不同模式及编码条件下GSM-R短消息传输特性对比研究

梁轶群 蒋志勇 周宏伟 付文刚

GSM-R系统采用CSD方式承载了CTCS-3级列控数据的传输，采用GPRS方式承载了调度命令信息无线传送、列车无线车次号校核信息传送等应用业务，在铁路运输中发挥了重要作用。但GSM-R系统另一种重要的数据传送方式，短消息业务却一直没有相关的应用。

短消息业务有其固有的特点:在电路交换模式下，短消息通信采用信令方式，即使移动台已经处于专用模式的通信情况下也可以进行短消息传输，没有额外的信道需求;当短消息接收端处于不可达时 (短时故障或不在服务区内)，短消息服务中心(SMSC)会自动保存短消息，待短消息接收端可以接收时再次发送。

随着铁路GSM-R系统的不断发展，有必要进一步对GSM-R短信息传输特性进行研究，为其在移动售票、基于功能寻址的短消息车-地数据传递等领域的应用提供参考。

1 GSM-R短消息模式、用户数据编解码

对目前铁路通信应用主流GSM-R模块进行了调研，见表1。

从表1可以看出所有终端均支持PDU模式和Text模式短消息发送，均不支持Block模式的短消息传送，且对于实际应用来说，Block模式复杂且不好操作，所以不对Block模式进行讨论。使用Text模式收发短信代码简单，不需要对短消息内容进行编解码，但其不支持中文短信。PDU模式发送短消息有3种编码可用:7-bit、8-bit和UCS2编码。7-bit编码用于发送普通的ASCII字符，即英文短信，最多可发送160字符。8-bit编码通常用于发送数据消息，比如图片、铃声等。UCS2编码用于发送Unicode字符，可发送中文字符，最多发送70字符。不同模式、编码支持的短消息最大长度及对中文的支持情况见表2。

表1 GSM-R模块对编码方式的支持情况

表2 不同模式、编码短消息最大长度及中文支持情况

采用PDU模式收发短消息时，需要在收发端进行编解码处理，所涉及的元素如下。

1.SCA:短消息服务中心号码 (Service Center Address)，长度1-12个字节。

2.PDU-Type:协议数据单元类型 (Protocol Data Unit)，长度1个字节。

3.MR:所有成功的短信发送参考数目 (Message Reference)，长度1个字节。

4.OA:发送方地址 (Originator Address)，长度2-12个字节。

5.DA:接收方地址 (Destination Address)，长度2-12个字节。

6.PID:消息中心处理消息内容方式 (Protocol Identifier)，长度1个字节。

7.DCS:用户数据编码方案 (Data Coding Scheme)，长度1个字节。

8.SCTS:消息中心收到消息时的时间戳(Service Center Time Stamp)，长度7个字节。

9.VP:消息有效期 (Validity Period)，0、1、7个字节。

10.UDL:用户数据长度 (User Data Length)，长度1个字节。

11.UD:用户数据 (User Data)，长度0-140个字节。

发送方和接收方PDU数据串格式分别见表3和表4。

表3 发送方PDU串格式

表4 接收方PDU串格式

前面提到的UCS2编解码和7-bit编解码是对用户数据的编解码。UCS2方式采用的是Unicode编码方式，即1个字符编码为2字节。7-bit编码用于发送普通的ASCII字符，它将一串7-bit的ASCII字符 (最高位为0)编码成8-bit的数据，每8个ASCII字符可压缩成7个8-bit的数据。

处理方法:将第2个ASCII字符的最低位移入第1个ASCII字符的最高位形成第1个8-bit字节，接着将第2个ASCII字符剩下的6位向右移1位，补齐先前移走的那1位，然后将第3个ASCII字符的最低2位。移入第2个ASCII字符的最高2位，形成第2个8-bit字节，依此类推。

2 GSM-R短消息传输特性自动化测试工具原理及实现

自动化测试，即通过AT指令控制测试终端实现不同模式、不同编码的短消息发送、接收，并读取短消息，不需要测试人员手动发送和接收每条短消息并计时、记录。自动化的测试方法提高了测试效率和测试的准确性。测试步骤如下。

1.通过AT指令控制发送端向接收端发送点对点短消息，同时开始计时，并以此标记作为时间戳T1，发送的短消息模式、编码、内容长度可设置。

2.通过AT指令判断发送端的短消息发送状态:AT指令指示为“消息发送失败”或者90 s内无任何指示，则认为短消息发送失败，重复步骤1。

3.通过AT指令判断接收端接收短消息的情况:在发送端“信息已发出”10 min内，接收端收到指示新短消息的AT指令，则停止计时，该时刻记为T2;10 min内未收到指示新短消息的AT指令，则认为该条短消息发送失败。

4.接收端收到新短消息指示后，通过AT指令提取接收端接收到的短消息内容，与发送端发送的短消息内容进行对比，若两者一致，则认为短消接收成功，否则认为短消息接收失败。

5.对于成功接收的短消息，短消息传输延时:T=T2-T1

6.短消息传送成功率按下式计算:

3 短消息传输特性对比研究

选择普通单网、单网交织 (半数基站)、单网交织 (全基站)3种典型的网络覆盖条件，列车运行速度从100～350 km/h，对不同模式、不同编码方式、不同长度的短消息进行详细对比研究。测试条件如表5所示。

