鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)承載C3+ATO業(yè)務簡析

趙軍武

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)通過在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中增加SGSN和GGSN兩個業(yè)務節(jié)點，從而實現(xiàn)用戶在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)采用分組交換技術(shù)，高效傳輸信令和數(shù)據(jù)，優(yōu)化無線資源和網(wǎng)絡(luò)資源的利用，鐵路GPRS采用鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)作為承載網(wǎng)絡(luò)。目前鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)已實現(xiàn)無線車次號校核、調(diào)度命令傳輸?shù)辱F路數(shù)據(jù)業(yè)務的無線接入，隨著C3+ATO列控技術(shù)的出現(xiàn)，利用鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)承載C3+ATO業(yè)務的需求已經(jīng)提上日程，本文對此進行了一定范圍的分析研究。

2 鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)由GPRS核心層及GPRS無線接入層組成。GGSN、SGSN通過鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)互聯(lián)，構(gòu)成鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)的核心層，其中GGSN是GPRS網(wǎng)絡(luò)與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的接口，目前鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)部署完成北京、武漢、上海等18個核心層節(jié)點。PCU與基站子系統(tǒng)（Base Station Sub-system）的基站控制器（BSC）合設(shè)，通過BSS的空中接口（Um）與GPRS終端通信，構(gòu)成鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線接入層。

圖1 鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Railway GPRS network structure

隨著鐵路運輸業(yè)務的發(fā)展，運輸生產(chǎn)對鐵路移動通信提出越來越多的需求，鐵路行車調(diào)度信息類、安全監(jiān)控類、運營維護管理類信息傳送均通過鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)承載。目前鐵路GPRS系統(tǒng)承載的應用業(yè)務如表1所示。

鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)提供無線數(shù)據(jù)傳輸通道，可以保證用戶始終在線，不需等待撥號過程，而且可以在某段時間內(nèi)為一個用戶綁定多個信道，或者多個用戶共享同一信道，從而有效地利用無線信道資源。根據(jù)鐵路發(fā)展的需要，一些新的列車控制方式和列控運行輔助手段的出現(xiàn)，對鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)提出新的業(yè)務需求，如C3+ATO系統(tǒng)、列車追蹤預警系統(tǒng)等。歐洲已經(jīng)對利用GPRS網(wǎng)絡(luò)承載ETCS 2級列控系統(tǒng)車地安全數(shù)據(jù)傳送開展了相關(guān)試驗。

3 鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)承載C3+ATO業(yè)務的可行性

在歐洲鐵路運輸管理系統(tǒng)（ERTMS）用戶組的領(lǐng)導下，UIC在“利用分組域進行ETCS數(shù)據(jù)傳送”技術(shù)方案可行性研究的技術(shù)框架下，開展利用GPRS進行ETCS數(shù)據(jù)傳送的可行性研究測試。同時，國內(nèi)某交通大學GSM-R實驗室，也根據(jù)中國鐵路實際情況做出模擬試驗與UIC進行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)UIC試驗方案和實驗數(shù)據(jù)可以很好的為中國鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)應用提供支持。具體結(jié)果如下。

表1 鐵路GPRS系統(tǒng)承載的鐵路應用業(yè)務Tab.1 Railway application business carried by Railway GPRS system

3.1 端到端傳輸時延分布

在UDP傳送機制下進行端到端測試時，假定未能成功接收時間（差錯時限）為2 s或4 s。丟幀情況統(tǒng)計如表2所示。

表2 丟幀情況統(tǒng)計Tab.2 Frame loss statistics

測試總共發(fā)送12 877幀，下行（DL）情況如下。

1）如果以2 s為差錯時限，277幀（2.15%）接收失敗（200幀丟失，77幀晚到）。

2）如果以4 s為差錯時限，234幀（1.82%）接收失敗（200幀丟失，34幀晚到）。

上行（UL）情況如下。

1）如果以2 s為差錯時限，59幀（0.44%）接收失敗（4幀丟失，55幀晚到）。

2）如果以4 s為差錯時限，25幀（0.22%）接收失敗（0幀丟失，25幀晚到）。

圖2 GPRS上行數(shù)據(jù)業(yè)務測試時延分布Fig.2 Testing delay distribution of GPRS uplink data traffic

