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摘 要 針對(duì)鐵路現(xiàn)有無(wú)線通信業(yè)務(wù)的需求，介紹了鐵路運(yùn)輸中基于GSM-R的GPRS技術(shù)，對(duì)GPRS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了概括的描述。然后針對(duì)GPRS中傳輸時(shí)延的測(cè)試提出了兩種方案，進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。
1、引言
專(zhuān)用移動(dòng)通信網(wǎng)和公眾移動(dòng)通信網(wǎng)的融合是專(zhuān)網(wǎng)發(fā)展的一大趨勢(shì)，正在向著高速、寬帶、多業(yè)務(wù)的方向發(fā)展。GSM-R可以隨著GSM向第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的演進(jìn)而平滑過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速化、寬帶化，符合專(zhuān)用移動(dòng)通信網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。目前，GSM-R是唯一能夠向第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)平滑過(guò)渡的提供專(zhuān)用調(diào)度通信服務(wù)的系統(tǒng)，我國(guó)GSM-R的頻段是：上行885-889 MHz，下行930-934 MHz。
2、GSM-R系統(tǒng)簡(jiǎn)介
GSM-R是一種基于目前世界最成熟、最通用的公共無(wú)線通信系統(tǒng)GSM平臺(tái)上的、專(zhuān)門(mén)為滿足鐵路應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的數(shù)字式的無(wú)線通信系統(tǒng)。它基于GSM的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及其提供的電信業(yè)務(wù)，提供了鐵路特有的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)，并以此作為一個(gè)信息化的平臺(tái)，使得用戶可以在這個(gè)信息平臺(tái)上輕松開(kāi)發(fā)各種各樣的鐵路應(yīng)用。圖1為GSM-R系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模型層次結(jié)構(gòu)。
3、基于GSM-R的GPRS網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)
隨著鐵路信息化水平的不斷提高，數(shù)據(jù)通信在鐵路安全與效率方面的角色也變得日益重要。GPRS（General Packet Radio Service）通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)是一種基于包的無(wú)線通訊服務(wù)。GPRS使得用戶能夠在端到端的分組傳輸模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。所謂的分組交換就是將數(shù)據(jù)封裝成許多獨(dú)立的分組，再將這些分組一個(gè)一個(gè)地傳送出去。采用分組交換的好處是只有在有數(shù)據(jù)需要傳送時(shí)才會(huì)占用頻寬。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維定式，用戶使用GPRS業(yè)務(wù)將具有建立時(shí)間短、數(shù)據(jù)傳輸速率高、支持X.25和IP協(xié)議、永遠(yuǎn)在線、提供資源的優(yōu)化等優(yōu)勢(shì)。GPRS支持間歇和爆發(fā)式數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，支持間或的大量數(shù)據(jù)傳輸，還能支持幾種QoS；能在0.5-1之內(nèi)恢復(fù)數(shù)據(jù)的重新傳輸。其收費(fèi)是基于傳送的數(shù)據(jù)量而不是按通信的時(shí)間計(jì)算的。此外，GPRS支持短信息服務(wù)，從而使GSM系統(tǒng)空出了更多的信令信道，節(jié)省了寶貴的無(wú)線資源。GPRS網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，充分利用了現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)設(shè)備，僅通過(guò)增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造、增加一些硬件設(shè)備和軟件升級(jí)，形成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實(shí)體來(lái)實(shí)現(xiàn)分組交換，就使現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)與數(shù)據(jù)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)。
在GSM-R中引入GPRS技術(shù)不僅能滿足鐵路發(fā)展的需要，從而提供更多的服務(wù)，提高鐵路服務(wù)質(zhì)量。目前鐵路上使用GPRS傳輸列尾風(fēng)壓、車(chē)次號(hào)信息、列車(chē)啟動(dòng)停穩(wěn)信息和調(diào)度命令等。
4、基于GSM-R的GPRS的體系概述
4.1 GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
GPRS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖（如圖2所示）可以看出實(shí)現(xiàn)GPRS系統(tǒng)需在GSM系統(tǒng)中引入3個(gè)主要組件，這3個(gè)主要組件是：SGSN（GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)）、GGSN（GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）和PCU（分組控制單元）；除此之外，還需對(duì)GSM系統(tǒng)中的相關(guān)部件（如MSC/VLR、HLR、BTS等）進(jìn)行軟件升級(jí)，以支持GPRS的移動(dòng)性管理、路由管理及用戶數(shù)據(jù)傳送等。
