利用GSM-R USSD技術(shù)承載鐵路行車業(yè)務(wù)信息的研究

■ 王巍巍 費(fèi)冬

GSM-R是鐵路專用移動(dòng)通信系統(tǒng)，為鐵路安全、高速、提速、信息化、重載及運(yùn)營(yíng)管理提供必要的移動(dòng)通信手段和傳輸通道。目前調(diào)度命令信息、列車尾部安全防護(hù)裝置信息、列車無線車次號(hào)校核信息（含列車啟動(dòng)和停穩(wěn)信息）等鐵路行車業(yè)務(wù)信息都通過通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）來承載。在高速運(yùn)行狀態(tài)下，GPRS存在附著和分組數(shù)據(jù)協(xié)議（PDP）激活成功率、分組交換技術(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和丟包問題，需要在工程中不斷優(yōu)化。從現(xiàn)有GSM/GSM-R網(wǎng)絡(luò)支持的數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)角度，介紹非結(jié)構(gòu)化補(bǔ)充數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（USSD）技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，探討、分析利用USSD技術(shù)來承載鐵路行車業(yè)務(wù)信息的可行性，以及GSM-R網(wǎng)絡(luò)引入U(xiǎn)SSD技術(shù)可能產(chǎn)生的影響。

1 USSD技術(shù)

1.1 USSD業(yè)務(wù)概述

U S S D（U n s t r u c t u r e d Supp lem entary Service Data），是一種基于GSM/GSM-R網(wǎng)絡(luò)的交互式數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。它是在GSM/GSM-R的短消息系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)上推出的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

用戶用手機(jī)或其他終端編輯一些網(wǎng)絡(luò)已預(yù)先制定的數(shù)字或符號(hào)，如*，#等，再按send（撥號(hào)鍵）向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一條指令，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)所發(fā)送的指令選擇用戶需要的服務(wù)提供給用戶。

GSM/GSM-R USSD是一種面向連接的業(yè)務(wù)，傳輸速率為1 kb/s，適用于實(shí)時(shí)、高可靠、頻繁傳送的低速數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)靈活的交互式業(yè)務(wù)模式。因此，特別適合鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中調(diào)度命令和車輛運(yùn)行狀態(tài)等短數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、可靠傳送。

1.2 USSD系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

USSD中心（USSDC）以標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)應(yīng)用部分（M AP）信令與公共陸地移動(dòng)網(wǎng)（PLM N）連接，支持非結(jié)構(gòu)化補(bǔ)充業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)相關(guān)的信令處理，完成 SS7信令接入與處理、USSD信令處理和調(diào)度，并為USSD應(yīng)用提供接入及處理功能（見圖1）。

USSDC通過SS7信令與歸屬位置寄存器（HLR），移動(dòng)交換中心（M SC）連接，占用一個(gè)信令點(diǎn)。其中，與HLR的連接主要用于向用戶提供歸屬網(wǎng)絡(luò)的USSD業(yè)務(wù)，與本地M SC的連接用于向用戶提供拜訪網(wǎng)絡(luò)的USSD業(yè)務(wù)。

移動(dòng)用戶可以通過不同的業(yè)務(wù)接入號(hào)碼來選擇使用歸屬網(wǎng)絡(luò)USSD服務(wù)或是拜訪網(wǎng)絡(luò)的USSD服務(wù)。歸屬網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)碼范圍為70～79及100～149，拜訪網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)碼范圍為150～199。

USSDC本身不能提供任何業(yè)務(wù)，因此所有的業(yè)務(wù)必須由外部應(yīng)用服務(wù)器來解決。對(duì)于USSDC連接的應(yīng)用可以直接和應(yīng)用服務(wù)器相連，提供基于USSD技術(shù)的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

圖1 USSD系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3 USSD業(yè)務(wù)信道占用情況

USSD在非通話狀態(tài)下一直占用獨(dú)立專用控制信道（SDCCH），傳輸速率約600 b/s；在通話狀態(tài)下，USSD使用快速隨路控制信道（FACCH），傳輸速率約1 000 b/s。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在非通話態(tài)和通話態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，USSD占用的信道也在SDCCH和FACCH之間隨之轉(zhuǎn)換。

1.4 數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)比較

幾種數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)比較見表1。

2 鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的USSD業(yè)務(wù)應(yīng)用需求

