GSM-R/GPRS技術(shù)在鐵路通信中的應(yīng)用

韓海光 上海鐵路局上海鐵路電務(wù)實(shí)業(yè)有限公司

1 引言

1.1 GPRS系統(tǒng)現(xiàn)狀

GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)）是在現(xiàn)有的GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS通過(guò)在GSM數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中引入分組交換的功能實(shí)體，以完成用分組方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。GPRS系統(tǒng)可以看作是在原有GSM電路交換系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的業(yè)務(wù)擴(kuò)充，以滿足移動(dòng)用戶利用分組數(shù)據(jù)移動(dòng)終端接入Internet或其它分組數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)需求。

以GSM、CDMA為主的數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信和以Internet為主的分組數(shù)據(jù)通信是目前信息領(lǐng)域增長(zhǎng)最為迅猛的兩大產(chǎn)業(yè)，正呈現(xiàn)出相互融合的趨勢(shì)。GPRS可以看作是移動(dòng)通信和分組數(shù)據(jù)通信融合的第一步。移動(dòng)通信在目前的話音業(yè)務(wù)繼續(xù)保持發(fā)展的同時(shí)，對(duì)IP和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持已經(jīng)成為第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)的主要方向。GPRS包含豐富的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如：PTP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，PTM－M點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、PTM－G點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)群呼數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、IP－M廣播業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)已具備了一定的調(diào)度功能，再加上GSM－phase 2+中定義的話音廣播及話音組呼業(yè)務(wù)，GPRS也能完成一些調(diào)度功能。

1.2 GPRS系統(tǒng)特點(diǎn)

GPRS（通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)）使得用戶能夠在端到端分組傳輸模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在GPRS中定義了兩類承載業(yè)務(wù)：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（PTP）和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（PTM）。以GPRS承載業(yè)務(wù)支持的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為基礎(chǔ)，GPRS網(wǎng)絡(luò)營(yíng)運(yùn)者可以支持或提供給用戶各種電信業(yè)務(wù)。GPRS提供應(yīng)用業(yè)務(wù)的特點(diǎn)：

（1）適用不連續(xù)的非周期性（突發(fā)）數(shù)據(jù)傳送，突發(fā)出現(xiàn)的時(shí)間間隔遠(yuǎn)大于突發(fā)數(shù)據(jù)的平均傳輸時(shí)延；

（2）適用小于500字節(jié)小數(shù)據(jù)量事務(wù)處理業(yè)務(wù)，允許每分鐘出現(xiàn)幾次，可以頻繁傳送；

（3）適用幾千字節(jié)大數(shù)據(jù)量事務(wù)處理業(yè)務(wù)，允許每小時(shí)出現(xiàn)幾次，可以頻繁傳送。

上述GPRS應(yīng)用業(yè)務(wù)特點(diǎn)表明：GPRS非常適合突發(fā)數(shù)據(jù)應(yīng)用業(yè)務(wù)，能高效利用信道資源，但對(duì)大數(shù)據(jù)量應(yīng)用業(yè)務(wù)GPRS網(wǎng)絡(luò)要加以限制。主要原因是：

（1）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量較小。GPRS網(wǎng)絡(luò)時(shí)依附于原有的GSM網(wǎng)絡(luò)之上。但在目前，GSM網(wǎng)絡(luò)還主要提供電話業(yè)務(wù)，電話用戶密度高業(yè)務(wù)量大，而GPRS數(shù)據(jù)用戶密度低。在一個(gè)小區(qū)內(nèi)不可能有更多的信道用于GPRS業(yè)務(wù)。

