铁路专用移动通信网应用技术研究

么 亮

1 北京交通大学；2 北京铁路通信技术中心

铁路专用移动通信网应用技术研究

么 亮1.2

1 北京交通大学；2 北京铁路通信技术中心

本文介绍了利用铁路专用移动通信网承载铁路机车信号远程动态监测系统的组网结构、通信原理、技术特点。并对承载机车信号远程动态监测系统的GPRS网络进行了网络功能分析，提出了具体网络设置、维护方面的建议。

GSM-R；GPRS；机车信号远程动态监测系统；功能分析

随着铁路信息化建设的发展，信息技术将广泛应用于铁路生产经营的各项活动中，基于GSM技术的铁路专用移动通信系统（以下简称GSM-R）作为铁路信息化建设的一个基础通信网络，为推动铁路信息化建设的发展起到了关键性的作用，是我国铁路移动通信的发展方向。GSM-R作为专门为铁路通信系统设计的综合专用数字移动通信系统，可以在GSM-R网络中承载适合于铁路应用的各种通信业务，为铁路的安全生产，高效运输提供了通信保障。本文以GSM-R网络为基础，介绍了基于GSM-R的机车信号远程动态监测系统的技术应用，以及此系统在GSM-R网络维护中的几点注意事项。

1.铁路数字移动通信网络结构特点

铁路专业移动通信网络，为满足列车高速行驶的无线通信需求而建设，可作为机车信号远程动态监测系统的良好平台。

铁路数字移动通信网络的分组无线数据业务（GPRS）是在网络中增加服务GPRS支持节点（SGSN）和网关GPRS支持节点（GGSN），来实现无线数据传输功能，SGSN主要负责GPRS用户移动性管理、用户接入、分组数据转发。GGSN主要负责将用户数据转发到其他数据网上，实现与外部网络的互联。在网络中，对GPRS拨号接入过程作了优化处理，大大缩短了拨号时间，对于已经通过拨号验证的用户，可以实现“永远在线”。

铁路数字移动通信网络的核心网采用二级网络结构，设立移动业务大区汇接中心（TMSC）和本地业务端局（MSC），汇接中心和本地业务端局、小区基站（BTS）之间使用SDH光线环网连接。SDH环支持自愈环回功能，即如果两个SDH节点之间的光线被切断，传输业务可以在故障点进行环回，并且GSM-R基站采用环型组网，两种环形组网方式保证了信息传输不受影响，具有传输高可靠性，满足铁路应用的需求。BSS（基站子系统）到SGSN之间的数据采用帧中继方式传输。帧中继位于OSI（开放式系统互联）模型的第二层，即数据链路层。帧中继使用逻辑接连传送数据信息，并通过在一个物理连接上配置多个逻辑连接来实现带宽的复用和动态分配，使网络传输的操作过程大大简化，提高了网络信息处理效率，大大节省了交换机开销，曾加网络吞吐量，降低了传输时延。

综合上述GSM-R网络的技术特点，非常适用于铁路业务的应用，为机车信号远程动态监测系统提供了良好的承载方式。

2.机车远程动态监测系统结构和工作原理

2.1 系统结构

基于GSM-R的机车信号远程动态监测系统由远程监测车载终端（以下简称车载终端）和地面设备（远程监测客户端、远程监测数据服务器）两大部分构成，结构如图1所示。

机车上的车载终端采集机车信号设备的输出信息、工作状态、实时数据、轨道电路信号以及机车安全信息综合监测系统数据等，并将这些数据通过GSM-R网络的GPRS无线通道传入到GPRS核心网，SGSN（服务GPRS支持节点）完成分组数据的交换，GGSN（网关GPRS支持节点）通过有线方式（采用TCP/IP协议）与机车信号远程监测数据服务器相连，服务器通过有线网络（采用TCP/IP协议）可以和多个客户端相连，构成车地之间的数据传输通道，从而把机车信号的数据转发到远程监测客户端，由此设在地面上的远程监测客户端可以实时观察机车上信号机的运转状态，并进行与车载终端的交互，设置车载终端的相关参数以控制车载终端的工作。

