GSM-R无线路测系统的研究与实现

    作者：武心将　廖伟　杨庚

    摘要GSM-R网络是新一代铁路无线通信系统，对其无线接口的路测（DT：drivetest）工具日益成为网络优化工作者的急需。

    首先介绍并分析了GSM-R网络结构、业务模型、无线接口协议，然后讨论了无线路测的目的以及对网络优化工作的意义，在总结并分析这些理论的基础上，给出一种适用于GSM/GSM-R网络的无线路测系统。该系统为GSM/GSM-R网优工作者提供了有效的工具。

    GSM-R是基于GSM技术的一种专用通信系统——铁路综合数字移动通信系统。与传统的GSM技术相比。GSM-R除了能提供一系列铁路通信业务外，还能保证列车在500km/h的情况下进行高可靠性、高接通率、高传输质量的通信。当前，GSM-R技术成为国际国内铁路通信发展的焦点，我国在GSM-R技术上也有了一定的进展。2004年开始在青藏铁路、大秦线电气化改造和京沪高速铁路的建设中进行GSM-R铁路专用通信网络的规划、建设和试运营。与此同时，由于目前国内的GSM-R路测系统十分稀少，对GSM-R无线网络优化也开始成为GSM-R移动通信网络建设中的一个当务之急。为了真正了解GSM-R网络，调测GSM-R网络，优化GSM-R网络，本文提出并设计出了一种既适用于GSM网络又适用于GSM-R网络的无线路测系统。一方面，在GSM-R网络建设的初期，通过本系统的辅助能够合理地进行频率分配、小区参数的调整：另一方面，可以优化已建GSM和GSM-R网络的性能，提高通信质量。

    1、GSM-R网络介绍

    1.1网络结构与功能

    一个GSM-R移动通信网络由若干个功能实体组成。各个功能实体所实现的功能的集合就是GSM-R网络提供给用户的基本业务与补充业务。GSM-R移动通信网络结构基于GSM移动通信网络，主要由基站子系统（BSS）、网络子系统（NSS）、操作与维护子系统（OSS）三部分组成，其基本结构如图1所示[1]。

    图1  GSM-R网络基本结构

    BSS主要由基站控制器（BSC）、基站收发信台（BTS）组成。通过无线接口（Um）与移动台（MS）相连，A接口与NSS相连。BTS是网络固定部分与无线部分之间进行通信的中继，MS通过空中接口与BTS进行连接，是移动通信网络的无线接入部分，是终端用户最直接感受网络质量的部分。一个或几个BTS连接到一个BSC上，BSC主要提供在其覆盖区域内的无线电资源治理与移动性治理的功能，以及提供无线电网络的运营与维护功能。BSS还有可能存在编码速率适配单元（TRAU），实现编码速率转换。

    NSS一般由6个功能实体组成，分别是移动交换中心（MSC），归属位置寄存器（HLR），拜访位置寄存器（VLR），鉴权中心（AUC），设备识别寄存器（EIR），组呼寄存器（GCR）。NSS主要负责端到端的呼叫、用户数据治理、移动性治理和固定网络的连接。其中MSC是NSS的核心，用于建立业务信道和在MSC之间或与其他网络之间交换信令消息。与MSC相连的是VLR，VLR治理在一个MSC区内漫游移动用户信息的动态数据库。HLR存储的是在网络中永久注册的移动用户的静态信息，如用户信息、承载和定制的用户信息等。AUC完成对用户的鉴权及为移动台与网络之间的无线通信进行加密。EIR用来存储IMEI（国际移动设备识别符）[2]。作为GSM-R网络的特有组件GCR，用于存储移动用户的组ID、移动台发起语音组呼（VGCS）和语音广播（VBS）参考的小区信息及发起呼叫的MSC是否负责处理呼叫的指示。

    OSS可分为对应BSS的操作与维护中心OMC-R及对应NSS的操作与维护中心OMC-S。OSS是操作人员与系统设备之间的中介，它实现了系统的集中操作与维护，完成了包括移动用户治理、移动设备治理及网络操作维护等功能。它的一侧与设备相连，另一侧是作为人机接口的计算机工作站。这些专门用于操作维护的设备被称为操作维护中心OMC。系统的每个组成部分都可以通过特有的网络连接至OMC，从而实现集中维护[3]。

