不同模式及編碼條件下GSM-R短消息傳輸特性對(duì)比研究

梁軼群 蔣志勇 周宏偉 付文剛

GSM-R系統(tǒng)采用CSD方式承載了CTCS-3級(jí)列控?cái)?shù)據(jù)的傳輸，采用GPRS方式承載了調(diào)度命令信息無(wú)線傳送、列車(chē)無(wú)線車(chē)次號(hào)校核信息傳送等應(yīng)用業(yè)務(wù)，在鐵路運(yùn)輸中發(fā)揮了重要作用。但GSM-R系統(tǒng)另一種重要的數(shù)據(jù)傳送方式，短消息業(yè)務(wù)卻一直沒(méi)有相關(guān)的應(yīng)用。

短消息業(yè)務(wù)有其固有的特點(diǎn):在電路交換模式下，短消息通信采用信令方式，即使移動(dòng)臺(tái)已經(jīng)處于專(zhuān)用模式的通信情況下也可以進(jìn)行短消息傳輸，沒(méi)有額外的信道需求;當(dāng)短消息接收端處于不可達(dá)時(shí) (短時(shí)故障或不在服務(wù)區(qū)內(nèi))，短消息服務(wù)中心(SMSC)會(huì)自動(dòng)保存短消息，待短消息接收端可以接收時(shí)再次發(fā)送。

隨著鐵路GSM-R系統(tǒng)的不斷發(fā)展，有必要進(jìn)一步對(duì)GSM-R短信息傳輸特性進(jìn)行研究，為其在移動(dòng)售票、基于功能尋址的短消息車(chē)-地?cái)?shù)據(jù)傳遞等領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 GSM-R短消息模式、用戶(hù)數(shù)據(jù)編解碼

對(duì)目前鐵路通信應(yīng)用主流GSM-R模塊進(jìn)行了調(diào)研，見(jiàn)表1。

從表1可以看出所有終端均支持PDU模式和Text模式短消息發(fā)送，均不支持Block模式的短消息傳送，且對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，Block模式復(fù)雜且不好操作，所以不對(duì)Block模式進(jìn)行討論。使用Text模式收發(fā)短信代碼簡(jiǎn)單，不需要對(duì)短消息內(nèi)容進(jìn)行編解碼，但其不支持中文短信。PDU模式發(fā)送短消息有3種編碼可用:7-bit、8-bit和UCS2編碼。7-bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符，即英文短信，最多可發(fā)送160字符。8-bit編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息，比如圖片、鈴聲等。UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符，可發(fā)送中文字符，最多發(fā)送70字符。不同模式、編碼支持的短消息最大長(zhǎng)度及對(duì)中文的支持情況見(jiàn)表2。

表1 GSM-R模塊對(duì)編碼方式的支持情況

表2 不同模式、編碼短消息最大長(zhǎng)度及中文支持情況

采用PDU模式收發(fā)短消息時(shí)，需要在收發(fā)端進(jìn)行編解碼處理，所涉及的元素如下。

1.SCA:短消息服務(wù)中心號(hào)碼 (Service Center Address)，長(zhǎng)度1-12個(gè)字節(jié)。

2.PDU-Type:協(xié)議數(shù)據(jù)單元類(lèi)型 (Protocol Data Unit)，長(zhǎng)度1個(gè)字節(jié)。

3.MR:所有成功的短信發(fā)送參考數(shù)目 (Message Reference)，長(zhǎng)度1個(gè)字節(jié)。

4.OA:發(fā)送方地址 (Originator Address)，長(zhǎng)度2-12個(gè)字節(jié)。

5.DA:接收方地址 (Destination Address)，長(zhǎng)度2-12個(gè)字節(jié)。

6.PID:消息中心處理消息內(nèi)容方式 (Protocol Identifier)，長(zhǎng)度1個(gè)字節(jié)。

7.DCS:用戶(hù)數(shù)據(jù)編碼方案 (Data Coding Scheme)，長(zhǎng)度1個(gè)字節(jié)。

8.SCTS:消息中心收到消息時(shí)的時(shí)間戳(Service Center Time Stamp)，長(zhǎng)度7個(gè)字節(jié)。

