后自動請求連接，地面設備服務器處于偵聽狀態(tài)；地面設備服務器接到連接請求后，建立連接并向車載終端回示，完成鏈路建立。車載終端處于透明通道狀態(tài)，按規(guī)則向地面設備服務器發(fā)送數據。

連接拆除業(yè)務

車載和地面設備通過心跳線確定機車是否在冊。

斷鏈后的再連接業(yè)務

鏈路因GSM-R場強未覆蓋、干擾等原理造成中斷后，自動再進行連接。車、地傳輸具有數據緩存功能和斷線后快速恢復鏈接功能，有效地防止傳輸鏈路中斷而帶來的數據丟失，較好地保證數據的完整性。

綜上所述，該系統(tǒng)采用客戶/服務器（C/S）架構，通過GSM-R網絡傳輸機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測數據，實現了對機車信號設備狀態(tài)的遠程動態(tài)監(jiān)測。為地面、車載設備故障分析以及事故分析提供及時的重要依據。

2.3 遠程監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測種類和功能

①遠程監(jiān)測數據的種類包括：

機車信號設備輸出信息、燈位、速度等級、絕緣節(jié)等；機車信號設備工作狀態(tài)數據，主機狀態(tài)、電源狀況、信號制式、司機室溫度、譯碼設置等；TAX2型機車安全信息綜合監(jiān)測系統(tǒng)數據信息，車次號、車站號、公里標、速度、機車號、信號機等。

②遠程監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測功能：

監(jiān)測界面：可以單車實時監(jiān)測、多車實時監(jiān)測、事件監(jiān)測與告警等。

數據瀏覽和處理：歷史數據查詢、檢索、回放、業(yè)務報表等。

設備管理：完成所有監(jiān)測設備的設備管理，包括對車載監(jiān)測設備的工作參數等進行設置。

表1 GPRS 的QOS等級定義規(guī)定

3.承載機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的GSM-R網絡功能分析

3.1 GPRS數據流量分析

GPRS分組數據業(yè)務信道定義了4種編碼方案，即CS1 至CS4。編碼方案越高，吞吐量越高，糾錯能力也就越弱，相應的對網絡覆蓋要求也就越高。選擇哪種編碼方案，最終還是由無線接口的質量決定。

目前普遍采用的CS1和CS2信道編碼方案，能夠滿足同頻道干擾C/I≥12 dB的要求，保證實現小區(qū)的100%和90%的GPRS覆蓋，此時數據速率為9.05kbit/s和13.4kbit/s（包括RLC塊字頭）。原因是CS1和CS2編碼方案的RLI（無線鏈路控制）塊中的1/2和1/3比特資源用于前向糾錯FEC。

CS1編碼，數據速率9.05kbit/s，要求C/I達到9dB。

CS2編碼，數據速率13.4kbit/s，要求C/I達到12dB。

假設每小區(qū)暫定1個固定GPRS業(yè)務信道、3個動態(tài)GPRS業(yè)務信道，其余為電路域業(yè)務信道。

則GPRS信道的下行傳輸速率理論值在13.4 kbit/s ×（1～4）=9.05 kbit/s.～53.6kbit/s.之間。

上行傳輸速率受移動終端的限制，只可捆綁一個上行時隙，所以上行傳輸速率在9.05kbit/s～13.4kbit/s之間。

基于GPRS功能的鐵路業(yè)務主要包括：調度命令的傳輸、無線車次號的傳輸、進路預告和列車停穩(wěn)信息的傳輸、列車尾部風壓的傳輸、機車遠程動態(tài)監(jiān)測數據的傳送，以上業(yè)務對GPRS信道的傳輸容量和速率提出了較高要求。由于機車動態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的車載終端具有數據緩存功能，在無線鏈路中斷，或傳輸資源緊張的情況下可以暫緩機車信號遠程監(jiān)測數據的傳輸，當無線鏈路重新建立時，車載終端再重新開始機車信號遠程監(jiān)測數據的傳輸，并不影響客戶端對機車信號數據的監(jiān)測?；谏鲜鲞h程監(jiān)測系統(tǒng)的傳輸特點，在實際運用中，為滿足鐵路GPRS安全數據的優(yōu)先傳輸，可在核心網中進行GPRS的不同QOS優(yōu)先等級的設置，使8W車載臺GPRS模塊的SIM卡優(yōu)先等級高于機車信號遠程監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)先等級，這樣在無線資源緊張或擁塞的情況下可以優(yōu)先傳送與列車行車安全相關的數據業(yè)務。GPRS服務質量中的優(yōu)先等級定義如下表所示。

