■ 石波

GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括GSM-R網(wǎng)絡(luò)和GSM-R終端，可提供數(shù)據(jù)通信、話音通信和短消息等業(yè)務(wù)。為滿足鐵路運(yùn)輸需求，CTCS-3級列控系統(tǒng)（簡稱C3）采用GSM-R網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車-地控車信息的雙向無線傳輸。目前，GSM-R網(wǎng)絡(luò)采用電路交換方式承載C3業(yè)務(wù)，為C3數(shù)據(jù)分配專用信道。GSM-R網(wǎng)絡(luò)與C3接口關(guān)系見圖1[1]。

GSM-R網(wǎng)絡(luò)與C3接口包括Igsm-r和Ifix接口，其中Igsm-r是列控車載設(shè)備內(nèi)部接口，是列控車載安全通信單元與無線通信單元間的接口，Ifix是GSM-R網(wǎng)絡(luò)與RBC間的接口，GSM-R網(wǎng)絡(luò)通過MSC與RBC進(jìn)行互通，采用PRI（2 Mb/s）接口、DSS1信令方式。

1 GSM-R網(wǎng)絡(luò)對列控信息的傳輸與處理

1.1 列控?zé)o線消息數(shù)據(jù)包格式轉(zhuǎn)換

C3定義了列車注冊與啟動(dòng)、注銷、級間轉(zhuǎn)換、行車許可、RBC切換、臨時(shí)限速等14個(gè)主要運(yùn)營場景[2]，地到車無線消息包括“行車許可”等15種，車到地?zé)o線消息包括“列車位置報(bào)告”、“行車許可（MA）請求”等20種[3]。這些無線消息的傳輸采用規(guī)定的通信協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸格式符合C3規(guī)范的相關(guān)技術(shù)規(guī)定。

列控消息的傳輸協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，從上至下，每一層分別在上一層數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上增加本層數(shù)據(jù)包頭、可選信息包等。列控消息的數(shù)據(jù)包長度不一樣，而傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層等數(shù)據(jù)單元的用戶數(shù)據(jù)長度固定，因此需要對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分段傳輸，即一個(gè)無線消息可能被映射到多個(gè)數(shù)據(jù)單元中，最后在鏈路層以不同幀的形式進(jìn)行傳送。反之，在接收端，接收設(shè)備將所接收的分段傳輸數(shù)據(jù)重裝入數(shù)據(jù)單元。各層數(shù)據(jù)包封裝見圖2[4]，其長度和數(shù)量見表1。

圖1 GSM-R網(wǎng)絡(luò)與C3接口關(guān)系

圖2 各層數(shù)據(jù)包封裝示意圖

1.2 GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議棧

以車向地發(fā)送數(shù)據(jù)為例，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，GSM-R網(wǎng)元對列控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行一系列的協(xié)議轉(zhuǎn)換和速率適配，協(xié)議棧見圖3。

圖3中RA是GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備中的速率適配器，其具體功能見表2[4]。

1.3 列控車載設(shè)備對列控?cái)?shù)據(jù)的處理

列控車載設(shè)備對列控?cái)?shù)據(jù)處理包括異步數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)為同步數(shù)據(jù)速率、同步數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)為無線空口速率等（見圖4）。

1.3.1 異步數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)換同步數(shù)據(jù)速率

列控車載設(shè)備通過RA0實(shí)現(xiàn)列控異步數(shù)據(jù)速率和同步數(shù)據(jù)速率間的轉(zhuǎn)換。C3采用異步通信方式發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包之間時(shí)間間隔任意（類似計(jì)算機(jī)鍵盤和主機(jī)間通信），每個(gè)字符為10 b（含起始位和停止位）。例如發(fā)送40字節(jié)的C3信息包，采用4.8 kb/s傳輸速率約需83 ms。RA0通過將異步數(shù)據(jù)填充附加的“停止比特”，使其速率等于相同的同步數(shù)據(jù)速率或者最接近的較高同步數(shù)據(jù)速率。4.8 kb/s和9.6 kb/s異步用戶速率適配對應(yīng)的同步用戶速率仍為4.8 kb/s和9.6 kb/s。

1.3.2 同步數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)換無線空口數(shù)據(jù)速率