9.VP:消息有效期 (Validity Period)，0、1、7個(gè)字節(jié)。

10.UDL:用戶(hù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 (User Data Length)，長(zhǎng)度1個(gè)字節(jié)。

11.UD:用戶(hù)數(shù)據(jù) (User Data)，長(zhǎng)度0-140個(gè)字節(jié)。

發(fā)送方和接收方PDU數(shù)據(jù)串格式分別見(jiàn)表3和表4。

表3 發(fā)送方PDU串格式

表4 接收方PDU串格式

前面提到的UCS2編解碼和7-bit編解碼是對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)的編解碼。UCS2方式采用的是Unicode編碼方式，即1個(gè)字符編碼為2字節(jié)。7-bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符，它將一串7-bit的ASCII字符 (最高位為0)編碼成8-bit的數(shù)據(jù)，每8個(gè)ASCII字符可壓縮成7個(gè)8-bit的數(shù)據(jù)。

處理方法:將第2個(gè)ASCII字符的最低位移入第1個(gè)ASCII字符的最高位形成第1個(gè)8-bit字節(jié)，接著將第2個(gè)ASCII字符剩下的6位向右移1位，補(bǔ)齊先前移走的那1位，然后將第3個(gè)ASCII字符的最低2位。移入第2個(gè)ASCII字符的最高2位，形成第2個(gè)8-bit字節(jié)，依此類(lèi)推。

2 GSM-R短消息傳輸特性自動(dòng)化測(cè)試工具原理及實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)化測(cè)試，即通過(guò)AT指令控制測(cè)試終端實(shí)現(xiàn)不同模式、不同編碼的短消息發(fā)送、接收，并讀取短消息，不需要測(cè)試人員手動(dòng)發(fā)送和接收每條短消息并計(jì)時(shí)、記錄。自動(dòng)化的測(cè)試方法提高了測(cè)試效率和測(cè)試的準(zhǔn)確性。測(cè)試步驟如下。

1.通過(guò)AT指令控制發(fā)送端向接收端發(fā)送點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短消息，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，并以此標(biāo)記作為時(shí)間戳T1，發(fā)送的短消息模式、編碼、內(nèi)容長(zhǎng)度可設(shè)置。

2.通過(guò)AT指令判斷發(fā)送端的短消息發(fā)送狀態(tài):AT指令指示為“消息發(fā)送失敗”或者90 s內(nèi)無(wú)任何指示，則認(rèn)為短消息發(fā)送失敗，重復(fù)步驟1。

3.通過(guò)AT指令判斷接收端接收短消息的情況:在發(fā)送端“信息已發(fā)出”10 min內(nèi)，接收端收到指示新短消息的AT指令，則停止計(jì)時(shí)，該時(shí)刻記為T(mén)2;10 min內(nèi)未收到指示新短消息的AT指令，則認(rèn)為該條短消息發(fā)送失敗。

4.接收端收到新短消息指示后，通過(guò)AT指令提取接收端接收到的短消息內(nèi)容，與發(fā)送端發(fā)送的短消息內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比，若兩者一致，則認(rèn)為短消接收成功，否則認(rèn)為短消息接收失敗。

5.對(duì)于成功接收的短消息，短消息傳輸延時(shí):T=T2-T1

6.短消息傳送成功率按下式計(jì)算:

3 短消息傳輸特性對(duì)比研究

選擇普通單網(wǎng)、單網(wǎng)交織 (半數(shù)基站)、單網(wǎng)交織 (全基站)3種典型的網(wǎng)絡(luò)覆蓋條件，列車(chē)運(yùn)行速度從100～350 km/h，對(duì)不同模式、不同編碼方式、不同長(zhǎng)度的短消息進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比研究。測(cè)試條件如表5所示。