PCU處理從話音業(yè)務(wù)中分離出的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，控制無(wú)線信道的分配；節(jié)點(diǎn)SGSN的功能與MSC/VLR類(lèi)似，具有網(wǎng)絡(luò)接入控制、路由選擇和轉(zhuǎn)發(fā)、移動(dòng)性管理、計(jì)費(fèi)信息的收集等功能。網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN的主要功能是網(wǎng)絡(luò)接入控制、移動(dòng)性管理和邊界管理等，支持與外部網(wǎng)絡(luò)的透明和不透明連接。DNS主要完成對(duì)域名的解析，主要有兩方面的內(nèi)容：在用戶進(jìn)行上下文激活的時(shí)候，SGSN將APN提交給域名服務(wù)器解析，由此獲得GGSN的IP地址；在SGSN之間的路由區(qū)更新過(guò)程中，新的SGSN通過(guò)域名解析查找原SGSN的地址。
4.2 GPRS移動(dòng)性管理
GPRS定義了3種移動(dòng)性管理的狀態(tài)，即GPRS空閑（Idle）狀態(tài)、待命（Standby）狀態(tài)和就緒（Ready）狀態(tài)。
IDLE狀態(tài)：用戶不為GPRS網(wǎng)絡(luò)所知，表明移動(dòng)臺(tái)已開(kāi)機(jī)，尚未附著到GPRS移動(dòng)性管理上去。移動(dòng)臺(tái)只能接收PTM-M的傳輸，但不能接收和發(fā)送PTP和PTM-G數(shù)據(jù)。在這種狀態(tài)下移動(dòng)臺(tái)可以被網(wǎng)絡(luò)認(rèn)為是不可及的。
STANDBY狀態(tài)：移動(dòng)臺(tái)此時(shí)已經(jīng)附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，并且和SGSN建立了MM連接。SGSN對(duì)MS的移動(dòng)性管理僅在路由區(qū)（RA）的層次上。移動(dòng)臺(tái)在這種狀態(tài)下可以接收對(duì)PTP或PTM-G數(shù)據(jù)的尋呼。這時(shí)移動(dòng)臺(tái)可以通過(guò)激活PDP上下文轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)。
READY狀態(tài)：當(dāng)移動(dòng)臺(tái)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的分組傳輸正在進(jìn)行中或剛剛結(jié)束時(shí)，移動(dòng)臺(tái)就處于就緒狀態(tài)。在就緒狀態(tài)下移動(dòng)臺(tái)可接收PTM和PTP數(shù)據(jù)。SGSN可隨時(shí)向移動(dòng)臺(tái)直接傳送數(shù)據(jù)，不必先呼叫，移動(dòng)臺(tái)也可隨時(shí)向SGSN傳送數(shù)據(jù)。SGSN對(duì)MS的移動(dòng)性管理在具體小區(qū)的層次上。
5、基于GSM-R的GPRS網(wǎng)絡(luò)測(cè)試指標(biāo)
從整個(gè)鐵路通信來(lái)看，可以分為安全的數(shù)據(jù)傳輸通道和非安全的數(shù)據(jù)傳輸通道。GPRS屬于非安全的數(shù)據(jù)傳輸通道，但使用GPRS的各種鐵路應(yīng)用也存在著不同的需求。GPRS在鐵路上的應(yīng)用種類(lèi)繁多，用途不同，對(duì)鐵路生產(chǎn)的重要性不同，因此所要求的QoS也各不相同。
5.1 鐵路GPRS應(yīng)用的優(yōu)先級(jí)需求
在鐵路所有的GPRS應(yīng)用中可以分為兩大類(lèi)：列車(chē)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸和列車(chē)服務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸。前一類(lèi)主要以鐵路行車(chē)調(diào)度信息為主，包括無(wú)線車(chē)次號(hào)和監(jiān)控信息傳送、調(diào)度命令、列尾信息以及編組站列檢商檢信息的傳送；另一類(lèi)包括，旅客列車(chē)車(chē)地信息交互、鐵路公安相關(guān)信息傳送等。
兩大類(lèi)信息的傳送的優(yōu)先級(jí)不同，由于GSM-R首先要保證鐵路生產(chǎn)的安全可靠有效運(yùn)行，因此列車(chē)相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)要高于列車(chē)服務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)在這兩大類(lèi)應(yīng)用中每一種具體應(yīng)用的優(yōu)先級(jí)也存在差異。如表1所示。
5.2 鐵路GPRS應(yīng)用的時(shí)延需求
由于鐵路生產(chǎn)中GPRS的應(yīng)用同普通的公網(wǎng)中的GPRS用戶存在著本質(zhì)的差別，因此在鐵路中的各種應(yīng)用，尤其是列車(chē)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸需要盡量小的數(shù)據(jù)傳送的時(shí)延。同時(shí)，在鐵路中的不同應(yīng)用對(duì)時(shí)延的要求有著相對(duì)不同的要求。如表2所示。
5.3 鐵路GPRS應(yīng)用的可靠性需求
鐵路中的GPRS應(yīng)用大部分直接為鐵路生產(chǎn)運(yùn)輸服務(wù)，因此對(duì)于信息傳送的可靠性要求相對(duì)較高，在信息傳送中的錯(cuò)誤比特將有可能直接影響到鐵路運(yùn)輸安全。根據(jù)鐵路GPRS應(yīng)用的實(shí)際情況可以按表3進(jìn)行簡(jiǎn)單分類(lèi)。
5.4 鐵路GPRS應(yīng)用的吞吐量需求
