GSM_R/GPRS技术在铁路通信中的应用

admin

本文摘自《上海铁道科技》2012年02期。【作者】 韩海光；

【机构】 上海铁路局上海铁路电务实业有限公司；

【摘要】 GSM-R是一种专门为铁路设计的专业无线数字通信系统。通过对GSM-R的子系统GPRS的系统结构、相关设备和相关接口的介绍,以铁路行车系统有关业务流程为例,阐述该技术在铁路通信中的应用,证明其适用于铁路列车与地面间的通信。

【关键词】 GSM-R/GPRS； 铁路通信； 业务运用

1引言

1.1 GPRS系统现状

GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线业务）是在现有的GSM移动通信系统基础上发展起来的一种移动分组数据业务。GPRS通过在GSM数字移动通信网络中引人分组交换的功能实体，以完成用分组方式进行数据传输。GPRS系统可以看作是在原有GSM电路交换系统的基础上进行的业务扩充，以满足移动用户利用分组数据移动终端接人Internet或其它分组数据的网络需求。

以GSM、CDMA为主的数字蜂窝移动通信和以Internet为主的分组数据通信是目前信息领域增长最为迅猛的两大产业，正呈现出相互融合的趋势。GPRS可以看作是移动通信和分组数据通信融合的第一步。移动通信在目前的话音业务继续保持发展的同时，对IP和高速数据业务的支持已经成为第二代移动通信系统演进的主要方向。GPRS包含丰富的数据业务,如TP点对点数据业务，PTM-M点对多点广播数据业务、PTM-G点对多点群呼数据业务、IP-M广播业务=这些业务已具备了一定的调度功能，再加上GSM-phase2+中定义的话音广播及话音组呼业务,GPRS也能完成一些调度功能。

1.2 GPRS系统特点

GPRS(通用分组无线业务)使得用户能够在端到端分组传输模式下发送和接收数据。在GPRS中定义了两类承载业务:点对点(PTP)和点对多点(PTM)。以GPRS承载业务支持的标准网络协议为基础,GPRS网络营运者可以支持或提供给用户各种电信业务。GPRS提供应用业务的特点：

(1)适用不连续的非周期性(突发)数据传送，突发出现的时间间隔远大于突发数据的平均传输时延；

(2)适用小于500字节小数据量事务处理业务，允许每分钟出现几次,可以频繁传送；

(3)适用几千字节大数据量事务处理业务，允许每小时出现几次，可以频繁传送。

上述GPRS应用业务特点表明：GPRS非常适合突发数据应用业务，能高效利用信道资源，但对大数据量应用业务GPRS网络要加以限制。主要原因是：

(1)数据业务量较小。GPRS网络时依附于原有的GSM网络之上。但在目前,GSM网络还主要提供电话业务，电话用户密度高业务量大，而GPRS数据用户密度低。在一个小区内不可能有更多的信道用于GPRS业务。

(2)无线信道的数据速率较低。采用GPRS推荐的CS-1和CS-2信道编码方案时，数据速率仅为9.05kbit/s和13.4kbit/s(包括RLC块字头)。虽然CS-3和CS-4编码方案数据速率较高，为15.6kbit/s和21.4kbit/s(包括RLC块字头）,但它是通过减少和取消纠错比特换取数据速率的提高。因此CS-3和CS-4编码方案要求较高的C/I值，仅适合能满足较高的C/I值的特殊地区使用。

(3)当GPRS业务和GSM业务共享信道，采用动态分配信道方式时，电话有较高的优先级。可利用任何一个信道的两次通话间隙传送GPRS分组数据业务，如果某个信道用于GPRS业务，一个分组数据信道(PDCH)可以实现多个GPRSMS用户共享（即多个逻辑信道可以复用到一个物理信道），因此GPRS特别适用突发数据的应用，大大地提高了信道利用率。

2 铁路GPRS系统运用

2.1 GSM-R系统介绍

我国为适应铁路运输对通信业务需求量大、频率资源紧张等实际情况，在原GSM-R系统上引进了GPRS技术。

GSM-R系统包括移动交换子系统（SSS)、移动智能网(IN)子系统、通用分组无线业务(GPRS)子系统、无线子系统(BSS)、业务与运营支撑子系统(BOSS)和终端设备等六个部分。GSM-R系统结构如图1所示。（略）

2.2 GPRS相关设备介绍

GPRS是GSM-R系统中的一个子系统，通用分组无线业务(GPRS)子系统中有SGSN、GGSN、RADIUS、DNS、BG、CG等设备。无线子系统中PCU是无线子系统与通用分组无线业务子系统间的接口单元，而GRIS、GROS是铁路通用分组域应用系统与通用分组无线业务子系统间的集中接人单元，下面简单介绍下各设备的作用。

服务GPRS支持节点（SGSN):SGSN是GPRS骨干网的重要组成部份，是分组交换的核心部分，通过帧中继和PCU相连。功能类同于GSM系统的MSC/VLR功能，SGSN不仅处理分组交换中的信令传输，同时也进行数据包的处理和传送。面向MS执行移动性管理、安全管理、接入控制和路由选择功能。即记录当前活动在该SGSN区域内的移动数据用户的有关信息，如位置信息，可以对当前用户信息进行修改、删除等;负责数据用户的附着和去附着、位置更新、寻呼、鉴权、加密等；负责MS和SGSN之间逻辑链路的建立、维护和释放；负责路由的选择和信息的存储转发；产生原始计费数据。