    1.2业务模型

    GSM-R是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统，它基于GSM的基础设施及其提供的高级语音呼叫业务，其中包括增强多优先级与强拆（eMLPP）、VGCS和VBS，并提供铁路特有的调度业务，包括：功能寻址、功能号表示、接入矩阵和基于位置的寻址，并以此作为信息化平台，使铁路部分可以在此信息平台上开发各种应用。GSM-R的业务模型[2]见图2。

    图2  GSM-R的业务模型

    2、无线接口（Um）协议

    无线接口（Um）是MS与BTS之间的通信接口，又称为空中接口（airinterface），用于移动台与GSM-R系统固定部分之间的通信，其物理连接通过无线链路实现。此接口传递的信息包括无线资源治理、移动性治理和接续治理等。

    2.1协议分层（三层）

    空中接口对应于OSI（开放系统互连）模型的低三层。分为物理层、链路层和网络层。与OSI的分层模型不是严格对应。

    物理层（PHL）：支持TDMA帧、FDMA和逻辑信道复用。提供无线链路的传输通道，为高层提供不同功能的逻辑信道，如业务信道与控制信道。物理层在MAC层的控制下，负责数据或数据分组的收发。

    链路层：包括介质接入控制层MAC和数据链路控制层（DLC）。前者通过形成多种逻辑信道为高层提供不同的业务；后者为网络层提供非常可靠的数据链路。为内部控制信令和有限数量的用户信息提供非常可靠的传输链路。

    网络层：主要是信令层，包括连接治理（CM）、移动性治理（MM）、无线资源治理（RM）。确定了用于链路控制、呼叫控制、附加业务、面向连接的消息业务、无连接的消息业务等各种功能。

    2.2无线资源工作模式

    无线资源治理的目的是建立、保持、并释放网络与移动台间点对点通话的无线资源（RR）连接。一个RR连接是两个同等实体间的一条物理连接，用于支持上层间信息流量的变化。无线资源治理主要向上层提供4种工作模式.分别是：空闲模式、专用模式、群发模式、群收模式。

    空闲模式：没有为任何MS分配专用信道，不存在RR连接，此时MS只能收到CCCH（公共控制信道）和BCCH（广播控制信道）信道的广播消息。MS分析接收到的寻呼消息和广播消息，选择驻留在信号强度最强的小区上，MS对应于待机状态。

    专用模式：为MS至少分配了2个专用信道，其中只能有一个是SACCH（慢速随路控制信道）。MS与BTS此时建立起了一个双向的点对点物理连接，用于信息的传输。可通过小区自动重选和切换来保持RR连接。MS对应于通话状态或者位置更新状态。

    群发模式：为语音组呼的MS分配2个专用信道，这2个信道可以同时分配给一个MS或者分配给不同的MS。MS与BTS此时建立的RR连接与专用模式类似，不过在建立过程中的信令消息有所不同，非凡地指明了该模式用于群发通信。MS对应于VGCS或者VBS中讲者的状态。

    群收模式：没有为MS分配与网络连接的专用信道，它以无应答的方式接收分配给小区的语音广播信道或者语音组呼信道下行链路的消息。此时MS对应于VGCS或者VBS中聆听者的状态。

    3、GSM-R无线路测系统

    本系统通过监听，捕捉Um口中MS与BTS进行通信的信令信息，从而获得GSM-R网络的无线质量参数，结合GSM-R无线网络优化知识对参数进行加工处理，通过显示模块的精心设计，向用户直观、清楚地呈现网络质量状况，并在最后给出了GSM-R网络质量状况的性能报表。

    3.1路测环境

    网络环境：卫星，GSM/GSM-R网络；

    测试仪器：装有本系统的计算机一台，测试手机一部，GPS一台，接口线若干。

    3.2系统界面与采集参数列表

    GSM-R无线路测采集系统的界面见图3。

    图3  GSM-R无线路测采集系统的界面

    1）网络识别参数。

    移动国家号（MMC）、移动网号（MNC）、位置区码（LAC）、小区识别（CI）、网络色码（NCC）、基站色码（BCC）。

    2）系统控制参数。

    公共控制信道配置、接入准许保留块数、寻呼信道复帧数、周期位置更新定时器、小区信道描述、无线链路超时（RLT）、邻小区描述、答应的网络色码、最大重发次数（MR）、发送分布时隙数（TI）、小区接入禁止（CBA）、接入等级控制（AC）。

    3）小区选择与重选参数。

    小区重选滞后（CRH）、控制信道最大功率电平（MTMC）、答应接入最小接收电平（RXLEVaccessmin）、小区禁止限制（CBQ）、小区重选参数指示（PI）、小区重选偏置（CRO）、惩罚时间（PT）、临时偏置（TO）。

