高速环境下GSM－R小区广播性能研究

邹 引 蒋文怡 丁建文

小区广播系统和应用程序，因其占用资源少、用户定位精准、发布速度快等独特技术优势，在许多发达国家的应急体系都有应用。在英国伦敦地铁爆炸事件中，官方曾使用小区广播给事故发生地附近的居民发布避难信息；在亚洲斯里兰卡海啸灾难发生时，小区广播提示巨浪即将到来，并指导群众前往救助中心。从2008年起，欧洲的主要运营商开始在通信网络里部署小区广播。日本地震和海啸预警系统 （ETWS）和美国商用手机预警系统（CWAS）均采用小区广播发送预警。我国正在研发的高速铁路地震监测预警系统的地－车信息发送，也准备采用小区广播短消息方式进行试验。

随着铁路信息化技术的发展和对安全要求的不断提高，需要将灾害预警、列车位置等信息实时传送给列车或线路上的作业人员。由于小区广播业务在国内外铁路无线通信领域尚无应用案例，因此需要对小区广播消息推送应用进行研究。

1 小区广播架构和协议

小区广播系统 （CBS）由小区广播中心（CBC）和小区广播实体 （CBE）组成。其中，CBC是分发小区广播信息到GSM－R网络的中心，负责小区广播短消息的管理，如CBS消息的编号、对保存在基站控制器BSC内消息的修改和删除、发出广播和广播参数的标注 （小区数、开始和停止广播时刻、重复广播的次数、广播信道）等；CBE负责将小区广播系统格式化，包括将1条CBS消息分成多页。小区广播系统如图1所示。其中BSC主要负责翻译来自CBC的命令，存储CBS消息，并转送到指定的基站BTS，安排小区广播控制信道CBCH，向CBC反馈CBS消息广播功能；BTS负责传送CBS消息，有选择性地产生CBCH符合指示消息；移动台MS负责消息页的重组，重构CBS消息。

图1 小区广播系统图

短消息系统 （SMS）的协议共分4层，包括应用层 （SM－AL）、传 输 层 （SM－TL）、中 继 层（SM－RL）和底层 （SM－LL）。SMS的分层协议结构如图2所示。

图2 SMS分层协议结构图

图3 小区广播协议

网络接口是指CBC与基站BSC之间的接口，传输层采用X．25或No．7，华为、中兴等厂家采用X．25协议。图3为小区广播协议，应用层小区广播业务元素 （CBSE）直接映射到网络层上。CBC支持业务包括：业务绑定请求、绑定确认、绑定失败、绑定解除、写入／替换请求、消息删除请求、报告响应、信道查询请求、信道查询响应、消息状态查询请求、消息状态查询响应、报告操作拒绝、重启指示、重置请求、故障指示、设置不连续接收参数等。

2 小区广播数据传输技术

一个小区只能配置1个CBCH，通过占用1个SDCCH的子时隙来实现。小区广播通常占用SDCCH第2数据块传输数据。

小区广播短消息每页传输88字节固定格式，每页承载消息82字节，每次可传输15页。发送频率、起止时间、重复次数可以由CBC确定，BTS根据CBCH的负荷周期性发送。每页有相同的消息标识符和序号，用于MS鉴别和丢弃已收到的消息。每页分为4段，由CBC向BSC发送，可以根据需要接收相关信息。CBS消息由BTS按一定频率和周期循环广播。重复发送的频率取决于它们所包含的信息，例如道路交通信息就比天气信息重复频率高。重复周期同样受到高速移动、快速穿越小区的影响。对于单页（82字节）的小区广播消息，在空口上广播的最小周期是1．883s，重复广播周期是这个的倍数，可以从1～1024。移动台在空闲模式时侦听CCCH，可以收到该消息，专用模式时不能接收。

CBC与BSC间的消息流程包括：发送信息或替换已有消息、删除已有消息、CBCH状态查询（查询CBCH信道发送队列容量中的数据）、消息状态查询 （查询消息库中相应消息的状态信息）、小区复位申请 （BSC停止向相关小区发送任何消息，并清除消息库中和小区广播表中的相应信息）、DRX设置申请 （根据消息提供的参数设置下一次发送的调度消息）、发送拒绝响应 （BSC不能理解收到的消息或消息参数值非法时，向CBC上报出错原因或简短说明信息）。

BSC与BTS间的消息和业务功能：①BSC向BTS发送广播消息，BSC通过1条SMS Broadcast Command消息把CBS信息发给相应的BTS，并指明需要使用的信道；②BTS向BSC上报信道负载——BTS通过 CBCH Loading Indication消息向BSC上报CBCH信道的负载情况，并要求BSC进行相应的流量控制。

3 小区广播在高速环境下的应用

防灾安全监控系统主要是对危及客运专线运行安全的自然灾害 （风、雨、地震等）、突发事故异物侵限及非法侵入等进行监测报警，采用GSM－R网络进行防灾信息传输。当地面中心收到防灾系统发送的灾害告警信息时，通过GSM－R网络的小区广播短消息业务，在灾害发生地点一定范围内，周期性广播告警信息。当列车运行至该范围时，车载设备接收到告警信息，并提示司机，必要时发出声光告警。地面中心利用小区广播短消息业务进行下行数据传输。车载设备根据广播告警信息帧内容，通过GPRS网络／M－GRIS发送接收回执。

