高速環(huán)境下GSM－R小區(qū)廣播性能研究

鄒 引 蔣文怡 丁建文

小區(qū)廣播系統(tǒng)和應(yīng)用程序，因其占用資源少、用戶定位精準、發(fā)布速度快等獨特技術(shù)優(yōu)勢，在許多發(fā)達國家的應(yīng)急體系都有應(yīng)用。在英國倫敦地鐵爆炸事件中，官方曾使用小區(qū)廣播給事故發(fā)生地附近的居民發(fā)布避難信息；在亞洲斯里蘭卡海嘯災難發(fā)生時，小區(qū)廣播提示巨浪即將到來，并指導群眾前往救助中心。從2008年起，歐洲的主要運營商開始在通信網(wǎng)絡(luò)里部署小區(qū)廣播。日本地震和海嘯預警系統(tǒng) （ETWS）和美國商用手機預警系統(tǒng)（CWAS）均采用小區(qū)廣播發(fā)送預警。我國正在研發(fā)的高速鐵路地震監(jiān)測預警系統(tǒng)的地－車信息發(fā)送，也準備采用小區(qū)廣播短消息方式進行試驗。

隨著鐵路信息化技術(shù)的發(fā)展和對安全要求的不斷提高，需要將災害預警、列車位置等信息實時傳送給列車或線路上的作業(yè)人員。由于小區(qū)廣播業(yè)務(wù)在國內(nèi)外鐵路無線通信領(lǐng)域尚無應(yīng)用案例，因此需要對小區(qū)廣播消息推送應(yīng)用進行研究。

1 小區(qū)廣播架構(gòu)和協(xié)議

小區(qū)廣播系統(tǒng) （CBS）由小區(qū)廣播中心（CBC）和小區(qū)廣播實體 （CBE）組成。其中，CBC是分發(fā)小區(qū)廣播信息到GSM－R網(wǎng)絡(luò)的中心，負責小區(qū)廣播短消息的管理，如CBS消息的編號、對保存在基站控制器BSC內(nèi)消息的修改和刪除、發(fā)出廣播和廣播參數(shù)的標注 （小區(qū)數(shù)、開始和停止廣播時刻、重復廣播的次數(shù)、廣播信道）等；CBE負責將小區(qū)廣播系統(tǒng)格式化，包括將1條CBS消息分成多頁。小區(qū)廣播系統(tǒng)如圖1所示。其中BSC主要負責翻譯來自CBC的命令，存儲CBS消息，并轉(zhuǎn)送到指定的基站BTS，安排小區(qū)廣播控制信道CBCH，向CBC反饋CBS消息廣播功能；BTS負責傳送CBS消息，有選擇性地產(chǎn)生CBCH符合指示消息；移動臺MS負責消息頁的重組，重構(gòu)CBS消息。

圖1 小區(qū)廣播系統(tǒng)圖

短消息系統(tǒng) （SMS）的協(xié)議共分4層，包括應(yīng)用層 （SM－AL）、傳 輸 層 （SM－TL）、中 繼 層（SM－RL）和底層 （SM－LL）。SMS的分層協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SMS分層協(xié)議結(jié)構(gòu)圖

圖3 小區(qū)廣播協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)接口是指CBC與基站BSC之間的接口，傳輸層采用X．25或No．7，華為、中興等廠家采用X．25協(xié)議。圖3為小區(qū)廣播協(xié)議，應(yīng)用層小區(qū)廣播業(yè)務(wù)元素 （CBSE）直接映射到網(wǎng)絡(luò)層上。CBC支持業(yè)務(wù)包括：業(yè)務(wù)綁定請求、綁定確認、綁定失敗、綁定解除、寫入／替換請求、消息刪除請求、報告響應(yīng)、信道查詢請求、信道查詢響應(yīng)、消息狀態(tài)查詢請求、消息狀態(tài)查詢響應(yīng)、報告操作拒絕、重啟指示、重置請求、故障指示、設(shè)置不連續(xù)接收參數(shù)等。

2 小區(qū)廣播數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

一個小區(qū)只能配置1個CBCH，通過占用1個SDCCH的子時隙來實現(xiàn)。小區(qū)廣播通常占用SDCCH第2數(shù)據(jù)塊傳輸數(shù)據(jù)。

小區(qū)廣播短消息每頁傳輸88字節(jié)固定格式，每頁承載消息82字節(jié)，每次可傳輸15頁。發(fā)送頻率、起止時間、重復次數(shù)可以由CBC確定，BTS根據(jù)CBCH的負荷周期性發(fā)送。每頁有相同的消息標識符和序號，用于MS鑒別和丟棄已收到的消息。每頁分為4段，由CBC向BSC發(fā)送，可以根據(jù)需要接收相關(guān)信息。CBS消息由BTS按一定頻率和周期循環(huán)廣播。重復發(fā)送的頻率取決于它們所包含的信息，例如道路交通信息就比天氣信息重復頻率高。重復周期同樣受到高速移動、快速穿越小區(qū)的影響。對于單頁（82字節(jié)）的小區(qū)廣播消息，在空口上廣播的最小周期是1．883s，重復廣播周期是這個的倍數(shù)，可以從1～1024。移動臺在空閑模式時偵聽CCCH，可以收到該消息，專用模式時不能接收。