鐵路中的GPRS應(yīng)用特點(diǎn)在于其應(yīng)用相對(duì)固定，而且業(yè)務(wù)量相對(duì)固定。對(duì)吞吐量影響最大的是在進(jìn)行分組數(shù)據(jù)傳輸時(shí)所分配的時(shí)隙，在鐵路中多數(shù)應(yīng)用其傳輸字節(jié)較少，對(duì)吞吐量的要求主要集中在峰值吞吐量的要求上。各GPRS應(yīng)用所需傳送信息字節(jié)數(shù)如表4所示。
6、基于GSM-R的GPRS網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試
6.1 技術(shù)要求
GPRS以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為核心，所以這就要了解數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的協(xié)議、應(yīng)用和技術(shù)特點(diǎn)。另一方面GPRS信令復(fù)雜，需要通過(guò)對(duì)信令進(jìn)行監(jiān)視、分析。要測(cè)試GPRS的網(wǎng)絡(luò)性能要對(duì)測(cè)試儀表和相關(guān)軟件提出很高的要求。
6.2 PING數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的測(cè)試
GPRS在編碼方案為CS1，且有一個(gè)PDTCH時(shí)，使用PING指令進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)到網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測(cè)試，測(cè)試的時(shí)間是往返程的時(shí)延，指令如下：
Ping-I 128-n 50-W 5000
Ping-I 256-n 50-W 5000
Ping-I 512-n 50-W 5000
Ping-I 1024-n 50-W 5000
同理對(duì)編碼方案為CS1，且有2個(gè)PDTCH時(shí)，使用PING指令進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)到網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測(cè)試，測(cè)試的時(shí)間是往返程的時(shí)延，測(cè)試結(jié)果如表5所示。
由此可見(jiàn)隨著分組數(shù)據(jù)包大小的增加在相同信道的情況下傳輸時(shí)延也是隨之增加的；隨著信道數(shù)的增加，在相同大小的數(shù)據(jù)包的情況下，信道數(shù)越多傳輸時(shí)延越小。
6.3 優(yōu)先等級(jí)的測(cè)試實(shí)現(xiàn)
在鐵路應(yīng)用中不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)是有著根本不同的。因此，在GPRS網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建PDP場(chǎng)景時(shí)需要申請(qǐng)不同的優(yōu)先級(jí)。在GPRS中，用戶可申請(qǐng)的優(yōu)先級(jí)分為3種即高優(yōu)先級(jí)、正常優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)。
分別為兩移動(dòng)臺(tái)申請(qǐng)高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)在同一基站下對(duì)Gi接口裝有UDP測(cè)試軟件的主機(jī)對(duì)進(jìn)行時(shí)延測(cè)試。測(cè)試環(huán)境如圖3所示。
測(cè)試UDP包大小為1 024字節(jié)，測(cè)試50次，超時(shí)時(shí)間設(shè)置為4 000 ms，進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延測(cè)試。網(wǎng)絡(luò)設(shè)定一個(gè)靜態(tài)PDTCH信道，采用CS-2編碼方式，測(cè)試處場(chǎng)強(qiáng)大于-60 dBm。這樣兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)在同一個(gè)小區(qū)內(nèi)的一個(gè)PDTCH信道上進(jìn)行爭(zhēng)搶?zhuān)?顯示了兩移動(dòng)臺(tái)分別在申請(qǐng)了不同優(yōu)先等級(jí)情況下時(shí)延測(cè)試中的差別。
從以上數(shù)據(jù)可以看出不同優(yōu)先級(jí)的移動(dòng)臺(tái)在爭(zhēng)搶資源時(shí)的差異，高優(yōu)先級(jí)用戶傳輸時(shí)延和丟包率的性能都要高于低優(yōu)先級(jí)用戶。因此可以根據(jù)不同的鐵路GPRS應(yīng)用，為移動(dòng)臺(tái)提供不同的優(yōu)先級(jí)等級(jí)。
當(dāng)然，目前GPRS并不能滿足所有的鐵路應(yīng)用對(duì)優(yōu)先級(jí)等級(jí)分類(lèi)的需求，但至少能夠在功能上提供不同優(yōu)先級(jí)的服務(wù)。
這些測(cè)試都是在實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)、無(wú)干擾的靜止環(huán)境進(jìn)行的，在實(shí)際的測(cè)試環(huán)境中這兩種傳輸時(shí)延和丟包率應(yīng)該要大一些。
7、結(jié)束語(yǔ)
無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用正在迅速發(fā)展，GPRS是目前實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的最佳承載方式。
基于GSM-R的GPRS網(wǎng)絡(luò)性能還不是很好，還要對(duì)其性能的進(jìn)行更深入的測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。因此基于GSM-R的GPRS網(wǎng)絡(luò)性能的測(cè)試工作還是需要進(jìn)一步地加強(qiáng)。
參考文獻(xiàn)
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