列控車載設(shè)備通過RA1'模塊完成同步用戶數(shù)據(jù)速率與無線空中接口數(shù)據(jù)速率的轉(zhuǎn)換。

C3數(shù)據(jù)傳輸物理層采用無線空中接口，應(yīng)符合3GPP關(guān)于GSM空中接口的有關(guān)規(guī)定，可采用GSM全速率數(shù)據(jù)信道（TCH/F9.6）和半速率數(shù)據(jù)信道（TCH/F4.8）2種信道類型，C3數(shù)據(jù)的無線發(fā)送需要經(jīng)過分組編碼、卷積編碼和交織等過程[5]。

（1）全速率數(shù)據(jù)信道（TCH/F9.6）。分組編碼：無線設(shè)備（列控車載設(shè)備或BTS）每5 ms將一個(gè)60 b的數(shù)據(jù)塊（其中業(yè)務(wù)速率為48 b）送入編碼器；每4個(gè)60 b的數(shù)據(jù)塊成1組，并在尾部增加4個(gè)0000拖尾比特，形成244 b的數(shù)據(jù)流。交織編碼：采用1/2率卷積編碼將244 b數(shù)據(jù)流通過多項(xiàng)式運(yùn)算，組成244×2=488 b數(shù)據(jù)流，其中32 b不傳送。交織：將編碼后的數(shù)據(jù)打亂順序排列，避免數(shù)據(jù)連續(xù)丟失接收端無法恢復(fù)，如編碼后的數(shù)據(jù)1111222233334444和交織后的數(shù)據(jù)1234123412341234。如果傳輸過程中數(shù)據(jù)連續(xù)丟失了4位，則接收前數(shù)據(jù)為*111*222*333*444，利用編碼糾錯(cuò)可恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

交織后形成456 b數(shù)據(jù)流在空口上發(fā)送，即空口上對應(yīng)速率為456 b/20 ms=22.8 kb/s，其中業(yè)務(wù)速率192 b/20 ms＝9.6 kb/s。

表1 數(shù)據(jù)包長度和數(shù)量

圖3 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議棧

表2 速率適配器功能

圖4 列控車載設(shè)備對列控?cái)?shù)據(jù)處理示意圖

（2）半速率數(shù)據(jù)信道（TCH/F4.8）。無線設(shè)備（BTS或車載設(shè)備）每10 ms組成一個(gè)60 b的數(shù)據(jù)塊送入編碼器；將16個(gè)0比特添加到60 b信息比特中，組成76 b的數(shù)據(jù)塊；每2個(gè)76 b的數(shù)據(jù)塊成1組，組成152 b的數(shù)據(jù)流；采用1/3率卷積編碼組成152×3＝456 b數(shù)據(jù)流，并在無線空口上發(fā)送，即空口上對應(yīng)速率為456/20 ms=22.8 kb/s，其中業(yè)務(wù)速率96 b/20 ms＝4.8 kb/s。

綜上所述，不同信道類型下的C3數(shù)據(jù)處理方式不同。4.8 kb/s和9.6 kb/s 數(shù)據(jù)傳輸速率對比見表3。

4.8 kb/s 和9.6 kb/s信道的編碼速率（空中接口速率）相同，但采用4.8 kb/s速率信道時(shí)，業(yè)務(wù)信息量相對少，冗余比特信息多，其數(shù)據(jù)傳輸信道的可靠性相對較高，國內(nèi)應(yīng)用4.8 kb/s異步透明數(shù)據(jù)傳輸為承載列控業(yè)務(wù)的首選方式[6-7]。

1.4 BSS對列控?cái)?shù)據(jù)的處理流程

GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基站子系統(tǒng)（BSS）包括基站（BTS）、基站控制器（BSC）、碼速變換器（TRAU）設(shè)備，BSS對列控?cái)?shù)據(jù)處理流程見圖5。

（1）通過RA1'/RA1模塊，實(shí)現(xiàn)無線接口數(shù)據(jù)速率和同步用戶數(shù)據(jù)速率的轉(zhuǎn)換，再從同步用戶數(shù)據(jù)速率（4.8 kb/s或9.6 kb/s）轉(zhuǎn)換為中間速率（8 kb/s或16 kb/s）。RA1'/RA1輸出的數(shù)據(jù)采用CCITT V.110協(xié)議中規(guī)定的80 b幀格式。