CBC與BSC間的消息流程包括：發(fā)送信息或替換已有消息、刪除已有消息、CBCH狀態(tài)查詢（查詢CBCH信道發(fā)送隊列容量中的數(shù)據(jù)）、消息狀態(tài)查詢 （查詢消息庫中相應(yīng)消息的狀態(tài)信息）、小區(qū)復位申請 （BSC停止向相關(guān)小區(qū)發(fā)送任何消息，并清除消息庫中和小區(qū)廣播表中的相應(yīng)信息）、DRX設(shè)置申請 （根據(jù)消息提供的參數(shù)設(shè)置下一次發(fā)送的調(diào)度消息）、發(fā)送拒絕響應(yīng) （BSC不能理解收到的消息或消息參數(shù)值非法時，向CBC上報出錯原因或簡短說明信息）。

BSC與BTS間的消息和業(yè)務(wù)功能：①BSC向BTS發(fā)送廣播消息，BSC通過1條SMS Broadcast Command消息把CBS信息發(fā)給相應(yīng)的BTS，并指明需要使用的信道；②BTS向BSC上報信道負載——BTS通過 CBCH Loading Indication消息向BSC上報CBCH信道的負載情況，并要求BSC進行相應(yīng)的流量控制。

3 小區(qū)廣播在高速環(huán)境下的應(yīng)用

防災安全監(jiān)控系統(tǒng)主要是對危及客運專線運行安全的自然災害 （風、雨、地震等）、突發(fā)事故異物侵限及非法侵入等進行監(jiān)測報警，采用GSM－R網(wǎng)絡(luò)進行防災信息傳輸。當?shù)孛嬷行氖盏椒罏南到y(tǒng)發(fā)送的災害告警信息時，通過GSM－R網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)廣播短消息業(yè)務(wù)，在災害發(fā)生地點一定范圍內(nèi)，周期性廣播告警信息。當列車運行至該范圍時，車載設(shè)備接收到告警信息，并提示司機，必要時發(fā)出聲光告警。地面中心利用小區(qū)廣播短消息業(yè)務(wù)進行下行數(shù)據(jù)傳輸。車載設(shè)備根據(jù)廣播告警信息幀內(nèi)容，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)／M－GRIS發(fā)送接收回執(zhí)。

地面子系統(tǒng)由小區(qū)廣播中心 （CBC）、MGRIS、轉(zhuǎn)發(fā)控制器、存儲單元、防災監(jiān)控網(wǎng)關(guān)、內(nèi)部數(shù)據(jù)交換單元、時間同步單元、管理服務(wù)器、操作管理終端等組成。

3．1 實驗室仿真測試系統(tǒng)

3．1．1 測試平臺

開發(fā)測試軟件，地面小區(qū)廣播服務(wù)器與GSMR數(shù)字移動通信網(wǎng)BSC進行連接，定時通過小區(qū)短消息廣播方式向指定小區(qū)進行短消息廣播。該小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的車載設(shè)備收到廣播短消息后，立即通過有線局域網(wǎng)向地面小區(qū)廣播服務(wù)器發(fā)送回執(zhí)。GSM－R小區(qū)廣播測試平臺如圖4所示。

車載設(shè)備收到廣播短消息后發(fā)送回執(zhí)的時間，減去地面服務(wù)器發(fā)送廣播短消息的時間為時延；地面服務(wù)器發(fā)送廣播短消息后30s內(nèi)未受到回執(zhí)，則判斷該條廣播短消息車載設(shè)備接收失敗；地面服務(wù)器與車載設(shè)備系統(tǒng)時間已同步。

圖4 GSM－R小區(qū)廣播測試平臺

3．1．2 測試結(jié)果

1．測試條件：速度為0時，信息單包小于82個字節(jié)，在單頁的小區(qū)廣播短消息中就可以發(fā)送完畢，小區(qū)廣播在空中接口的最小周期是1．883s。

2．實際測試的小區(qū)廣播測試時延：發(fā)送總條數(shù)1331包，最大時延28s，最小時延3s，平均時延5．694s。時延集中在4～8s。

3．丟包：成功收到車載設(shè)備回執(zhí)1284包，未收到車載設(shè)備回執(zhí)47包，成功率96．47%。

3．2 小區(qū)廣播業(yè)務(wù)現(xiàn)場試驗

3．2．1 測試內(nèi)容

試驗列車運行速度300km／h時，小區(qū)廣播服務(wù)質(zhì)量特性及GPRS／小區(qū)廣播信息用于防災信息傳送的可行性，鐵路防災監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)告警信息能夠?qū)崟r地傳送到適合的列車上，讓司機在第一時間采取相關(guān)措施，確保高速列車運行安全。