GSM-R系統(tǒng)為鐵路數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了數(shù)字無線通信平臺(tái)。目前鐵路數(shù)據(jù)應(yīng)用包括關(guān)鍵安全數(shù)據(jù)和非關(guān)鍵安全數(shù)據(jù)。安全數(shù)據(jù)采用電路數(shù)據(jù)方式，其應(yīng)用特點(diǎn)是要求占用專用數(shù)據(jù)鏈路、時(shí)延短、數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸、在一定時(shí)間內(nèi)不允許鏈路中斷，但對(duì)于鏈路帶寬要求不高，典型應(yīng)用是列車控制信息、多機(jī)車同步操控信息的傳輸。由于GSM-R頻率資源有限，非關(guān)鍵安全數(shù)據(jù)多采用GPRS方式承載，這類數(shù)據(jù)包括調(diào)度命令信息、列車尾部安全防護(hù)裝置信息、列車無線車次號(hào)校核信息（含列車啟動(dòng)和停穩(wěn)信息）等鐵路行車業(yè)務(wù)信息。

2.1 鐵路行車業(yè)務(wù)信息分析

2.1.1 調(diào)度命令信息

調(diào)度命令信息包含調(diào)度命令、行車憑證、調(diào)車作業(yè)通知單、調(diào)車請(qǐng)求、列車進(jìn)路預(yù)告等信息。調(diào)度員在列車調(diào)度臺(tái)上發(fā)送的調(diào)度命令信息包括調(diào)度命令、行車憑證、調(diào)車作業(yè)通知單；車站值班員在終端上發(fā)送的調(diào)度命令信息包括行車憑證、調(diào)車作業(yè)通知單；列車進(jìn)路預(yù)告信息由CTC/TDCS自動(dòng)生成；調(diào)車請(qǐng)求信息由司機(jī)按調(diào)車請(qǐng)求鍵發(fā)送。

表1 幾種數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)比較

在調(diào)度命令傳送過程中，調(diào)度命令單包數(shù)據(jù)量不超過648 B，最多不超過2包；調(diào)度命令自動(dòng)確認(rèn)和簽收單次數(shù)據(jù)量不超過48 B。

2.1.2 列尾安全防護(hù)裝置信息

列尾安全防護(hù)裝置信息包括CIR向列尾主機(jī)發(fā)送的人工風(fēng)壓查詢和排風(fēng)制動(dòng)命令，列尾主機(jī)向機(jī)車綜合通信平臺(tái)（CIR）發(fā)送的電池電量不足報(bào)警、列車管風(fēng)壓低于設(shè)定值自動(dòng)報(bào)警和定時(shí)發(fā)送風(fēng)壓信息。

列尾數(shù)據(jù)的傳送屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，每次會(huì)話過程，包括信息傳送和確認(rèn)，數(shù)據(jù)量不超過58 B，具有傳輸數(shù)據(jù)量小、發(fā)送頻繁的特點(diǎn)。

2.1.3 車次號(hào)校核信息

車次號(hào)校核信息包括列車車次號(hào)、機(jī)車號(hào)、位置、運(yùn)行速度、列車啟動(dòng)和停穩(wěn)等信息。車次號(hào)傳輸與列車停穩(wěn)信息對(duì)鐵路運(yùn)輸管理和行車安全具有重要的意義，通過GPRS傳輸車次號(hào)和列車停穩(wěn)信息時(shí)， GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)應(yīng)采用采用高優(yōu)先級(jí)、延時(shí)小等參數(shù)設(shè)置，來滿足全線數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)、正確、可靠。

在車次號(hào)傳輸、列車停穩(wěn)信息、測(cè)試幀數(shù)據(jù)傳送過程中，單次傳輸數(shù)據(jù)量大約160 B。

2.2 利用USSD傳送鐵路行車業(yè)務(wù)信息

USSD具有面向連接、實(shí)時(shí)性好、交互性好等特點(diǎn)，因此適合開展實(shí)時(shí)、高可靠、頻繁傳送的低速數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)。針對(duì)鐵路行車業(yè)務(wù)信息的傳送，USSD技術(shù)具有一定的適應(yīng)性（表2）。

3 基于USSD業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)調(diào)度命令傳送業(yè)務(wù)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