（2）通過RAA模塊實(shí)現(xiàn)中間速率與16 kb/s速率的轉(zhuǎn)換。BSC與TRAU間的信息采用特定的TRAU幀，速率為16 kb/s。中間速率與16 kb/s速率轉(zhuǎn)換過程中，通過RAA實(shí)現(xiàn)ITU-T80 b幀格式數(shù)據(jù)與320 b TRAU數(shù)據(jù)幀中修改的ITU-T V.110 72 b數(shù)據(jù)幀格式轉(zhuǎn)換。每個(gè)TRAU幀傳輸4個(gè)V.110幀。

（3）通過TRAU的RA2模塊實(shí)現(xiàn)中間速率和64 kb/s最終數(shù)據(jù)速率間的轉(zhuǎn)換。

在64 kb/s數(shù)據(jù)幀中為8 kb/s中間速率分配固定數(shù)據(jù)幀位置，16 kb/s中間速率數(shù)據(jù)流占數(shù)據(jù)幀中2個(gè)位置。未使用的比特均編碼為1[8]。

表3 4.8 kb/s和9.6 kb/s數(shù)據(jù)傳輸速率對比

圖5 BSS對列控?cái)?shù)據(jù)處理流程示意圖

1.5 MSC/IWF對列控?cái)?shù)據(jù)的處理

在互聯(lián)功能接口（IWF）中的數(shù)據(jù)處理以用戶速率進(jìn)行的，因此IWF負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)速率進(jìn)行調(diào)整，即64 kb/s的數(shù)據(jù)通過RA2、RA1和RA0實(shí)現(xiàn)和移動(dòng)終端（MS）、BSS中相反的適配過程。

綜上所述，以4.8 kb/s的原始列控異步透明數(shù)據(jù)為例，GSM-R網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、速率適配過程見圖6。

2 C3數(shù)據(jù)傳輸關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

（1）列控車載設(shè)備對無線鏈路監(jiān)控。C3采用T-NVCONTACT參數(shù)監(jiān)控?zé)o線鏈路狀態(tài)，同時(shí)該參數(shù)也是列控降級的一個(gè)重要表征，表示接收窗口。數(shù)值設(shè)置范圍為7～20 s，國內(nèi)推薦值為20 s。

當(dāng)參數(shù)超時(shí)，即列控車載設(shè)備在窗口時(shí)間內(nèi)未收到來自RBC的應(yīng)用層消息，C3判斷通信鏈路中斷，DMI報(bào)“無線超時(shí)制動(dòng)”，列車實(shí)施常用制動(dòng)；若列控車載設(shè)備判斷符合降級條件（速度降低到CTCS-2級列控系統(tǒng)允許的速度）且經(jīng)司機(jī)確認(rèn)后，則由C3控車方式轉(zhuǎn)為CTCS-2級控車；在此期間若收到新的無線消息，則緩解制動(dòng)繼續(xù)采用C3控車。

T-NVCONTACT數(shù)值若設(shè)置太小，將造成列車頻繁制動(dòng)，若設(shè)置太大，當(dāng)車-地間不能交互信息時(shí)，列車不采取常用制動(dòng)，運(yùn)行安全性降低。

圖6 GSM-R網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、速率適配過程示意圖

實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)致無線超時(shí)的原因有C3（列控車載設(shè)備、RBC設(shè)備）和GSM-R網(wǎng)絡(luò)等原因，可采用GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)C3運(yùn)用場景和車-地信令交互、數(shù)據(jù)發(fā)送情況，結(jié)合車載設(shè)備上報(bào)的無線測量報(bào)告等對問題進(jìn)行定位，并采取相應(yīng)的優(yōu)化措施。

（2）GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無線鏈路超時(shí)參數(shù)的設(shè)置。GSM-R網(wǎng)絡(luò)采用RLT參數(shù)（基站BTS設(shè)置）檢測無線鏈路故障。在設(shè)備通信過程中，話音或數(shù)據(jù)質(zhì)量惡化到不可接受，并且無法通過功控或切換改善時(shí)，若RLT超時(shí)，GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)則啟動(dòng)呼叫重建或強(qiáng)行拆鏈，并釋放網(wǎng)絡(luò)資源。