表5 短消息传输特性对比研究测试条件

3.1 不同场景下短消息传送成功率及典型短消息传送失败分析

不同条件下短消息传送成功率统计结果见表6。

从统计结果可以看出，不同条件下短消息传送成功率均大于99%，满足《GSM-R数字移动通信系统总体技术要求》。

表6 不同条件下短消息传送成功率统计表

从GSM-R系统网管提取相关信令，对短消息传送失败的样本进行分析，短消息传送失败的情况可以分为二类:一类是网络没有收到短消息终端的上行信道请求信令Channel Request，这可能和当时的无线环境存在部分外界干扰有关;另一类是由于短消息发送终端未及时进行小区重选，而是一直驻留在较差的小区，造成短消息发送时上行信道质量已经很差，SDCCH信道上传送CP DATA过程中，出现原因值为Uplink Radio Failure的连接失败，信令如表7所示。

表7 连接失败信令表

3.2 不同列车速度等级下短消息传输延时特性对比

选取单网交织网络覆盖，不同列车运行速度级条件下PDU模式、Text模式短消息传输延时样本，绘制延时与速度关系分布见图1、图2。

图1 PDU模式7-bit编码140字节短消息速度-延时分布图

图2 Text模式70字节短消息速度-延时分布图

从图中可以看出，不同模式下，随着列车运行速度的提高，短消息传输延时样本在均值上下波动，由此可以看出短消息传输延时与列车运行速度关系不大。

3.3 PDU模式UCS2编码相同长度中英文短消息传输特性对比

选取单网交织半数基站网络覆盖条件下PDU模式UCS2编码70字节中、英文短消息延时样本进行比较，见表8和图3。

从图3中可以看出，中、英文短消息延时样本均值差别很小，这与前面介绍的UCS2编码原理是相符的，即每个中、英文字符都编码为2个字节的Unicode码字。

表8 PDU模式UCS2编码相同长度中英文短消息传输延时对比表

图3 PDU模式UCS2编码中英文短消息传输延时对比

3.4 PDU模式UCS2编码与PDU模式7-bit编码相同长度短消息传输特性对比

选取单网交织网络覆盖条件下PDU模式UCS2编码与PDU模式7-bit编码，长度均为70字节的短消息传输延时样本进行对比分析，短消息语言为英文，统计结果见表9和图4。

从图4可以看出，对于70字节的英文短消息，采用7-bit编码比采用 UCS2编码延时均值少2.539 s，这与7-bit编码效率较USC2编码高是一致的。

图4 PDU模式UCS2编码与PDU模式7-bit编码70字节短消息传输延时对比

3.5 PDU模式7-bit编码与Text模式相同长度短消息传输特性对比

选取单网交织网络覆盖条件下PDU模式7-bit编码与Text模式，长度均为70字节的短消息传输延时样本进行对比分析，统计结果见表10和图5。

从图5可以看出，对于70字节的英文短消息，采用PDU模式7-bit编码与Text模式延时相差不大。

表9 PDU模式UCS2编码与PDU模式7-bit编码70字节短消息传输延时对比表

表10 PDU模式7-bit编码与Text模式70字节短消息传输延时对比表

图5 PDU模式7-bit编码与Text模式70字节短消息传输延时对比

3.6 相同模式、编码条件下不同长度短消息传输特性对比

选取单网交织网络覆盖半数基站条件下PDU模式7-bit编码，选择长度分别为40字节、70字节、140字节、160字节4种典型长度短消息的传输延时样本进行对比分析，统计结果见表11和图6。

表11 PDU模式7-bit编码与Text模式70字节短消息传输延时对比表

图6 PDU模式7-bit编码不同长度短消息传输延时对比

从图6可以看出，40字节、70字节、140字节、160字节等4种典型长度的短消息，其传输延时均值随着短消息长度的增加而延长。

4 结束语

通过研究得出以下结论。

1.不同条件下短消息传送成功率均大于99%，满足《GSM-R数字移动通信系统总体技术要求》。

2.在列车运行速度级0～350 km/h范围内，短消息传输延时与列车运行速度关系不大。

3.采用PDU模式UCS2编码发送相同长度的中、英文短消息，传输延时无明显差异。

4.PDU模式7-bit编码与PDU模式UCS2编码相同长度英文短消息，7-bit编码延时明显小于UCS2编码。

5.PDU模式7-bit编码与Text模式发送相同长度短消息，传输延时无明显差异。

6.40字节、70字节、140字节、160字节不同长度短消息，在相同模式、编码条件下传输延时的分布规律，为建立铁路GSM-R系统短消息服务质量评价体系提供了参考依据。

如果需要发送中文或者中英文混合的短消息，则只能选择PDU模式UCS2编码，否则建议采用PDU模式7-bit编码或者Text模式，以提高短消息发送的效率。

建议结合短消息传输特性，进一步研究短消息应用在个别补票业务、风速信息传递、实时监控信息传递、轨道异物监测、旅客信息发布等铁路业务应用的可行性及应用方案。

［1］ 梁轶群.高速铁路GSM-R系统点对点短消息传送特性的研究［J］.中国铁路，2012(9).

［2］ 郭莉慧.PDU中7-bit字符串编解码的程序设计［J］.电脑编程技巧与维护，2008(10).

［3］ 3GPP TS 03.38 V7.2.0 Digital cellular telecommunications system(Phase 2+);Alphabets and language-specific information.

［4］ 3GPP TS 03.40 V7.5.0 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Terminals;Technical realization of the Short Message Service(SMS).

［5］3GPP TS 07.05 V7.0.1(1999-07)Use of Data Terminal Equipment-Data Circuit terminating;Equipment(DTE-DCE)interface for Short Message Service(SMS)and Cell Broadcast Service(CBS).