地面子系统由小区广播中心 （CBC）、MGRIS、转发控制器、存储单元、防灾监控网关、内部数据交换单元、时间同步单元、管理服务器、操作管理终端等组成。

3．1 实验室仿真测试系统

3．1．1 测试平台

开发测试软件，地面小区广播服务器与GSMR数字移动通信网BSC进行连接，定时通过小区短消息广播方式向指定小区进行短消息广播。该小区覆盖范围内的车载设备收到广播短消息后，立即通过有线局域网向地面小区广播服务器发送回执。GSM－R小区广播测试平台如图4所示。

车载设备收到广播短消息后发送回执的时间，减去地面服务器发送广播短消息的时间为时延；地面服务器发送广播短消息后30s内未受到回执，则判断该条广播短消息车载设备接收失败；地面服务器与车载设备系统时间已同步。

图4 GSM－R小区广播测试平台

3．1．2 测试结果

1．测试条件：速度为0时，信息单包小于82个字节，在单页的小区广播短消息中就可以发送完毕，小区广播在空中接口的最小周期是1．883s。

2．实际测试的小区广播测试时延：发送总条数1331包，最大时延28s，最小时延3s，平均时延5．694s。时延集中在4～8s。

3．丢包：成功收到车载设备回执1284包，未收到车载设备回执47包，成功率96．47%。

3．2 小区广播业务现场试验

3．2．1 测试内容

试验列车运行速度300km／h时，小区广播服务质量特性及GPRS／小区广播信息用于防灾信息传送的可行性，铁路防灾监控系统的相关告警信息能够实时地传送到适合的列车上，让司机在第一时间采取相关措施，确保高速列车运行安全。

1．功能测试。提交、修改、删除小区广播短消息，以及查询正在广播的小区广播短消息；单页最大消息长度和最小广播周期测试；接口消息测试。

2．性能测试。测试小区广播短消息传送时延和传送成功率。

3．防灾信息传送。当地面中心收到防灾系统发送的灾害告警信息时，通过GSM－R小区广播短消息业务，在灾害发生地点一定范围内进行广播。范围确定方法：根据灾害告警信息的地点 （公里标），找到对应的小区 （LAC＋CI），根据预警级别和线路运行速度等级，确定需要发布的小区列表，采用小区广播方式发布预警信息。

3．2．2 测试结果

1．基本完善了高速铁路预警信息无线传送系统的防灾信息采集功能。

2．实现了通过小区短消息广播方式进行数据的发送。

3．验证系统通过小区短消息广播方式传播预警信息的功能，形成可进行现场试验的工程样机。

3．3 小区广播性能分析

在理想状态下，小区广播网关处理时延在10ms以内；小区广播网关发送完82字节数据需要10．25ms；MSC接收和发送82字节的数据均需要10．25ms，处理时延应在5ms以内；同样，BSC接收和发送82字节的数据各需要10．25ms，处理时延在5ms以内；而BTS接收82字节的数据需要10．25ms，处理时延应在5ms以内，但发送数据时还要根据CBCH及BTS自身的整体负荷，若负荷过大，将暂缓发送该消息；空中接口上，完成82字节的消息传送需要8×51复帧的周期，即1．883s，这是最短的单元周期，测试时设置周期为2，即需要3．766s；无线终端收到小区广播后的处理时延在10ms以内。这样，测试系统中小区广播的总时延为：10＋10．25×6＋5＋5＋5＋3766＋10＝3862．5 （ms）。

实际上，由于BTS会根据自身的负荷及CBCH的负荷调整发送时机，因此测试的平均时延稍大。

由于小区广播为非确认性机制，不会存在重传而增加时延的情况，因此速度大小并不会对时延造成本质影响，但会影响丢包。小区广播单独占用1个SDCCH信道，不对其他无线通信业务造成影响；小区广播业务之间CBC控制BCS发送消息或替换已有消息。1个小区只能配置1个CBCH，通过占用1个SDCCH的子时隙来实现，因此小区广播会受到小区负荷影响。

1个CBCH最多22字节消息，即当广播的消息小于等于22字节时，可以利用1个CBCH承载，这时空口最大时延为2×235．365＝470．73ms。当广播消息大于22字节为x字节时，则需要 ［x／22］个CBCH，空口最大时延为 ［x／22］×470．73ms。高速运行情况下无线信道快速变化、多普勒频偏随着速度的增加而增加，导致接收信号更大的码间干扰，从而增大了数据正确解码的难度；列车行驶过程中收发信号大小和C／I周期性变化，带来了误码概率周期性变化；小区重选造成通信短暂中断，带来丢包。

综上所述，时延主要由信息处理和信息传输决定，通常由信息长度决定。而高速运行、小区重选、干扰都会对丢包率产生影响。

4 结束语

小区短消息广播方式用于GSM－R高速防灾信息传输，可有效解决高速列车运营中自然灾害、突发事故等安全问题，提供经处理后的灾害预警等信息。小区广播消息分页发送，每页82字节，可由1～15页组成。每页有相同的消息标识符和序号，用于MS鉴别和丢弃已收到过的消息。每页分为4段，由CBC向BSC发送，可以根据需要接收相关信息。在理想状态下，小区广播的时延为3862．5ms。由于BTS会根据自身的负荷及CBCH的负荷调整发送时机，实际测试的平均时延稍大，集中在4～8s之间。时延主要由信息处理和信息传输决定；高速运行、小区重选、干扰都会对丢包率产生影响。而因单独占用一个SDCCH信道，小区广播不对其他无线通信业务造成影响。

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