上行測試結(jié)果分布如圖2所示。時延集中在500 ms附近，大部分小于600 ms，少量長達10 s。

歐陽修致力于收集古金石拓本，積至千卷，又將其為拓本所作題跋匯集，編為《集古錄》(亦稱《集古錄跋尾》)一書，其子歐陽棐又編次其目，成《集古錄目》。從內(nèi)容上講，這兩本書顯然各有不同，一則近于文章評論與史學考證，一則為專門目錄；但從文獻形態(tài)而言，二者皆以書籍的面目出現(xiàn)并傳世。對朱熹來說，這些“古金石”的吸引力不僅來自其作為古物的一面，更是來自其作為文本或文獻的一面，他更看重的是其“古金石文字”的屬性。他將歐、趙二書進行比較，指出《金石錄》“銓序益條理，考證益精博”，也著眼于其書籍與文獻的屬性，而無關(guān)于古物的收藏。從這一段話中也可以看出，在朱子看來，金石學與書籍及文獻都有密切的關(guān)系。

這種端到端的時延分布對成功的ETCS移動授權(quán)（Movement Authority，MA）傳送是有利的。試驗結(jié)果簡單概括為，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)進行MA傳送具有非常高的成功率，正常的數(shù)據(jù)傳送時延在500 ms左右，在可以預測的小區(qū)重選位置附近為2 s。

3.2 丟失幀統(tǒng)計

通常小區(qū)重選持續(xù)達2 s，一定數(shù)量的小區(qū)重選時間更長（達到9 s），在UIC測試中的12 877次小區(qū)重選中有77次。所有的長數(shù)據(jù)傳送時延和丟包都與小區(qū)重選有一定的關(guān)系。

上行QoS比下行好，所有丟失幀均與小區(qū)重選有關(guān)聯(lián)，大部分出現(xiàn)在下行鏈路中，在157次小區(qū)重選（第1、3天）中，對于下行而言，56（36%）次沒有丟失，16（10%）次丟失1幀，79（50%）次丟2幀，5（3%）次丟3幀，1（＜1%）次丟8幀；對于上行而言，總共141次小區(qū)重選中，137（97%）次沒有丟失，4（3%）次丟失1幀。跨BSC的小區(qū)重選影響最大。上行的差異主要是，終端在進行小區(qū)重選時，可以主動停止上行數(shù)據(jù)發(fā)送。

小區(qū)重選對QoS的影響遠遠超過切換，而且小區(qū)重選比切換慢得多，小區(qū)重選還是由終端主導的過程，小區(qū)重選所需重疊覆蓋距離比切換長。通過對常規(guī)的小區(qū)重選的適應性調(diào)整可以使端到端的時延接近Subset 093的目標。

3.3 發(fā)送間隔影響

不同的終端在不同的發(fā)送間隔（1、2、4 s）時，傳輸時延不同。在T3192定時器設(shè)置為1.5 s時，采用幀間隔小于UNSIG短幀（4 s）模型，當發(fā)幀間隔大于2 s時，端到端首包延時明顯。通過參數(shù)設(shè)置優(yōu)化，可以減少時延變動。上下行時延分別如圖3、4所示。

3.4 無線覆蓋的影響

圖4 GPRS網(wǎng)絡(luò)下行數(shù)據(jù)業(yè)務發(fā)幀間隔與傳輸時延Fig.4 Interval of sending frames and transmission delay of GPRS downlink data traffic

無線覆蓋也對GPRS的QoS有重大影響，覆蓋電平必須達到一定的水平，至少要達到電路域數(shù)據(jù)傳送的水平。無線參數(shù)設(shè)置對GPRS的性能也有很大影響，終端針對GPRS用于ETCS分組數(shù)據(jù)傳送進行優(yōu)化，明顯提升性能。

4 鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)承載ATO方案

基于實驗室中GPRS網(wǎng)絡(luò)試驗數(shù)據(jù)的測定，提出利用鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)承載C3+ATO列控系統(tǒng)車地數(shù)據(jù)的解決方案。