表5 短消息傳輸特性對(duì)比研究測(cè)試條件

3.1 不同場(chǎng)景下短消息傳送成功率及典型短消息傳送失敗分析

不同條件下短消息傳送成功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表6。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，不同條件下短消息傳送成功率均大于99%，滿(mǎn)足《GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)總體技術(shù)要求》。

表6 不同條件下短消息傳送成功率統(tǒng)計(jì)表

從GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)管提取相關(guān)信令，對(duì)短消息傳送失敗的樣本進(jìn)行分析，短消息傳送失敗的情況可以分為二類(lèi):一類(lèi)是網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有收到短消息終端的上行信道請(qǐng)求信令Channel Request，這可能和當(dāng)時(shí)的無(wú)線環(huán)境存在部分外界干擾有關(guān);另一類(lèi)是由于短消息發(fā)送終端未及時(shí)進(jìn)行小區(qū)重選，而是一直駐留在較差的小區(qū)，造成短消息發(fā)送時(shí)上行信道質(zhì)量已經(jīng)很差，SDCCH信道上傳送CP DATA過(guò)程中，出現(xiàn)原因值為Uplink Radio Failure的連接失敗，信令如表7所示。

表7 連接失敗信令表

3.2 不同列車(chē)速度等級(jí)下短消息傳輸延時(shí)特性對(duì)比

選取單網(wǎng)交織網(wǎng)絡(luò)覆蓋，不同列車(chē)運(yùn)行速度級(jí)條件下PDU模式、Text模式短消息傳輸延時(shí)樣本，繪制延時(shí)與速度關(guān)系分布見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 PDU模式7-bit編碼140字節(jié)短消息速度-延時(shí)分布圖

圖2 Text模式70字節(jié)短消息速度-延時(shí)分布圖

從圖中可以看出，不同模式下，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高，短消息傳輸延時(shí)樣本在均值上下波動(dòng)，由此可以看出短消息傳輸延時(shí)與列車(chē)運(yùn)行速度關(guān)系不大。

3.3 PDU模式UCS2編碼相同長(zhǎng)度中英文短消息傳輸特性對(duì)比

選取單網(wǎng)交織半數(shù)基站網(wǎng)絡(luò)覆蓋條件下PDU模式UCS2編碼70字節(jié)中、英文短消息延時(shí)樣本進(jìn)行比較，見(jiàn)表8和圖3。

從圖3中可以看出，中、英文短消息延時(shí)樣本均值差別很小，這與前面介紹的UCS2編碼原理是相符的，即每個(gè)中、英文字符都編碼為2個(gè)字節(jié)的Unicode碼字。

表8 PDU模式UCS2編碼相同長(zhǎng)度中英文短消息傳輸延時(shí)對(duì)比表

圖3 PDU模式UCS2編碼中英文短消息傳輸延時(shí)對(duì)比

3.4 PDU模式UCS2編碼與PDU模式7-bit編碼相同長(zhǎng)度短消息傳輸特性對(duì)比

選取單網(wǎng)交織網(wǎng)絡(luò)覆蓋條件下PDU模式UCS2編碼與PDU模式7-bit編碼，長(zhǎng)度均為70字節(jié)的短消息傳輸延時(shí)樣本進(jìn)行對(duì)比分析，短消息語(yǔ)言為英文，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表9和圖4。

從圖4可以看出，對(duì)于70字節(jié)的英文短消息，采用7-bit編碼比采用 UCS2編碼延時(shí)均值少2.539 s，這與7-bit編碼效率較USC2編碼高是一致的。

圖4 PDU模式UCS2編碼與PDU模式7-bit編碼70字節(jié)短消息傳輸延時(shí)對(duì)比

3.5 PDU模式7-bit編碼與Text模式相同長(zhǎng)度短消息傳輸特性對(duì)比

選取單網(wǎng)交織網(wǎng)絡(luò)覆蓋條件下PDU模式7-bit編碼與Text模式，長(zhǎng)度均為70字節(jié)的短消息傳輸延時(shí)樣本進(jìn)行對(duì)比分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表10和圖5。