（2）無(wú)線信道的數(shù)據(jù)速率較低。采用GPRS推薦的CS-1和CS-2信道編碼方案時(shí)，數(shù)據(jù)速率僅為9.05 kbit/s和13.4 kbit/s（包括RLC塊字頭）。雖然CS-3和CS-4編碼方案數(shù)據(jù)速率較高，為15.6 kbit/s和21.4 kbit/s（包括RLC塊字頭），但它是通過(guò)減少和取消糾錯(cuò)比特?fù)Q取數(shù)據(jù)速率的提高。因此CS-3和CS-4編碼方案要求較高的C/I值，僅適合能滿足較高的C/I值的特殊地區(qū)使用。

（3）當(dāng)GPRS業(yè)務(wù)和GSM業(yè)務(wù)共享信道，采用動(dòng)態(tài)分配信道方式時(shí)，電話有較高的優(yōu)先級(jí)?？衫萌魏我粋€(gè)信道的兩次通話間隙傳送GPRS分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如果某個(gè)信道用于GPRS業(yè)務(wù)，一個(gè)分組數(shù)據(jù)信道（PDCH）可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)GPRS MS用戶共享（即多個(gè)邏輯信道可以復(fù)用到一個(gè)物理信道），因此GPRS特別適用突發(fā)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，大大地提高了信道利用率。

2 鐵路GPRS系統(tǒng)運(yùn)用

2.1 GSM-R系統(tǒng)介紹

我國(guó)為適應(yīng)鐵路運(yùn)輸對(duì)通信業(yè)務(wù)需求量大、頻率資源緊張等實(shí)際情況，在原GSM-R系統(tǒng)上引進(jìn)了GPRS技術(shù)。

GSM-R系統(tǒng)包括移動(dòng)交換子系統(tǒng)（SSS）、移動(dòng)智能網(wǎng)（IN）子系統(tǒng)、通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（GPRS）子系統(tǒng)、無(wú)線子系統(tǒng)（BSS）、業(yè)務(wù)與運(yùn)營(yíng)支撐子系統(tǒng)（BOSS）和終端設(shè)備等六個(gè)部分。GSM-R系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GSM-R系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 GPRS相關(guān)設(shè)備介紹

GPRS是GSM-R系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（GPRS）子系統(tǒng)中有 SGSN、GGSN、RADIUS、DNS、BG、CG 等設(shè)備。無(wú)線子系統(tǒng)中PCU是無(wú)線子系統(tǒng)與通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)子系統(tǒng)間的接口單元，而GRIS、GROS是鐵路通用分組域應(yīng)用系統(tǒng)與通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)子系統(tǒng)間的集中接入單元，下面簡(jiǎn)單介紹下各設(shè)備的作用。

服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）：SGSN是GPRS骨干網(wǎng)的重要組成部份，是分組交換的核心部分，通過(guò)幀中繼和PCU相連。功能類同于GSM系統(tǒng)的MSC/VLR功能，SGSN不僅處理分組交換中的信令傳輸，同時(shí)也進(jìn)行數(shù)據(jù)包的處理和傳送。面向MS執(zhí)行移動(dòng)性管理、安全管理、接入控制和路由選擇功能。即記錄當(dāng)前活動(dòng)在該SGSN區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)數(shù)據(jù)用戶的有關(guān)信息，如位置信息，可以對(duì)當(dāng)前用戶信息進(jìn)行修改、刪除等；負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)用戶的附著和去附著、位置更新、尋呼、鑒權(quán)、加密等；負(fù)責(zé)MS和SGSN之間邏輯鏈路的建立、維護(hù)和釋放；負(fù)責(zé)路由的選擇和信息的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)；產(chǎn)生原始計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)。

網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）：GGSN內(nèi)部維護(hù)GPRS骨干網(wǎng)，外部提供GPRS網(wǎng)與鐵路相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)之間的接口，同時(shí)也可以連接多個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)如 Interact、企業(yè)網(wǎng)、X.25網(wǎng)等，是GPRS骨干網(wǎng)和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)管轄范圍內(nèi)業(yè)務(wù)用戶的路由信息，產(chǎn)生數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的原始計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)。

