么 亮

1 北京交通大學(xué)；2 北京鐵路通信技術(shù)中心

鐵路專用移動通信網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究

么 亮1.2

1 北京交通大學(xué)；2 北京鐵路通信技術(shù)中心

本文介紹了利用鐵路專用移動通信網(wǎng)承載鐵路機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、通信原理、技術(shù)特點。并對承載機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)進行了網(wǎng)絡(luò)功能分析，提出了具體網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shè)的發(fā)展，信息技術(shù)將廣泛應(yīng)用于鐵路生產(chǎn)經(jīng)營的各項活動中，基于GSM技術(shù)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(shè)的一個基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)，為推動鐵路信息化建設(shè)的發(fā)展起到了關(guān)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(shè)計的綜合專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)，可以在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中承載適合于鐵路應(yīng)用的各種通信業(yè)務(wù)，為鐵路的安全生產(chǎn)，高效運輸提供了通信保障。本文以GSM-R網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，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(shù)應(yīng)用，以及此系統(tǒng)在GSM-R網(wǎng)絡(luò)維護中的幾點注意事項。

1.鐵路數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點

鐵路專業(yè)移動通信網(wǎng)絡(luò)，為滿足列車高速行駛的無線通信需求而建設(shè)，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(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)的分組無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（GPRS）是在網(wǎng)絡(luò)中增加服務(wù)GPRS支持節(jié)點（SGSN）和網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點（GGSN），來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸功能，SGSN主要負責(zé)GPRS用戶移動性管理、用戶接入、分組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。GGSN主要負責(zé)將用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到其他數(shù)據(jù)網(wǎng)上，實現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。在網(wǎng)絡(luò)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(jīng)通過撥號驗證的用戶，可以實現(xiàn)“永遠在線”。

鐵路數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)采用二級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)立移動業(yè)務(wù)大區(qū)匯接中心（TMSC）和本地業(yè)務(wù)端局（MSC），匯接中心和本地業(yè)務(wù)端局、小區(qū)基站（BTS）之間使用SDH光線環(huán)網(wǎng)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(wù)可以在故障點進行環(huán)回，并且GSM-R基站采用環(huán)型組網(wǎng)，兩種環(huán)形組網(wǎng)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(yīng)用的需求。BSS（基站子系統(tǒng)）到SGSN之間的數(shù)據(jù)采用幀中繼方式傳輸。幀中繼位于OSI（開放式系統(tǒng)互聯(lián)）模型的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層。幀中繼使用邏輯接連傳送數(shù)據(jù)信息，并通過在一個物理連接上配置多個邏輯連接來實現(xiàn)帶寬的復(fù)用和動態(tài)分配，使網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟僮鬟^程大大簡化，提高了網(wǎng)絡(luò)信息處理效率，大大節(jié)省了交換機開銷，曾加網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低了傳輸時延。

綜合上述GSM-R網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點，非常適用于鐵路業(yè)務(wù)的應(yīng)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(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(shè)備（遠程監(jiān)測客戶端、遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)器）兩大部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機車上的車載終端采集機車信號設(shè)備的輸出信息、工作狀態(tài)、實時數(shù)據(jù)、軌道電路信號以及機車安全信息綜合監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)的GPRS無線通道傳入到GPRS核心網(wǎng)，SGSN（服務(wù)GPRS支持節(jié)點）完成分組數(shù)據(jù)的交換，GGSN（網(wǎng)關(guān)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(shù)據(jù)服務(wù)器相連，服務(wù)器通過有線網(wǎng)絡(luò)（采用TCP/IP協(xié)議）可以和多個客戶端相連，構(gòu)成車地之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，從而把機車信號的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到遠程監(jiān)測客戶端，由此設(shè)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(zhuǎn)狀態(tài)，并進行與車載終端的交互，設(shè)置車載終端的相關(guān)參數(shù)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(jié)構(gòu)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(wù)端實時發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)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(wù)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(shè)備服務(wù)器處于偵聽狀態(tài)；地面設(shè)備服務(wù)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(shè)備服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

連接拆除業(yè)務(wù)

車載和地面設(shè)備通過心跳線確定機車是否在冊。

斷鏈后的再連接業(yè)務(wù)

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(shù)據(jù)緩存功能和斷線后快速恢復(fù)鏈接功能，有效地防止傳輸鏈路中斷而帶來的數(shù)據(jù)丟失，較好地保證數(shù)據(jù)的完整性。

綜上所述，該系統(tǒng)采用客戶/服務(wù)器（C/S）架構(gòu)，通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)傳輸機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對機車信號設(shè)備狀態(tài)的遠程動態(tài)監(jiān)測。為地面、車載設(shè)備故障分析以及事故分析提供及時的重要依據(jù)。

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(shù)據(jù)的種類包括：

機車信號設(shè)備輸出信息、燈位、速度等級、絕緣節(jié)等；機車信號設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，主機狀態(tài)、電源狀況、信號制式、司機室溫度、譯碼設(shè)置等；TAX2型機車安全信息綜合監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，車次號、車站號、公里標(biāo)、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(shù)據(jù)瀏覽和處理：歷史數(shù)據(jù)查詢、檢索、回放、業(yè)務(wù)報表等。