    4）网络功能参数。

    功率控制指示（PERC）、非连续发送（DTX）、呼叫重建答应（RE）、紧急呼叫答应（EC）、移动分配索引位置（MAIO）、跳频序列号（HSN）[4]。

    5）GPS参数。

    经度、纬度。

    6）性能参数。

    通话接通率、通话失败率、信道利用率、分配失败率、掉话率、切换成功率、切换失败率。

    3.3系统功能

    1）实时跟踪信令。

    能够实时地跟踪各个逻辑控制信道信令。

    ●BCCH：包括systeminformation1、systeminformation2等；

    ●PCH（寻呼信道）：包括pagingrequesttype1、pagingrequest type2等；

    ●SACCH：包括systeminformation5、systeminformation6；

    ●AGCH（接入答应信道）：包括immediateassignment、immediateassignmentreject等；

    ●RACH（随机接入信道）：包括channelrequest、uplink_access。

    此外，还能跟踪层2和层3信令：包括：setup、alerting、disconnect等。

    2）扫频测试。

    在空闲模式（idlemode）下，能够对所有频率（GSM900/GSM1800/GSM-R等）进行实时扫描。动态显示对应的信号场强和基站色码，实时跟踪所占用ARFCN（绝对无线频率信道号）受干扰程度。可以检查相邻小区的信号强度，检查小区的覆盖情况和同邻频干扰。

    3）锁频测试。

    在双频网络中，测试手机会自动选择信号较强的频道作通话网络。假如碰到双频网络信号强弱接近的区域，就可能出现线路忙或“跳频”[5]（跳频：在两个频道之间不断切换）的情况。所以，用户想让手机接收比较稳定，减少跳频问题，就可以利用“锁频”这项手机操作功能，观察移动台在某一固定频点下的接收电平的变化。

    4）强制切换。

    强制切换是在专用模式下答应移动台在未满足切换条件的情况下，强制切换到另一频点的小区。利用强制操作采集MS接收到的网络质量状况，其强制区域主要是各小区邻接处，用于发现网络小区规划的合理性、正确性，某些小区的实际覆盖区域是否超过了规划区域，同时还可以通过切换信令、分析掉话原因。

    5）GSM/GSM-R基站开通测试。

    网络规划实施后，经常要测试基站信号覆盖范围，查找盲区。本系统能够实时采集目前所在小区以及相邻小区的信号强度变化。本系统支持GPS定位系统，能够实时打印目前所在的位置，结合DT（车测）网络测试方法，能够得到车所经过的路线上任何一个采集点的信号强度、基站识别码、绝对频点、信号强度。

    6）根据信令分析查找各种网络问题。

    因为本系统能够实时采集网络参数以及无线信令，应用于网络优化可以使网络资源获得最佳效益。信令包括：寻呼、鉴权、加密、分配信道、切换、测量报告、位置更新，能清楚显示出通话的起呼、切换、位置更新、结束通话和掉话等各部分的信令流程。将现场采集到的信令与GSM-R各类业务的标准信令流程作对比，能够定位到如掉话、TCH（业务信道）拥塞、SDCCH（独立专用控制信道）拥塞等网络故障。

    7）双手机大话务量呼叫与统计。

    网络优化过程中，常利用大话务量测试来得到呼叫接通率、掉话率、呼叫失败率、切换成功率等性能参数，来了解网络的健壮性与可行性。本系统支持双手机互呼测试，通过自动拨号功能，设定呼叫数量、持续时间、被叫号码等参数，呼叫完毕后能够提供回放以及通话统计结果。

    8）测试GSM-R特有业务。

    GSM-R特有的业务包括VGCS、VBS等。普通的GSM路测系统在GSM-R网络不适用。本系统能够对GSM-R特有业务进行参数采集、信令捕捉。

    参考文献：

    [1]黄威，贾利民，钟彬.GSM-R数字移动通信系统及其应用[J].铁路计算机应用，2005（12）：43-45.

    [2]SMITHClint，COLLINSDaniel.第3代无线通信网络[M].北京：人民邮电出版社，2003.

    [3]钟章队，李旭，蒋文怡.铁路综合数字移动通信系统[M].北京：中国铁道出版社，2003.

    [4]韩斌杰.GSM原理及网络优化[M].北京：机械工业出版社，2002.

    [5]邵世像，林纲.GSM移动通信网络优化[M].北京：人民邮电出版社，2002.