域名服務(wù)器（DNS）：DNS負(fù)責(zé)對(duì)APN和SGSN、GGSN等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及MS的域名進(jìn)行解析，確定各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備相應(yīng)的IP地址。

認(rèn)證服務(wù)器（RADIUS）：RADIUS負(fù)責(zé)存儲(chǔ)用戶的身份信息，并完成用戶的認(rèn)證和鑒權(quán)等功能。

分組控制單元（PCU）：PCU負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分組、信道訪問(wèn)控制功能、無(wú)線信道管理、錯(cuò)誤發(fā)送檢測(cè)和自動(dòng)重發(fā)等。

2.3 GPRS相關(guān)接口介紹

下面簡(jiǎn)單介紹下GPRS各設(shè)備間信令，GPRS信令結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GPRS信令結(jié)構(gòu)示意圖

（1）Um接口

GPRS MS與GPRS網(wǎng)絡(luò)側(cè)的接口，通過(guò)MS完成與網(wǎng)絡(luò)側(cè)的通信，完成分組數(shù)據(jù)傳送、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、無(wú)線資源管理等多方面的功能。

（2）Gb接口

Gb接口是SGSN和BSS間接口（Gb接口是SGSN和PCU之間的接口），通過(guò)該接口SGSN完成同BSS系統(tǒng)、MS之間的通信，以完成分組數(shù)據(jù)傳送、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理方面的功能。該接口是GPRS組網(wǎng)的必選接口。 在目前的GPRS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中，指定Gb接口采用幀中繼作為底層的傳輸協(xié)議，SGSN同BSS之間可以采用幀中繼網(wǎng)進(jìn)行通信，也可以采用點(diǎn)到點(diǎn)的幀中繼連接進(jìn)行通信。

（3） Gi接口

Gi接口是GPRS與外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)之間的接口。GPRS通過(guò)Gi接口和各種公眾分組網(wǎng)如Internet或ISDN網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，在Gi接口上需要進(jìn)行協(xié)議的封裝/解封裝、地址轉(zhuǎn)換（如私有網(wǎng)IP地址轉(zhuǎn)換為公有網(wǎng)IP地址）、用戶接入時(shí)的鑒權(quán)和認(rèn)證等操作。

（4）Gn接口

Gn接口是GRPS支持節(jié)點(diǎn)間接口，即同一個(gè)PLMN內(nèi)部SGSN間、SGSN和GGSN間接口，該接口采用在TCP/UDP協(xié)議之上承載GTP(GPRS隧道協(xié)議)的方式進(jìn)行通信。

（5）Gs接口

Gs接口是SGSN與MSC/VLR之間接口，Gs接口采用7號(hào)信令上承載BSSAP+協(xié)議。SGSN通過(guò)GS接口和MSC配合完成對(duì)MS的移動(dòng)性管理功能，包括聯(lián)合的Attach/Detach、聯(lián)合的路由區(qū)/位置區(qū)更新等操作。SGSN還將接收從MSC來(lái)的電路型尋呼信息，并通過(guò)PCU下發(fā)到MS。如果不提供Gs接口，則無(wú)法進(jìn)行尋呼協(xié)調(diào)，網(wǎng)絡(luò)只能工作在操作模式II或III，不利于提高系統(tǒng)接通率；如果不提供Gs接口，則無(wú)法進(jìn)行聯(lián)合位置路由取更新更新，不利于減輕系統(tǒng)信令負(fù)荷。

（6）Gr接口

Gr接口是SGSN與HLR之間接口，Gr接口采用7號(hào)信令上承載MAP+協(xié)議的方式。SGSN通過(guò)Gr接口從HLR取得關(guān)于MS的數(shù)據(jù)，HLR保存GPRS用戶數(shù)據(jù)和路由信息，當(dāng)發(fā)生SGSN間的路由區(qū)更新時(shí)，SGSN將會(huì)更新HLR中相應(yīng)的位置信息；當(dāng)HLR中數(shù)據(jù)有變動(dòng)時(shí)，也將通知SGSN，SGSN會(huì)進(jìn)行相關(guān)的處理。