設(shè)備管理：完成所有監(jiān)測設(shè)備的設(shè)備管理，包括對車載監(jiān)測設(shè)備的工作參數(shù)等進行設(shè)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(wǎng)絡(luò)功能分析

3.1 GPRS數(shù)據(jù)流量分析

GPRS分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(yīng)的對網(wǎng)絡(luò)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(zhì)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(xiàn)小區(qū)的100%和90%的GPRS覆蓋，此時數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率9.05kbit/s，要求C/I達到9dB。

CS2編碼，數(shù)據(jù)速率13.4kbit/s，要求C/I達到12dB。

假設(shè)每小區(qū)暫定1個固定GPRS業(yè)務(wù)信道、3個動態(tài)GPRS業(yè)務(wù)信道，其余為電路域業(yè)務(wù)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(wù)主要包括：調(diào)度命令的傳輸、無線車次號的傳輸、進路預(yù)告和列車停穩(wěn)信息的傳輸、列車尾部風(fēng)壓的傳輸、機車遠程動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳送，以上業(yè)務(wù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的傳輸，當(dāng)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(shù)據(jù)的傳輸，并不影響客戶端對機車信號數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸，可在核心網(wǎng)中進行GPRS的不同QOS優(yōu)先等級的設(shè)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(guān)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS服務(wù)質(zhì)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(wù)器。有線方式通過以太網(wǎng)連接服務(wù)器和客戶端，無線方式接入是在客戶端（電腦）安裝無線網(wǎng)卡，無線網(wǎng)卡用GSMR的SIM卡，這樣客戶端就可訪問信號遠程監(jiān)測服務(wù)器，進行實時的信號設(shè)備遠程監(jiān)測。當(dāng)服務(wù)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(shù)據(jù)傳輸至GPRS核心網(wǎng)即可，核心網(wǎng)再把數(shù)據(jù)通過有線方式傳至客戶端。當(dāng)服務(wù)器與客戶端通過無線方式相連時，機車信號數(shù)據(jù)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(wù)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(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全分析

假設(shè)一臺信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的車載終端每月的數(shù)據(jù)大小為40MB（320Mbit 1B（字節(jié)）=8bit），按此數(shù)據(jù)量計算，一臺車載終端每天的數(shù)據(jù)流量在10Mbit左右，設(shè)某鐵路線每天開行列車40列，則GPRS的數(shù)據(jù)流量在每天400Mbit左右,所以應(yīng)確保GPRS核心網(wǎng)的處理能力在設(shè)計或后期擴容時滿足準(zhǔn)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(wǎng)的GGSN節(jié)點要通過有線網(wǎng)絡(luò)連接遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的服務(wù)器，而服務(wù)器和客戶端又通過以太網(wǎng)相連，為避免計算機病毒通過以太網(wǎng)傳入到GPRS核心網(wǎng)，影響GSM-R網(wǎng)絡(luò)的正常運行，應(yīng)對客戶端、服務(wù)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(yīng)用現(xiàn)狀及GSM-R網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(wù)段管內(nèi)試驗6臺機車上安裝了遠程監(jiān)測車載終端，地面設(shè)備服務(wù)器安裝在太原鐵路局GSM-R網(wǎng)絡(luò)中心機房（鐵通代維護），地面設(shè)備客戶段一臺，安裝在湖東機車信號檢修所內(nèi)。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(xiàn)HX1D1008A機車在庫內(nèi)環(huán)線監(jiān)測時異常，通過該系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)是環(huán)線發(fā)碼設(shè)備故障，更換發(fā)碼設(shè)備后，故障排除，避免了由于環(huán)線發(fā)碼設(shè)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(wǎng)絡(luò)的無線資源傳輸?shù)?，按照目前GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計規(guī)劃，無線覆蓋和有線傳輸網(wǎng)絡(luò)都可以保證信號數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)時，還要傳輸機車調(diào)度命令、進路預(yù)告等和行車安全調(diào)度有關(guān)的數(shù)據(jù)信心，對GPRS信道的傳輸容量設(shè)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(shù)據(jù)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(guān)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都在上述速率段之間進行傳送，在今后的設(shè)計、維護中要對GPRS信道容量的計算、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的維護調(diào)整等方面需要進行新的探討與分析。

5.結(jié)束語

基于GSM-R的機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在使用GSM-R網(wǎng)絡(luò)的大秦線進行了功能試驗，是國內(nèi)首個利用GSMR網(wǎng)絡(luò)傳輸機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。本文從GSM-R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了機車信號遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在GSMR網(wǎng)絡(luò)中的通信原理，總結(jié)了針對此系統(tǒng)的GSM-R網(wǎng)絡(luò)的設(shè)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(wù)（GPRS）技術(shù)與應(yīng)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