4.1 C3+ATO系統(tǒng)概述

4.2 C3+ATO系統(tǒng)對鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)指標要求

為滿足C3+ATO系統(tǒng)功能實現(xiàn)，提高ATO業(yè)務的可靠性和可用性，鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)應滿足表3、4的技術(shù)要求。

表3 GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延遲等級指標Tab.3 GPRS network data transmission delay level indicators

表4 GPRS網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置要求Tab.4 GPRS network parameter distribution requirements

4.3 鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)QOS技術(shù)指標

截止目前已有4.6萬km鐵路實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋，其延遲技術(shù)指標、數(shù)據(jù)傳輸平均吞吐量指標、數(shù)據(jù)傳輸峰值吞吐量指標滿足表5、6、7要求。

表5 鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延遲等級檢測標準Tab.5 Test standards of railway GPRS network data transmission delay level

表6 鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸平均吞吐量檢測標準Tab.6 Test standards of railway GPRS network data transmission average throughout

表7 鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸峰值吞吐量檢測標準Tab.7 Test standards of railway GPRS network data transmission peak value throughout

4.4 鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)承載C3+ATO系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

高速鐵路C3+ATO系統(tǒng)可以采用鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)作為車地數(shù)據(jù)傳輸平臺，其系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4.5 鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)與C3+ATO系統(tǒng)地面設(shè)備互聯(lián)

鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)承載C3+ATO業(yè)務整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，C3+ATO系統(tǒng)基于鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)承載，鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口設(shè)備為GGSN，C3+ATO系統(tǒng)側(cè)接口設(shè)備為TSRS。GGSN和TSRS之間采用專用數(shù)據(jù)網(wǎng)連接。

4.6 鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)配置

基于ATO系統(tǒng)需求，為減少數(shù)據(jù)傳輸時延及丟包，GPRS系統(tǒng)需進行以下參數(shù)配置。

1）RLC協(xié)議層的工作在有確認模式，LLC協(xié)議層工作在無確認模式。

2）用于C3+ATO的APN建議為：ato.mnc020.mcc460.gprs。

3）HLR中設(shè)置禁止針對C3+ATO用戶的以下4種業(yè)務：

a.VGCS和VBS；

b.話音呼入及其相關(guān)補充業(yè)務；

c.CSD業(yè)務；

d.短消息業(yè)務。

4）通過配置GPRS網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，提高ATO業(yè)務的可靠性和可用性，需將C3+ATO業(yè)務表8進行配置。

表8 C3+ATO業(yè)務參數(shù)配置表Tab.8 C3+ATO business parameters conf guration table

圖5 鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)承載C3+ATO業(yè)務整體結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Overall structure of C3+ATO business carried by railway GPRS network

圖6 C3+ATO系統(tǒng)與GPRS網(wǎng)絡(luò)地面設(shè)備互聯(lián)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Interconnection structure diagram of C3+ATO system and GPRS network ground equipment

5）每個TSRS設(shè)備（A、B系兩套服務器）需要配置3個IP地址，其中1個邏輯IP，2個物理IP，3個IP地址需要在一個子網(wǎng)內(nèi)；車載設(shè)備的MT模塊采用動態(tài)分配的IP地址，每次PDP激活后獲得，并且在PDP場景有效期內(nèi)保持不變。

6）在進行車載SIM卡數(shù)據(jù)制作時，參照數(shù)據(jù)類用戶（CIR數(shù)據(jù)）的制作要求，同時在SIM卡中禁止VGCS和VBS業(yè)務。

5 結(jié)束語

本文介紹了鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和應用業(yè)務，對鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵參數(shù)進行研究，并通過相關(guān)試驗數(shù)據(jù)分析，提出利用鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)承載C3+ATO業(yè)務的可能。同時根據(jù)C3+ATO的業(yè)務需求，提出鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)承載C3+ATO業(yè)務整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，及系統(tǒng)互聯(lián)方案和鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)配置調(diào)整建議，可為相關(guān)工程提供借鑒。