USSD系統(tǒng)由USSD信令網(wǎng)關(guān)、USSD處理服務(wù)器、USSD應(yīng)用接口網(wǎng)關(guān)和管理終端組成（見圖2）。

其中，U S S D信令網(wǎng)關(guān)完成GSM-R網(wǎng)絡(luò)USSD的信令接入與協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)鏈路M TP層控制，完成USSD信令信息的解析和合成；實(shí)現(xiàn)SCCP的路由控制和七號(hào)信令各層的定時(shí)器控制，完成PCM 2M鏈路的HDLC編碼；USSD處理服務(wù)器負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)部USSD會(huì)話狀態(tài)控制，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置，對(duì)會(huì)話進(jìn)行定時(shí)控制。USSD處理服務(wù)器完成M AP協(xié)議中USSD信令到應(yīng)用接口網(wǎng)關(guān)間的接口轉(zhuǎn)換，同時(shí)保持SCCP連接，保持應(yīng)用接口網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)連接，會(huì)話完成，釋放連接；USSD應(yīng)用接口網(wǎng)關(guān)完成應(yīng)用服務(wù)器帳戶管理，負(fù)責(zé)USSD系統(tǒng)和應(yīng)用服務(wù)器間的交互。

3.2 業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)流程

USSD承載調(diào)度命令信息的發(fā)送過程見圖3。

（1）調(diào)度員、車站值班員編輯調(diào)度命令信息，按下調(diào)度命令信息發(fā)送按鍵，CTC/TDCS發(fā)送調(diào)度命令信息給USSD系統(tǒng)。

（2）USSD系統(tǒng)接收到CTC/TDCS發(fā)送的調(diào)度命令信息后，在本地存儲(chǔ)，同時(shí)根據(jù)C IR（機(jī)車綜合無線通信設(shè)備）的M SISDN號(hào)碼，向HLR/VLR/M SC發(fā)起USSD業(yè)務(wù)請(qǐng)求。

（3）由CIR當(dāng)前所注冊(cè)的M SC向CIR發(fā)起USSD業(yè)務(wù)請(qǐng)求。

（4）USSD業(yè)務(wù)確認(rèn)：CIR→所屬M(fèi)SC→ HLR/VLR/MSC→USSD系統(tǒng)。

（5）建立會(huì)話：USSD系統(tǒng)→HLR/VLR/MSC→所屬M(fèi)SC→CIR。

（6）調(diào)度命令發(fā)送USSD系統(tǒng)→H LR/VLR/M SC→所屬M(fèi) SC→CIR。

（7）命令接收確認(rèn)：CIR→所屬M(fèi) SC→HLR/VLR/M SC→USSD系統(tǒng)，最后一包數(shù)據(jù)接收確認(rèn)后，USSD系統(tǒng)向CTC/TDCS發(fā)送調(diào)度命令接收確認(rèn)。

（8）USSD會(huì)話結(jié)束與確認(rèn)：USSD系統(tǒng) HLR/VLR/M SC 所屬M(fèi)SC CIR。

4 引入U(xiǎn)SSD業(yè)務(wù)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的影響

4.1 典型GSM-R業(yè)務(wù)模型

典型鐵路GSM-R（含列控）業(yè)務(wù)模型見表3。

不同業(yè)務(wù)區(qū)域業(yè)務(wù)信道與控制信道配置見表4。

表2 USSD技術(shù)承載鐵路行車業(yè)務(wù)信息的適應(yīng)性

圖2 GSM-R USSD應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯圖

圖3 USSD承載調(diào)度命令流程

調(diào)度數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要是CTC/TDCS與列車間的傳送，按列車時(shí)速300 km/h、列車追蹤間隔3 m in計(jì)算，則列車最小間隔距離為15 km，雙線鐵路一個(gè)區(qū)間基站覆蓋范圍內(nèi)最多有兩列通過列車。考慮車站的停靠列車，不同業(yè)務(wù)區(qū)域內(nèi)基站覆蓋范圍內(nèi)的列車數(shù)量見表5。

4.2 USSD對(duì)基站信道的負(fù)荷

USSD對(duì)基站子系統(tǒng)（BSS）側(cè)的影響主要體現(xiàn)在無線信道資源的占用上。由于USSD在通話狀態(tài)下和非通話狀態(tài)下分別占用不同的信道，因此需要就這兩種狀態(tài)下對(duì)BSS的影響分別加以估計(jì)。