1．功能測試。提交、修改、刪除小區(qū)廣播短消息，以及查詢正在廣播的小區(qū)廣播短消息；單頁最大消息長度和最小廣播周期測試；接口消息測試。

2．性能測試。測試小區(qū)廣播短消息傳送時延和傳送成功率。

3．防災信息傳送。當?shù)孛嬷行氖盏椒罏南到y(tǒng)發(fā)送的災害告警信息時，通過GSM－R小區(qū)廣播短消息業(yè)務(wù)，在災害發(fā)生地點一定范圍內(nèi)進行廣播。范圍確定方法：根據(jù)災害告警信息的地點 （公里標），找到對應(yīng)的小區(qū) （LAC＋CI），根據(jù)預警級別和線路運行速度等級，確定需要發(fā)布的小區(qū)列表，采用小區(qū)廣播方式發(fā)布預警信息。

3．2．2 測試結(jié)果

1．基本完善了高速鐵路預警信息無線傳送系統(tǒng)的防災信息采集功能。

2．實現(xiàn)了通過小區(qū)短消息廣播方式進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3．驗證系統(tǒng)通過小區(qū)短消息廣播方式傳播預警信息的功能，形成可進行現(xiàn)場試驗的工程樣機。

3．3 小區(qū)廣播性能分析

在理想狀態(tài)下，小區(qū)廣播網(wǎng)關(guān)處理時延在10ms以內(nèi)；小區(qū)廣播網(wǎng)關(guān)發(fā)送完82字節(jié)數(shù)據(jù)需要10．25ms；MSC接收和發(fā)送82字節(jié)的數(shù)據(jù)均需要10．25ms，處理時延應(yīng)在5ms以內(nèi)；同樣，BSC接收和發(fā)送82字節(jié)的數(shù)據(jù)各需要10．25ms，處理時延在5ms以內(nèi)；而BTS接收82字節(jié)的數(shù)據(jù)需要10．25ms，處理時延應(yīng)在5ms以內(nèi)，但發(fā)送數(shù)據(jù)時還要根據(jù)CBCH及BTS自身的整體負荷，若負荷過大，將暫緩發(fā)送該消息；空中接口上，完成82字節(jié)的消息傳送需要8×51復幀的周期，即1．883s，這是最短的單元周期，測試時設(shè)置周期為2，即需要3．766s；無線終端收到小區(qū)廣播后的處理時延在10ms以內(nèi)。這樣，測試系統(tǒng)中小區(qū)廣播的總時延為：10＋10．25×6＋5＋5＋5＋3766＋10＝3862．5 （ms）。

實際上，由于BTS會根據(jù)自身的負荷及CBCH的負荷調(diào)整發(fā)送時機，因此測試的平均時延稍大。

由于小區(qū)廣播為非確認性機制，不會存在重傳而增加時延的情況，因此速度大小并不會對時延造成本質(zhì)影響，但會影響丟包。小區(qū)廣播單獨占用1個SDCCH信道，不對其他無線通信業(yè)務(wù)造成影響；小區(qū)廣播業(yè)務(wù)之間CBC控制BCS發(fā)送消息或替換已有消息。1個小區(qū)只能配置1個CBCH，通過占用1個SDCCH的子時隙來實現(xiàn)，因此小區(qū)廣播會受到小區(qū)負荷影響。

1個CBCH最多22字節(jié)消息，即當廣播的消息小于等于22字節(jié)時，可以利用1個CBCH承載，這時空口最大時延為2×235．365＝470．73ms。當廣播消息大于22字節(jié)為x字節(jié)時，則需要 ［x／22］個CBCH，空口最大時延為 ［x／22］×470．73ms。高速運行情況下無線信道快速變化、多普勒頻偏隨著速度的增加而增加，導致接收信號更大的碼間干擾，從而增大了數(shù)據(jù)正確解碼的難度；列車行駛過程中收發(fā)信號大小和C／I周期性變化，帶來了誤碼概率周期性變化；小區(qū)重選造成通信短暫中斷，帶來丟包。

綜上所述，時延主要由信息處理和信息傳輸決定，通常由信息長度決定。而高速運行、小區(qū)重選、干擾都會對丟包率產(chǎn)生影響。

4 結(jié)束語

小區(qū)短消息廣播方式用于GSM－R高速防災信息傳輸，可有效解決高速列車運營中自然災害、突發(fā)事故等安全問題，提供經(jīng)處理后的災害預警等信息。小區(qū)廣播消息分頁發(fā)送，每頁82字節(jié)，可由1～15頁組成。每頁有相同的消息標識符和序號，用于MS鑒別和丟棄已收到過的消息。每頁分為4段，由CBC向BSC發(fā)送，可以根據(jù)需要接收相關(guān)信息。在理想狀態(tài)下，小區(qū)廣播的時延為3862．5ms。由于BTS會根據(jù)自身的負荷及CBCH的負荷調(diào)整發(fā)送時機，實際測試的平均時延稍大，集中在4～8s之間。時延主要由信息處理和信息傳輸決定；高速運行、小區(qū)重選、干擾都會對丟包率產(chǎn)生影響。而因單獨占用一個SDCCH信道，小區(qū)廣播不對其他無線通信業(yè)務(wù)造成影響。

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