導(dǎo)致RLT超時(shí)的原因包括干擾、上下行通信質(zhì)量差、傳輸電路倒換故障、BTS設(shè)備故障（載頻板、接口板、天饋系統(tǒng)等）、TRAU設(shè)備故障、IWF板件等。RLT超時(shí)并不一定會(huì)導(dǎo)致C3控車降到CTCS-2級控車模式。

RLT取值范圍4～64，步長480 ms，對應(yīng)時(shí)長1.92～30.72 s。目前，國內(nèi)C3線路客運(yùn)專線GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)取值尚無統(tǒng)一規(guī)定，其數(shù)值大小將影響網(wǎng)絡(luò)的掉話率和無線資源的利用率，一般RLT數(shù)值小于T-NVCONTACT。

3 基于R4架構(gòu)的核心網(wǎng)承載C3的關(guān)鍵技術(shù)

C3業(yè)務(wù)對GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性要求高，為提高其可靠性，核心網(wǎng)移動(dòng)交換中心（MSC）應(yīng)考慮冗余備份，現(xiàn)階段可采用基于R4網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的移動(dòng)交換機(jī)（MSC）。

3.1 軟交換雙歸屬組網(wǎng)技術(shù)

基于R4網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的MSC包括移動(dòng)交換中心服務(wù)器（MSC server）和媒體網(wǎng)關(guān)（MGW），可實(shí)現(xiàn)呼叫控制和承載業(yè)務(wù)相分離。MSC server 與MGW間采用H.248協(xié)議，基于IP進(jìn)行承載，因此與R99架構(gòu)MSC有本質(zhì)區(qū)別，組網(wǎng)也有所不同。

（1）GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可采用雙歸屬方案對MSC server進(jìn)行備份，采用1+1主備方式、N+1主備方式、1+1互備方式等。綜合考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備利用率較低、可靠性、維護(hù)管理、可實(shí)施性等因素，MSC server可采用1+1主備工作方式，當(dāng)主備MSC server故障，備用MSC server自動(dòng)接替主備MSC server處理業(yè)務(wù)，所需時(shí)間一般小于10 min（實(shí)際工程測試約為3 min）。

（2）GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可采用負(fù)荷分擔(dān)方式對MGW進(jìn)行備份。BSC任意同時(shí)連接至2個(gè)MGW，采用雙歸屬方式接入MSC。C3的無線閉塞中心（RBC）與MSC互連中繼電路應(yīng)冗余配置，并分別連接至主備MGW。工程中的MGW中繼容量按一個(gè)MGW故障時(shí)另一個(gè)接管全部業(yè)務(wù)配置。

當(dāng)主用MSC server故障時(shí)，2個(gè)MGW重新注冊到備用MSC server，當(dāng)前承載的業(yè)務(wù)不受影響。由于MSC server故障，不能處理信令信息，主備MSC server倒換時(shí)間（3 min內(nèi)）新發(fā)起的業(yè)務(wù)不能成功建立。

當(dāng)一個(gè)MGW故障時(shí)，其當(dāng)前承載的業(yè)務(wù)中斷，新發(fā)起的業(yè)務(wù)全部轉(zhuǎn)由另一個(gè)MGW承載，因此不受影響。

（3）MSC可通過MGW或MSC server對外（MSC、HLR、SCP、SMSC等設(shè)備）提供信令鏈路。目前，工程上采用通過MGW對外提供信令鏈路，需要MSC內(nèi)部對信令協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可提高可靠性，避免了主備MSC server至HLR設(shè)備間傳輸通道故障情況下不能提供業(yè)務(wù)處理。

3.2 承載資源利用優(yōu)化技術(shù)

R4網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，呼叫建立和切換模型均有一定變化，可能會(huì)影響到C3業(yè)務(wù)的QoS指標(biāo)。因此，需采用承載資源優(yōu)化技術(shù)，保證QoS指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（1）局內(nèi)呼叫。當(dāng)用戶發(fā)起呼叫（如列控車載設(shè)備），MSC server可以知道主叫位置并確定主叫所在的MGW，并根據(jù)被叫的位置優(yōu)先選擇主、被叫共用的MGW提供業(yè)務(wù)。

（2）出局呼叫。MSC server根據(jù)出局號碼的路由分析得到出局中繼電路群，并選定出局的MGW，然后根據(jù)主叫用戶的BSC局向優(yōu)選已選定出局的MGW提供業(yè)務(wù)。