4.2.1 通話狀態(tài)

USSD在通話狀態(tài)下占用FACCH并以偷幀的方式傳輸信令，由于FACCH實(shí)際是已分配給移動(dòng)臺(tái)的業(yè)務(wù)信道（TCH）的一部分，所以此時(shí)USSD業(yè)務(wù)并不額外占用資源，而只是對(duì)手機(jī)用戶本人的通話質(zhì)量略有影響，而不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上其他用戶造成任何影響。

4.2.2 非通話狀態(tài)

非通話狀態(tài)下，U S S D占用SDCCH，即獨(dú)立專用控制信道。通常一個(gè)物理信道可設(shè)置8個(gè)邏輯信道SDCCH和8個(gè)SACCH。基本的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)SDCCH的占用主要包括建立語音呼叫、短消息傳送、呼叫前轉(zhuǎn)、位置更新等。

根據(jù)《鐵路GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》（鐵建設(shè)［2007］92號(hào)），調(diào)度數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，包括調(diào)度命令傳送、尾部風(fēng)壓信息傳送、無線車次號(hào)傳送等業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)流量為104.96 kb/h/列車計(jì)取。

對(duì)于不同業(yè)務(wù)區(qū)域下，SDCCH信道配置所支持的數(shù)據(jù)量及帶寬占用情況見表6。

由此可見，調(diào)度數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)包括調(diào)度命令傳送、尾部風(fēng)壓信息傳送、無線車次號(hào)傳送等業(yè)務(wù)，通過USSD傳送，對(duì)SDCCH信道造成的負(fù)荷是相當(dāng)小的。同時(shí)，根據(jù)公網(wǎng)對(duì)引入U(xiǎn)SSD業(yè)務(wù)后，對(duì)SDCCH信道負(fù)荷的測(cè)算，大約是比業(yè)務(wù)開通前增加7％左右，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)最高負(fù)荷。

如果考慮USSD話務(wù)高峰及個(gè)別SDCCH話務(wù)量較高的小區(qū)，可以考慮適當(dāng)增加SDCCH的數(shù)目。

表3 典型鐵路GSM-R（含列控）業(yè)務(wù)模型

表4 不同業(yè)務(wù)區(qū)域業(yè)務(wù)信道與控制信道配置

表5 不同業(yè)務(wù)區(qū)域內(nèi)基站覆蓋范圍內(nèi)每小區(qū)的列車數(shù)量 列

表6 SDCCH信道配置所支持的數(shù)據(jù)量及帶寬占用情況

5 結(jié)束語

經(jīng)過幾年高速鐵路規(guī)模建設(shè)和高速發(fā)展，我國(guó)初步形成了覆蓋全國(guó)18個(gè)鐵路局（公司）的GSM-R核心網(wǎng)絡(luò)，可以提供GSM標(biāo)準(zhǔn)中定義的基本承載業(yè)務(wù)、終端業(yè)務(wù)和補(bǔ)充業(yè)務(wù)等基本電信業(yè)務(wù)，增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)與強(qiáng)拆（eM LPP）、語音組呼業(yè)務(wù)（VGCS）和語音廣播業(yè)務(wù)（VBS）等高級(jí)語音呼叫業(yè)務(wù)，功能尋址、功能號(hào)注冊(cè)、注銷和基于位置尋址等鐵路特殊業(yè)務(wù)，并為調(diào)度通信、列車自動(dòng)控制提供承載平臺(tái)。作為鐵路專用移動(dòng)通信承載網(wǎng)，在GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和完善過程中，應(yīng)充分考慮通過GSM/GSM-R網(wǎng)絡(luò)支持的各種技術(shù)，滿足不斷增長(zhǎng)和發(fā)展高速重載鐵路客貨運(yùn)輸、公務(wù)通信及物流管理等業(yè)務(wù)的需求。USSD技術(shù)作為GSM/GSM-R網(wǎng)絡(luò)支持的基礎(chǔ)技術(shù)，具有面向連接、實(shí)時(shí)性好、交互性好等特點(diǎn)，對(duì)于傳送調(diào)度命令信息、車次號(hào)校核信息等要求實(shí)時(shí)、高可靠、頻繁傳送的低速數(shù)據(jù)值得探討和嘗試。

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