铁路GPRS网络承载C3+ATO业务简析

赵军武

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

铁路GPRS网络通过在GSM-R网络中增加SGSN和GGSN两个业务节点，从而实现用户在端到端分组方式下发送和接收数据。铁路GPRS网络采用分组交换技术，高效传输信令和数据，优化无线资源和网络资源的利用，铁路GPRS采用铁路数据通信网作为承载网络。目前铁路GPRS网络已实现无线车次号校核、调度命令传输等铁路数据业务的无线接入，随着C3+ATO列控技术的出现，利用铁路GPRS网络承载C3+ATO业务的需求已经提上日程，本文对此进行了一定范围的分析研究。

2 铁路GPRS网络现状

铁路GPRS网络结构如图1所示。铁路GPRS网络由GPRS核心层及GPRS无线接入层组成。GGSN、SGSN通过铁路数据通信网互联，构成铁路GPRS网络的核心层，其中GGSN是GPRS网络与外部数据网络的接口，目前铁路GPRS网络已经部署完成北京、武汉、上海等18个核心层节点。PCU与基站子系统（Base Station Sub-system）的基站控制器（BSC）合设，通过BSS的空中接口（Um）与GPRS终端通信，构成铁路GPRS网络的无线接入层。

图1 铁路GPRS网络结构Fig.1 Railway GPRS network structure

随着铁路运输业务的发展，运输生产对铁路移动通信提出越来越多的需求，铁路行车调度信息类、安全监控类、运营维护管理类信息传送均通过铁路GPRS网络承载。目前铁路GPRS系统承载的应用业务如表1所示。

铁路GPRS网络提供无线数据传输通道，可以保证用户始终在线，不需等待拨号过程，而且可以在某段时间内为一个用户绑定多个信道，或者多个用户共享同一信道，从而有效地利用无线信道资源。根据铁路发展的需要，一些新的列车控制方式和列控运行辅助手段的出现，对铁路GPRS网络提出新的业务需求，如C3+ATO系统、列车追踪预警系统等。欧洲已经对利用GPRS网络承载ETCS 2级列控系统车地安全数据传送开展了相关试验。

3 铁路GPRS网络承载C3+ATO业务的可行性

在欧洲铁路运输管理系统（ERTMS）用户组的领导下，UIC在“利用分组域进行ETCS数据传送”技术方案可行性研究的技术框架下，开展利用GPRS进行ETCS数据传送的可行性研究测试。同时，国内某交通大学GSM-R实验室，也根据中国铁路实际情况做出模拟试验与UIC进行对比，结果发现UIC试验方案和实验数据可以很好的为中国铁路GPRS网络应用提供支持。具体结果如下。

表1 铁路GPRS系统承载的铁路应用业务Tab.1 Railway application business carried by Railway GPRS system

3.1 端到端传输时延分布

在UDP传送机制下进行端到端测试时，假定未能成功接收时间（差错时限）为2 s或4 s。丢帧情况统计如表2所示。

表2 丢帧情况统计Tab.2 Frame loss statistics

测试总共发送12 877帧，下行（DL）情况如下。

1）如果以2 s为差错时限，277帧（2.15%）接收失败（200帧丢失，77帧晚到）。

2）如果以4 s为差错时限，234帧（1.82%）接收失败（200帧丢失，34帧晚到）。

上行（UL）情况如下。

1）如果以2 s为差错时限，59帧（0.44%）接收失败（4帧丢失，55帧晚到）。

2）如果以4 s为差错时限，25帧（0.22%）接收失败（0帧丢失，25帧晚到）。

图2 GPRS上行数据业务测试时延分布Fig.2 Testing delay distribution of GPRS uplink data traffic

上行测试结果分布如图2所示。时延集中在500 ms附近，大部分小于600 ms，少量长达10 s。

欧阳修致力于收集古金石拓本，积至千卷，又将其为拓本所作题跋汇集，编为《集古录》(亦称《集古录跋尾》)一书，其子欧阳棐又编次其目，成《集古录目》。从内容上讲，这两本书显然各有不同，一则近于文章评论与史学考证，一则为专门目录；但从文献形态而言，二者皆以书籍的面目出现并传世。对朱熹来说，这些“古金石”的吸引力不仅来自其作为古物的一面，更是来自其作为文本或文献的一面，他更看重的是其“古金石文字”的属性。他将欧、赵二书进行比较，指出《金石录》“铨序益条理，考证益精博”，也着眼于其书籍与文献的属性，而无关于古物的收藏。从这一段话中也可以看出，在朱子看来，金石学与书籍及文献都有密切的关系。

这种端到端的时延分布对成功的ETCS移动授权（Movement Authority，MA）传送是有利的。试验结果简单概括为，利用GPRS网络进行MA传送具有非常高的成功率，正常的数据传送时延在500 ms左右，在可以预测的小区重选位置附近为2 s。

3.2 丢失帧统计

通常小区重选持续达2 s，一定数量的小区重选时间更长（达到9 s），在UIC测试中的12 877次小区重选中有77次。所有的长数据传送时延和丢包都与小区重选有一定的关系。