從圖5可以看出，對(duì)于70字節(jié)的英文短消息，采用PDU模式7-bit編碼與Text模式延時(shí)相差不大。

表9 PDU模式UCS2編碼與PDU模式7-bit編碼70字節(jié)短消息傳輸延時(shí)對(duì)比表

表10 PDU模式7-bit編碼與Text模式70字節(jié)短消息傳輸延時(shí)對(duì)比表

圖5 PDU模式7-bit編碼與Text模式70字節(jié)短消息傳輸延時(shí)對(duì)比

3.6 相同模式、編碼條件下不同長(zhǎng)度短消息傳輸特性對(duì)比

選取單網(wǎng)交織網(wǎng)絡(luò)覆蓋半數(shù)基站條件下PDU模式7-bit編碼，選擇長(zhǎng)度分別為40字節(jié)、70字節(jié)、140字節(jié)、160字節(jié)4種典型長(zhǎng)度短消息的傳輸延時(shí)樣本進(jìn)行對(duì)比分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表11和圖6。

表11 PDU模式7-bit編碼與Text模式70字節(jié)短消息傳輸延時(shí)對(duì)比表

圖6 PDU模式7-bit編碼不同長(zhǎng)度短消息傳輸延時(shí)對(duì)比

從圖6可以看出，40字節(jié)、70字節(jié)、140字節(jié)、160字節(jié)等4種典型長(zhǎng)度的短消息，其傳輸延時(shí)均值隨著短消息長(zhǎng)度的增加而延長(zhǎng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究得出以下結(jié)論。

1.不同條件下短消息傳送成功率均大于99%，滿(mǎn)足《GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)總體技術(shù)要求》。

2.在列車(chē)運(yùn)行速度級(jí)0～350 km/h范圍內(nèi)，短消息傳輸延時(shí)與列車(chē)運(yùn)行速度關(guān)系不大。

3.采用PDU模式UCS2編碼發(fā)送相同長(zhǎng)度的中、英文短消息，傳輸延時(shí)無(wú)明顯差異。

4.PDU模式7-bit編碼與PDU模式UCS2編碼相同長(zhǎng)度英文短消息，7-bit編碼延時(shí)明顯小于UCS2編碼。

5.PDU模式7-bit編碼與Text模式發(fā)送相同長(zhǎng)度短消息，傳輸延時(shí)無(wú)明顯差異。

6.40字節(jié)、70字節(jié)、140字節(jié)、160字節(jié)不同長(zhǎng)度短消息，在相同模式、編碼條件下傳輸延時(shí)的分布規(guī)律，為建立鐵路GSM-R系統(tǒng)短消息服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系提供了參考依據(jù)。

如果需要發(fā)送中文或者中英文混合的短消息，則只能選擇PDU模式UCS2編碼，否則建議采用PDU模式7-bit編碼或者Text模式，以提高短消息發(fā)送的效率。

建議結(jié)合短消息傳輸特性，進(jìn)一步研究短消息應(yīng)用在個(gè)別補(bǔ)票業(yè)務(wù)、風(fēng)速信息傳遞、實(shí)時(shí)監(jiān)控信息傳遞、軌道異物監(jiān)測(cè)、旅客信息發(fā)布等鐵路業(yè)務(wù)應(yīng)用的可行性及應(yīng)用方案。

［1］ 梁軼群.高速鐵路GSM-R系統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短消息傳送特性的研究［J］.中國(guó)鐵路，2012(9).

［2］ 郭莉慧.PDU中7-bit字符串編解碼的程序設(shè)計(jì)［J］.電腦編程技巧與維護(hù)，2008(10).

［3］ 3GPP TS 03.38 V7.2.0 Digital cellular telecommunications system(Phase 2+);Alphabets and language-specific information.

［4］ 3GPP TS 03.40 V7.5.0 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Terminals;Technical realization of the Short Message Service(SMS).

［5］3GPP TS 07.05 V7.0.1(1999-07)Use of Data Terminal Equipment-Data Circuit terminating;Equipment(DTE-DCE)interface for Short Message Service(SMS)and Cell Broadcast Service(CBS).