图1 基于GSM-R的机车信号动态远程监测系统结构图

图2 基于GSM-R的机车信号动态远程监测系统工作原理图

2.2 工作原理

车载终端使用GPRS无线链路向地面服务端实时发送数据，当车载终端一上电，立即发起与GPRS无线链路的连接，连接建立后，车载终端再发起与地面服务器的连接。

连接建立过程

车载终端上电后自动请求连接，地面设备服务器处于侦听状态；地面设备服务器接到连接请求后，建立连接并向车载终端回示，完成链路建立。车载终端处于透明通道状态，按规则向地面设备服务器发送数据。

连接拆除业务

车载和地面设备通过心跳线确定机车是否在册。

断链后的再连接业务

链路因GSM-R场强未覆盖、干扰等原理造成中断后，自动再进行连接。车、地传输具有数据缓存功能和断线后快速恢复链接功能，有效地防止传输链路中断而带来的数据丢失，较好地保证数据的完整性。

综上所述，该系统采用客户/服务器（C/S）架构，通过GSM-R网络传输机车信号远程动态监测数据，实现了对机车信号设备状态的远程动态监测。为地面、车载设备故障分析以及事故分析提供及时的重要依据。

2.3 远程监测系统的监测种类和功能

①远程监测数据的种类包括：

机车信号设备输出信息、灯位、速度等级、绝缘节等；机车信号设备工作状态数据，主机状态、电源状况、信号制式、司机室温度、译码设置等；TAX2型机车安全信息综合监测系统数据信息，车次号、车站号、公里标、速度、机车号、信号机等。

②远程监测系统的监测功能：

监测界面：可以单车实时监测、多车实时监测、事件监测与告警等。

数据浏览和处理：历史数据查询、检索、回放、业务报表等。

设备管理：完成所有监测设备的设备管理，包括对车载监测设备的工作参数等进行设置。

表1 GPRS 的QOS等级定义规定

3.承载机车信号远程动态监测系统的GSM-R网络功能分析

3.1 GPRS数据流量分析

GPRS分组数据业务信道定义了4种编码方案，即CS1 至CS4。编码方案越高，吞吐量越高，纠错能力也就越弱，相应的对网络覆盖要求也就越高。选择哪种编码方案，最终还是由无线接口的质量决定。

目前普遍采用的CS1和CS2信道编码方案，能够满足同频道干扰C/I≥12 dB的要求，保证实现小区的100%和90%的GPRS覆盖，此时数据速率为9.05kbit/s和13.4kbit/s（包括RLC块字头）。原因是CS1和CS2编码方案的RLI（无线链路控制）块中的1/2和1/3比特资源用于前向纠错FEC。

CS1编码，数据速率9.05kbit/s，要求C/I达到9dB。

CS2编码，数据速率13.4kbit/s，要求C/I达到12dB。

假设每小区暂定1个固定GPRS业务信道、3个动态GPRS业务信道，其余为电路域业务信道。

则GPRS信道的下行传输速率理论值在13.4 kbit/s ×（1～4）=9.05 kbit/s.～53.6kbit/s.之间。

上行传输速率受移动终端的限制，只可捆绑一个上行时隙，所以上行传输速率在9.05kbit/s～13.4kbit/s之间。

基于GPRS功能的铁路业务主要包括：调度命令的传输、无线车次号的传输、进路预告和列车停稳信息的传输、列车尾部风压的传输、机车远程动态监测数据的传送，以上业务对GPRS信道的传输容量和速率提出了较高要求。由于机车动态远程监测系统的车载终端具有数据缓存功能，在无线链路中断，或传输资源紧张的情况下可以暂缓机车信号远程监测数据的传输，当无线链路重新建立时，车载终端再重新开始机车信号远程监测数据的传输，并不影响客户端对机车信号数据的监测。基于上述远程监测系统的传输特点，在实际运用中，为满足铁路GPRS安全数据的优先传输，可在核心网中进行GPRS的不同QOS优先等级的设置，使8W车载台GPRS模块的SIM卡优先等级高于机车信号远程监测系统的优先等级，这样在无线资源紧张或拥塞的情况下可以优先传送与列车行车安全相关的数据业务。GPRS服务质量中的优先等级定义如下表所示。