网关GPRS支持节点（GGSN)：GGSN内部维护GPRS骨干网，外部提供GPRS网与铁路相关应用系统之间的接口，同时也可以连接多个数据网如Interact、企业网、X.25网等，是GPRS骨干网和外部数据网的网关，负责存储管辖范围内业务用户的路由信息，产生数据业务的原始计费数据。

域名服务器(DNS)NS负责对APN和SGSN、GGSN等网络节点以及MS的域名进行解析，确定各网络节点和终端设备相应的IP地址。

认证服务器(RADIUS):RADIUS负责存储用户的身份信息,并完成用户的认证和鉴权等功能。

分组控制单元(PCU)：PCU负责数据分组、信道访问控制功能、无线信道管理、错误发送检测和自动重发等。

2.3 GPRS相关接口介绍

下面简单介绍下GPRS各设备间信令，GPRS信令结构如图2所示。

(1) Um接口

GPRS MS与GPRS网络侧的接口，通过MS完成与网络侧的通信’完成分组数据传送、移动性管理、会话管理、无线资源管理等多方面的功能。

(2) Gb接口

Gb接口是SGSN和BSS间接口（Gb接口是SGSN和PCU之间的接口），通过该接口SGSN完成同BSS系统、MS之间的通信，以完成分组数据传送、移动性管理、会话管理方面的功能。该接口是GPRS组网的必选接口。在目前的GPRS标准协议中,指定Gb接口采用帧中继作为底层的传输协议,SGSN同BSS之间可以采用帧中继网进行通信，也可以采用点到点的帧中继连接进行通信。

(3) Gi接口

Gi接口是GPRS与外部分组数据网之间的接口。GPRS通过Gi接口和各种公众分组网如Internet或ISDN网实现互联，在Gi接口上需要进行协议的封装/解封装、地址转换(如私有网IP地址转换为公有网IP地址）、用户接人时的鉴权和认证等操作。

(4) Gn接口

Gn接口是GRPS支持节点间接口，即同一个PLMN内部SGSN间、SGSN和GGSN间接口，该接口采用在TCP/UDP协议之上承载GTP(GPRS隧道协议)的方式进行通信。

(5) Gs接口

Gs接口是SGSN与MSC/VLR之间接口，Gs接口采用7号信令上承载BSSAP+协议。SGSN通过GS接口和MSC配合完成对MS的移动性管理功能，包括联合的Attach/Detach、联合的路由区/位置区更新等操作。SGSN还将接收从MSC来的电路型寻呼信息,并通过PCU下发到MS。如果不提供Gs接口，则无法进行寻呼协调，网络只能工作在操作模式II或III，不利于提高系统接通率;如果不提供Gs接口，则无法进行联合位置路由取更新更新,不利于减轻系统信令负荷。

(6) Gr接口

Gr接口是SGSN与HLR之间接口，Gr接口采用7号信令上承载MAP+协议的方式。SGSN通过Gr接口从HLR取得关于MS的数据，HLR保存GPRS用户数据和路由信息，当发生SGSN间的路由区更新时，SGSN将会更新HLR中相应的位置信息；当HLR中数据有变动时，也将通知SGSN，SGSN会进行相关的处理。

3 铁路GPRS业务应用

GSM-R业务就是GSM提供的电信业务和铁路特有业务相结合。GSM-R系统承载的业务如图3所示。

铁路GSM-R业务分为安全数据业务、非安全数据业务。安全数据业务要求安全、可靠的数据传送，对数据传输实时性高,而非安全数据业务要求能兼顾频繁的大容量、小容量数据传输,非周期间断数据传输，对数据传输实时性要求不高。故GPRS上承载着GSM-R非安全数据业务，如调度命令、进路预告、大风监测、客车运行安全监控、移动售票、工务轨道动态监测等等。

3.1 GPRS业务运行流程

本节就针对铁路行车系统有关的业务的流程进行介绍。

3.2 CIR进路预告应用

机车在运行期间利用GSM-R系统与CTC服务器进行数据实时交互。将机车类型、机车号、运行公里标、运行速度、车站号、区段号(交路号）、司机号等等重要信息实时传送到调度所,让调度员能更精确的指挥行车。

现阶段车地交互信息有进路预告信息和车次号效核信息，地车交互信息有调度命令信息。下面重点介绍调度命令的运用。

机车上线后CIR自动进行PDP激活，然后调度员利用CTC中心向相应的机车号发送调度命令(进路预告和调度命令流程一致）,流程见图5。

(1)CTC中心向相应的机车号发送调度命令

(2)由上海GRIS向北京DNS获取相应机车的IP地址。

(3)GRIS将CTC中心的调度命令利用GSM-R网络转发给机车CIR。

(4)CIR收到调度命令后进行签收，同时利用GSM-R网络进行回复。

(5)GRIS受到机车CIR调度命令签收回复后,进行存储，同时转发给CTC。

4 展望

随着铁路信息化飞速发展，无线数据传输的内容及要求也随之提高。一方面，无线通信要满足列车运行、列车安全监控、诊断以及承载货物等信息实时传送的需求；另一方面，无线通信需达到铁路路网移动体(机车、车辆等)实时动态跟踪的要求;同时无线通信还需实现列车客票发售、货运计划、货车追踪、集装箱追踪、旅客移动信息服务等综合性服务的同步传送。GPRS技术会运用得更为广阔，逐步成为铁路列车与地面间的主要通信手段。