（3）入局呼叫。主叫的MGW選擇由入局中繼確定，MSC server根據(jù)主叫MGW索引和被叫用戶的位置優(yōu)選與主叫相同的MGW提供業(yè)務(wù)。

（4）越區(qū)切換。MSC server根據(jù)切換的BSC或切換后的局向，優(yōu)先選擇連接切換后主、被叫共用的MGW，不必啟用其他MGW重新分配信道或?qū)⑿诺狼袚Q至另外一個(gè)MGW進(jìn)行話務(wù)轉(zhuǎn)接。

綜上報(bào)述，承載資源利用優(yōu)化技術(shù)節(jié)省了MGW之間中繼資源，優(yōu)化了路由，減少呼叫建立時(shí)間和切換造成的傳輸干擾時(shí)間等，滿足C3業(yè)務(wù)使用要求。

3.3 切換流程優(yōu)化技術(shù)

為滿足C3業(yè)務(wù)使用要求，工程聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間采用測試系統(tǒng)（分別模擬車載列控設(shè)備、RBC）測試各項(xiàng)性能指標(biāo)，利用傳輸干擾時(shí)間檢測應(yīng)用層數(shù)據(jù)丟失情況。列控車載設(shè)備越區(qū)切換時(shí)造成車-地?cái)?shù)據(jù)傳輸中斷，通常傳輸干擾時(shí)間要比切換中斷時(shí)間長一些。越區(qū)切換時(shí)，跨BSC切換比BSC內(nèi)切換傳輸干擾時(shí)間要長，原因是BSC內(nèi)切換需重新分配空口無線信道（切換命令下達(dá)前實(shí)施預(yù)先分配），而跨BSC切換時(shí)需重新分配A口、空口無線信道，按公網(wǎng)切換實(shí)現(xiàn)流程，R4網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的核心網(wǎng)MSC設(shè)備既可支持2G網(wǎng)絡(luò)也支持3G網(wǎng)絡(luò)，2種網(wǎng)絡(luò)編碼方式不同。在跨BSC切換和MSC切換時(shí)，IWF一般需要與終端設(shè)備重新建鏈和同步等過程，可能會(huì)清除RA緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中傳輸干擾時(shí)間加長，無法滿足C3業(yè)務(wù)要求。因此，在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)鐵路特點(diǎn)，啟用2G到2G的切換流程，并盡量對切換流程進(jìn)行優(yōu)化，縮短信道切換時(shí)間，減少傳輸干擾時(shí)間，滿足C3業(yè)務(wù)要求。

4 結(jié)束語

綜上所述，GSM-R網(wǎng)絡(luò)承載C3數(shù)據(jù)傳輸需要經(jīng)過速率適配、無線信道編碼等過程，應(yīng)用中根據(jù)實(shí)際情況確定適當(dāng)?shù)膫鬏斔俾屎驮O(shè)置參數(shù)。為了滿足C3可靠性要求，可采用基于R4網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的MSC，通過優(yōu)化組網(wǎng)和路由方式，滿足C3 對GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QoS）指標(biāo)要求。

[1] 科技運(yùn)［2008］128號 CTCS-3級列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范[S]

[2] 張曙光. CTCS-3級列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案[M]. 北京：中國鐵道出版社，2008

[3] 科技運(yùn)［2008］127號 CTCS-3級列控系統(tǒng)需求規(guī)范（SRS）（V1.0）[S]

[4] 3rd Generation Partnership Project. 3GPP TS 04.21 V8.3.0 Rate adaption on the Mobile Station-Base Station System （MS-BSS） Interface：chapter 6-8

[5] YD/T 855.22—1996 900MHz TDMA數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)無線接口物理層規(guī)范[S]

[6] 中國鐵路GSM-R對外標(biāo)準(zhǔn)組. 中國鐵路對外標(biāo)準(zhǔn)工作信息簡報(bào)（總第35期），2001(9)

[7] 科技運(yùn)［2008］128號 CTCS-3級列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范[S]

[8] 3rd Generation Partnership Project. 3GPP TS 08.60 V8.2.1 Inband control of remote transcoders and rate adaptors for Enhanced Full Rate (EFR) and full rate traffic channels: chapter 3