机车信号远程监测系统的客户监测终端可以用有线或无线方式接入信号远程监测服务器。有线方式通过以太网连接服务器和客户端，无线方式接入是在客户端（电脑）安装无线网卡，无线网卡用GSMR的SIM卡，这样客户端就可访问信号远程监测服务器，进行实时的信号设备远程监测。当服务器与客户端通过有线方式相连时，车载终端只需通过GPRS上行信道，把机车信号数据传输至GPRS核心网即可，核心网再把数据通过有线方式传至客户端。当服务器与客户端通过无线方式相连时，机车信号数据还需通过GPRS下行信道才能传送到客户端上，加大了GPRS下行信道的传输负荷，所以建议服务器与客户端通过有线方式相连，避免了GPRS下行信道资源紧张。

3.2 核心网网络安全分析

假设一台信号远程动态监测系统的车载终端每月的数据大小为40MB（320Mbit 1B（字节）=8bit），按此数据量计算，一台车载终端每天的数据流量在10Mbit左右，设某铁路线每天开行列车40列，则GPRS的数据流量在每天400Mbit左右,所以应确保GPRS核心网的处理能力在设计或后期扩容时满足准备使用机车信号远程动态监测系统的铁路的需要。

GPRS核心网的GGSN节点要通过有线网络连接远程动态监测系统的服务器，而服务器和客户端又通过以太网相连，为避免计算机病毒通过以太网传入到GPRS核心网，影响GSM-R网络的正常运行，应对客户端、服务器以及GGSN采取有效的防病毒措施。

4.基于GSM-R的机车信号远程动态监测系统的应用现状及GSM-R网络承载功能分析

4.1 机车信号远程动态监测系统的应用状况

此系统在大秦线目前属于试用阶段，从2007年5月开始在大同电务段管内试验6台机车上安装了远程监测车载终端，地面设备服务器安装在太原铁路局GSM-R网络中心机房（铁通代维护），地面设备客户段一台，安装在湖东机车信号检修所内。安装该系统后，使机车信号管理、维修人员，及时掌握机车沿途线路上机车信号地面发码情况。例如：2007年10月29日10点05分，在湖东机车信号检修工区，发现HX1D1008A机车在库内环线监测时异常，通过该系统分析，发现是环线发码设备故障，更换发码设备后，故障排除，避免了由于环线发码设备故障，影响机车库检，延误正常行车计划。

4.2.GSM-R承载功能的探讨

机车信号远程动态监测系统是基于GSM-R网络的无线资源传输的，按照目前GSM-R网络设计规划，无线覆盖和有线传输网络都可以保证信号数据连续传输，不会造成传输中断。但目前供GSMR可以使用的频点是19个，在GSM-R的GPRS无线信道传输机车信号远程动态监测系统的数据时，还要传输机车调度命令、进路预告等和行车安全调度有关的数据信心，对GPRS信道的传输容量设计提出了新的要求，例如目前大秦线沿线每基站配置2个频点，按照本文第三节论述，一个频点的数据传输容量：下行9.05 kbit/s～53.6kbit/s.之间。上行：9.05kbit/s～13.4kbit/s之间。两个频点的传输容量：下行：18.1 kbit/s～107.2 kbit/s，上行：18.1 kbit/s～26.8kbit/s，利用GSM-R的GPRS信道传输各类和行车有关的数据业务都在上述速率段之间进行传送，在今后的设计、维护中要对GPRS信道容量的计算、网络参数的维护调整等方面需要进行新的探讨与分析。

5.结束语

基于GSM-R的机车信号远程动态监测系统已经在使用GSM-R网络的大秦线进行了功能试验，是国内首个利用GSMR网络传输机车信号远程动态监测数据的系统。本文从GSM-R网络结构出发，分析了机车信号远程动态监测系统在GSMR网络中的通信原理，总结了针对此系统的GSM-R网络的设置维护建议，具有参考意义。

[1][美]里吉斯著；朱洪波等 译 .通用分组无线业务（GPRS）技术与应用[M].北京:人民邮电出版社.2004

This paper introduces the Network Structure,Communication Principle and Technical Features of the locomotive signal remote dynamic monitoring system which based on the GSM-R system,analyses the GPRS network belonging to GSMR which carries the locomotive signal remote dynamic monitoring system, and puts forward specific recommendations about network configuration、maintenance for the GRRS network.

GSM-R；GPRS；locomotive signal remote monitoring system；Functional Analysis

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.063