上行QoS比下行好，所有丢失帧均与小区重选有关联，大部分出现在下行链路中，在157次小区重选（第1、3天）中，对于下行而言，56（36%）次没有丢失，16（10%）次丢失1帧，79（50%）次丢2帧，5（3%）次丢3帧，1（＜1%）次丢8帧；对于上行而言，总共141次小区重选中，137（97%）次没有丢失，4（3%）次丢失1帧。跨BSC的小区重选影响最大。上行的差异主要是，终端在进行小区重选时，可以主动停止上行数据发送。

小区重选对QoS的影响远远超过切换，而且小区重选比切换慢得多，小区重选还是由终端主导的过程，小区重选所需重叠覆盖距离比切换长。通过对常规的小区重选的适应性调整可以使端到端的时延接近Subset 093的目标。

3.3 发送间隔影响

不同的终端在不同的发送间隔（1、2、4 s）时，传输时延不同。在T3192定时器设置为1.5 s时，采用帧间隔小于UNSIG短帧（4 s）模型，当发帧间隔大于2 s时，端到端首包延时明显。通过参数设置优化，可以减少时延变动。上下行时延分别如图3、4所示。

3.4 无线覆盖的影响

图4 GPRS网络下行数据业务发帧间隔与传输时延Fig.4 Interval of sending frames and transmission delay of GPRS downlink data traffic

无线覆盖也对GPRS的QoS有重大影响，覆盖电平必须达到一定的水平，至少要达到电路域数据传送的水平。无线参数设置对GPRS的性能也有很大影响，终端针对GPRS用于ETCS分组数据传送进行优化，明显提升性能。

4 铁路GPRS网络承载ATO方案

基于实验室中GPRS网络试验数据的测定，提出利用铁路GPRS网络承载C3+ATO列控系统车地数据的解决方案。

4.1 C3+ATO系统概述

4.2 C3+ATO系统对铁路GPRS网络指标要求

为满足C3+ATO系统功能实现，提高ATO业务的可靠性和可用性，铁路GPRS网络应满足表3、4的技术要求。

表3 GPRS网络数据传输延迟等级指标Tab.3 GPRS network data transmission delay level indicators

表4 GPRS网络参数配置要求Tab.4 GPRS network parameter distribution requirements

4.3 铁路GPRS网络QOS技术指标

截止目前已有4.6万km铁路实现GPRS网络覆盖，其延迟技术指标、数据传输平均吞吐量指标、数据传输峰值吞吐量指标满足表5、6、7要求。

表5 铁路GPRS网络数据传输延迟等级检测标准Tab.5 Test standards of railway GPRS network data transmission delay level

表6 铁路GPRS网络数据传输平均吞吐量检测标准Tab.6 Test standards of railway GPRS network data transmission average throughout

表7 铁路GPRS网络数据传输峰值吞吐量检测标准Tab.7 Test standards of railway GPRS network data transmission peak value throughout

4.4 铁路GPRS网络承载C3+ATO系统整体结构

高速铁路C3+ATO系统可以采用铁路GPRS网络作为车地数据传输平台，其系统整体结构如图5所示。

4.5 铁路GPRS网络与C3+ATO系统地面设备互联

铁路GPRS网络承载C3+ATO业务整体结构如图6所示，C3+ATO系统基于铁路GPRS网络承载，铁路GPRS网络侧接口设备为GGSN，C3+ATO系统侧接口设备为TSRS。GGSN和TSRS之间采用专用数据网连接。

4.6 铁路GPRS网络相关参数配置

基于ATO系统需求，为减少数据传输时延及丢包，GPRS系统需进行以下参数配置。

1）RLC协议层的工作在有确认模式，LLC协议层工作在无确认模式。

2）用于C3+ATO的APN建议为：ato.mnc020.mcc460.gprs。

3）HLR中设置禁止针对C3+ATO用户的以下4种业务：

a.VGCS和VBS；

b.话音呼入及其相关补充业务；

c.CSD业务；

d.短消息业务。

4）通过配置GPRS网络参数，提高ATO业务的可靠性和可用性，需将C3+ATO业务表8进行配置。

表8 C3+ATO业务参数配置表Tab.8 C3+ATO business parameters conf guration table

图5 铁路GPRS网络承载C3+ATO业务整体结构图Fig.5 Overall structure of C3+ATO business carried by railway GPRS network

图6 C3+ATO系统与GPRS网络地面设备互联结构图Fig.6 Interconnection structure diagram of C3+ATO system and GPRS network ground equipment

5）每个TSRS设备（A、B系两套服务器）需要配置3个IP地址，其中1个逻辑IP，2个物理IP，3个IP地址需要在一个子网内；车载设备的MT模块采用动态分配的IP地址，每次PDP激活后获得，并且在PDP场景有效期内保持不变。

6）在进行车载SIM卡数据制作时，参照数据类用户（CIR数据）的制作要求，同时在SIM卡中禁止VGCS和VBS业务。

5 结束语

本文介绍了铁路GPRS网络架构和应用业务，对铁路GPRS网络的关键参数进行研究，并通过相关试验数据分析，提出利用铁路GPRS网络承载C3+ATO业务的可能。同时根据C3+ATO的业务需求，提出铁路GPRS网络承载C3+ATO业务整体网络结构，及系统互联方案和铁路GPRS网络相关参数配置调整建议，可为相关工程提供借鉴。