3 鐵路GPRS業(yè)務(wù)應(yīng)用

GSM-R業(yè)務(wù)就是GSM提供的電信業(yè)務(wù)和鐵路特有業(yè)務(wù)相結(jié)合。GSM-R系統(tǒng)承載的業(yè)務(wù)如圖3所示。

圖3 GSM-R系統(tǒng)承載鐵路業(yè)務(wù)

鐵路GSM-R業(yè)務(wù)分為安全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、非安全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。安全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求安全、可靠的數(shù)據(jù)傳送，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性高，而非安全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求能兼顧頻繁的大容量、小容量數(shù)據(jù)傳輸，非周期間斷數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性要求不高。故GPRS上承載著GSM-R非安全數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如調(diào)度命令、進(jìn)路預(yù)告、大風(fēng)監(jiān)測(cè)、客車運(yùn)行安全監(jiān)控、移動(dòng)售票、工務(wù)軌道動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等等。

3.1 GPRS業(yè)務(wù)運(yùn)行流程

本節(jié)就針對(duì)鐵路行車系統(tǒng)有關(guān)的業(yè)務(wù)的流程進(jìn)行介紹。行車業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)連接圖如圖4所示。

圖4 行車業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)連接圖

3.2 CIR進(jìn)路預(yù)告應(yīng)用

機(jī)車在運(yùn)行期間利用GSM-R系統(tǒng)與CTC服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互。將機(jī)車類型、機(jī)車號(hào)、運(yùn)行公里標(biāo)、運(yùn)行速度、車站號(hào)、區(qū)段號(hào)（交路號(hào)）、司機(jī)號(hào)等等重要信息實(shí)時(shí)傳送到調(diào)度所，讓調(diào)度員能更精確的指揮行車。

現(xiàn)階段車地交互信息有進(jìn)路預(yù)告信息和車次號(hào)效核信息，地車交互信息有調(diào)度命令信息。下面重點(diǎn)介紹調(diào)度命令的運(yùn)用。

機(jī)車上線后CIR自動(dòng)進(jìn)行PDP激活，然后調(diào)度員利用CTC中心向相應(yīng)的機(jī)車號(hào)發(fā)送調(diào)度命令（進(jìn)路預(yù)告和調(diào)度命令流程一致），流程見(jiàn)圖5。

圖5 調(diào)度命令收發(fā)流程

（1）CTC中心向相應(yīng)的機(jī)車號(hào)發(fā)送調(diào)度命令

（2）由上海GRIS向北京DNS獲取相應(yīng)機(jī)車的IP地址。

（3）GRIS將CTC中心的調(diào)度命令利用GSM-R網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給機(jī)車CIR。

（4）CIR收到調(diào)度命令后進(jìn)行簽收，同時(shí)利用GSM-R網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行回復(fù)。

（5）GRIS受到機(jī)車CIR調(diào)度命令簽收回復(fù)后，進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給CTC。

4 展望

隨著鐵路信息化飛速發(fā)展，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)容及要求也隨之提高。一方面，無(wú)線通信要滿足列車運(yùn)行、列車安全監(jiān)控、診斷以及承載貨物等信息實(shí)時(shí)傳送的需求；另一方面，無(wú)線通信需達(dá)到鐵路路網(wǎng)移動(dòng)體（機(jī)車、車輛等）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤的要求；同時(shí)無(wú)線通信還需實(shí)現(xiàn)列車客票發(fā)售、貨運(yùn)計(jì)劃、貨車追蹤、集裝箱追蹤、旅客移動(dòng)信息服務(wù)等綜合性服務(wù)的同步傳送。GPRS技術(shù)會(huì)運(yùn)用得更為廣闊，逐步成為鐵路列車與地面間的主要通信手段。