機車信號遠程監(jiān)測系統(tǒng)的客戶監(jiān)測終端可以用有線或無線方式接入信號遠程監(jiān)測服務器。有線方式通過以太網連接服務器和客戶端，無線方式接入是在客戶端（電腦）安裝無線網卡，無線網卡用GSMR的SIM卡，這樣客戶端就可訪問信號遠程監(jiān)測服務器，進行實時的信號設備遠程監(jiān)測。當服務器與客戶端通過有線方式相連時，車載終端只需通過GPRS上行信道，把機車信號數據傳輸至GPRS核心網即可，核心網再把數據通過有線方式傳至客戶端。當服務器與客戶端通過無線方式相連時，機車信號數據還需通過GPRS下行信道才能傳送到客戶端上，加大了GPRS下行信道的傳輸負荷，所以建議服務器與客戶端通過有線方式相連，避免了GPRS下行信道資源緊張。

3.2 核心網網絡安全分析

假設一臺信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的車載終端每月的數據大小為40MB（320Mbit 1B（字節(jié)）=8bit），按此數據量計算，一臺車載終端每天的數據流量在10Mbit左右，設某鐵路線每天開行列車40列，則GPRS的數據流量在每天400Mbit左右,所以應確保GPRS核心網的處理能力在設計或后期擴容時滿足準備使用機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的鐵路的需要。

GPRS核心網的GGSN節(jié)點要通過有線網絡連接遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的服務器，而服務器和客戶端又通過以太網相連，為避免計算機病毒通過以太網傳入到GPRS核心網，影響GSM-R網絡的正常運行，應對客戶端、服務器以及GGSN采取有效的防病毒措施。

4.基于GSM-R的機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應用現狀及GSM-R網絡承載功能分析

4.1 機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應用狀況

此系統(tǒng)在大秦線目前屬于試用階段，從2007年5月開始在大同電務段管內試驗6臺機車上安裝了遠程監(jiān)測車載終端，地面設備服務器安裝在太原鐵路局GSM-R網絡中心機房（鐵通代維護），地面設備客戶段一臺，安裝在湖東機車信號檢修所內。安裝該系統(tǒng)后，使機車信號管理、維修人員，及時掌握機車沿途線路上機車信號地面發(fā)碼情況。例如：2007年10月29日10點05分，在湖東機車信號檢修工區(qū)，發(fā)現HX1D1008A機車在庫內環(huán)線監(jiān)測時異常，通過該系統(tǒng)分析，發(fā)現是環(huán)線發(fā)碼設備故障，更換發(fā)碼設備后，故障排除，避免了由于環(huán)線發(fā)碼設備故障，影響機車庫檢，延誤正常行車計劃。

4.2.GSM-R承載功能的探討

機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是基于GSM-R網絡的無線資源傳輸的，按照目前GSM-R網絡設計規(guī)劃，無線覆蓋和有線傳輸網絡都可以保證信號數據連續(xù)傳輸，不會造成傳輸中斷。但目前供GSMR可以使用的頻點是19個，在GSM-R的GPRS無線信道傳輸機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數據時，還要傳輸機車調度命令、進路預告等和行車安全調度有關的數據信心，對GPRS信道的傳輸容量設計提出了新的要求，例如目前大秦線沿線每基站配置2個頻點，按照本文第三節(jié)論述，一個頻點的數據傳輸容量：下行9.05 kbit/s～53.6kbit/s.之間。上行：9.05kbit/s～13.4kbit/s之間。兩個頻點的傳輸容量：下行：18.1 kbit/s～107.2 kbit/s，上行：18.1 kbit/s～26.8kbit/s，利用GSM-R的GPRS信道傳輸各類和行車有關的數據業(yè)務都在上述速率段之間進行傳送，在今后的設計、維護中要對GPRS信道容量的計算、網絡參數的維護調整等方面需要進行新的探討與分析。

5.結束語

基于GSM-R的機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)已經在使用GSM-R網絡的大秦線進行了功能試驗，是國內首個利用GSMR網絡傳輸機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測數據的系統(tǒng)。本文從GSM-R網絡結構出發(fā)，分析了機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在GSMR網絡中的通信原理，總結了針對此系統(tǒng)的GSM-R網絡的設置維護建議，具有參考意義。

[1][美]里吉斯著；朱洪波等 譯 .通用分組無線業(yè)務（GPRS）技術與應用[M].北京:人民郵電出版社.2004

This paper introduces the Network Structure,Communication Principle and Technical Features of the locomotive signal remote dynamic monitoring system which based on the GSM-R system,analyses the GPRS network belonging to GSMR which carries the locomotive signal remote dynamic monitoring system, and puts forward specific recommendations about network configuration、maintenance for the GRRS network.

GSM-R；GPRS；locomotive signal remote monitoring system；Functional Analysis

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.063