基于GSM-R的CIR动态线路数据传输可行性方案研究

颉 康，刘 畅，杨居丰，蒋志勇

为保证无线列车调度通信的正常进行，列车在不同线路、区段之间运行时，应能及时切换到对应的通信模式；在GSM-R 区段时，还需要根据列车所处的位置，确定前、后车站和调度等通信对象的电话号码［1］。目前，机车综合无线通信设备（CIR）通过卫星定位，结合本地静态线路数据库的方式，满足了上述需求，在大多数情况下能够自动完成通信模式和呼叫对象的确定。但经过不断的发展和运用，这种方式在维护管理方面逐渐暴露出不足。当车站新开、撤并，线路名称、车站名称调整，无线通信系统制式、信号机位置坐标等基础信息发生变化时，线路数据都要及时进行调整，以便保障调度通信过程中线路切换的有效性和可靠性［2］。但由于目前CIR采用的是本地静态线路数据库的方式，即每一台CIR设备本地都保存着一份预先编制好的线路数据库副本，当需要对线路数据进行更新维护时，只能采用人工逐台升级的方式，需要投入大量的人力，并使升级的时间跨度增大，对CIR的现场运用和维护管理均造成不利影响。

本文结合实际运用情况，对基于GSM-R 系统实现CIR 动态线路数据传输的可行性进行了研究。在不影响当前CIR 对线路数据运用逻辑的前提下，基于GSM-R 的CIR 动态线路数据传输可有效降低线路数据的管理维护成本，提高工作效率，具有一定的现实意义和使用价值。

1 CIR线路数据

CIR 线路数据是指CIR 设备厂家利用各铁路局提供的CIR 基础数据进行二次加工后，CIR 设备根据卫星导航系统信号，选定（人工或自动）运行线路、工作模式，显示前、后车站名称，自动关联码号数据等，实现相关功能的设备数据。虽然各CIR设备的功能实现方式不同，CIR 线路数据的数据结构定义也存在差异，但所承载的数据内容大体一致。

CIR线路数据由呼叫指示信息和线路选择信息组成。呼叫指示信息提供当前运行线路信息和调度呼叫按键信息，由线路代码、线路名称、区段名称、相邻4个车站的名称、代码及号码、调度号码等字段组成，合计长度111个字节；线路选择信息数据根据实际情况，由多条可选线路数据组成，每条可选线路数据由线路代码、线路名、区段名、模式号等字段组成，合计长度32个字节，即当存在n条可选线路时，线路选择信息数据长度为n×32个字节。

2 基于GSM-R 的CIR 动态线路数据传输方案

与通过本地数据库检索线路数据信息不同，在CIR 动态线路数据传输方案中，CIR 设备通过与地面相关设备的数据交互，获取所需的线路数据信息，可在地面设备上进行集中式的维护管理，线路数据变更后无需再对CIR设备进行升级操作，只需对地面相关设备进行版本升级即可，极大地提高了维护效率，降低了维护成本。

动态线路数据传输的业务逻辑并不复杂，但基于GSM-R 的数据传输方式能否满足CIR 线路数据运用的相关要求，还需分别对GSM-R 的各种数据传输方式进行研究和确认。在GSM-R 系统中，车地终端可通过短消息、CSD（电路交换数据）、GPRS（通用分组无线业务）等方式进行无线信息传输。

作为电信业务中的一种，短消息业务采用信令方式传输，不必建立专用的传输信道，对无线资源占用小，一般适用于数据量较小，对实时性、可靠性要求较低，并且具有突发性的业务场景。短消息业务可分为点对点短消息业务（SMS）和小区广播短消息业务（CBS）。点对点短消息由短消息中心转发和存储，实现移动终端点对点的收发短消息服务；小区广播短消息由小区广播中心分发，实现单向的、可在同一时间向某一指定区域内所有移动终端发送而无需应答的广播短消息服务。

CSD 即电路交换数据，该数据传输方式需要建立相应的业务信道，并保持对信道资源的占用，适合持续时间长、数据量较大的业务；由于电路的空闲比较大，不适用于突发性强的短数据传输，会造成信道资源的浪费［3］。

GPRS 是目前GSM-R 系统中应用最为广泛的无线数据传输方式，具有传输速率高、实时在线、无线资源利用率高等特点，特别适用于突发性强的数据传输。

由于CIR线路数据传输的突发性较强，且对于传输的实时性和可靠性没有过高的要求，因此可选择点对点短消息、小区广播短消息和GPRS 3 种传输方式。下面对GSM-R 承载CIR 动态线路数据传输的可行性进行研究。

2.1 点对点短消息承载方案

点对点短消息业务可以为移动终端提供短消息的接收和发送，每条点对点短消息有效载荷最大为140 字节。当发送的数据大于140 字节时，短消息将被拆分发送，拆分后的短消息将经过短消息网关、短消息中心的存储转发，最终到达终端时，被拆分短消息的顺序可能与原发送顺序不同。因此，利用点对点短消息进行大于140 字节数据量的传输时，需要在业务侧对数据进行分包，并在每条分包数据前增加包头信息，使每条点对点短消息的有效载荷进一步减小。根据文献［4-5］的研究，传输一条点对点短消息的平均端到端时延为10 s 左右。

点对点短消息虽然可以为车地双方提供双向通信，但其传输能力有限。长达10 s的端到端时延也无法使其承载人机交互式的数据传输。因此，若通过点对点短消息实现动态线路数据传输，则只能一次性向CIR设备传输完整的线路选择信息和呼叫指示信息。根据CIR 线路数据内容定义可计算得出：当线路选择列表中包含10 条线路时，线路选择信息的数据长度为320 字节，呼叫指示信息的数据长度总和为1 110 字节，传输全部数据需11 条短消息。同理可得，当线路选择列表中包含20 条线路时，传输全部数据需21 条短消息，所需短消息数量随着线路数量的增加而增加。线路数据是贯穿列车运行周期性获取的，大量短消息的发送和接收所带来的时延和网络资源占用，都说明点对点短消息的传输方式不适用于承载CIR 动态线路数据传输业务。

2.2 小区广播短消息承载方案

小区广播短消息的发送不以特定移动用户为目标，而是以基站为中心，向基站范围内全部移动用户以预先设定好的时间周期进行广播推送，移动用户只具备小区广播短消息的接收能力，不具备发送能力。相比于点对点短消息，小区广播短消息在传输时延、网络资源占用等方面均具有一定的优势，在空口协议上以“页”为单位，通过CBCH 信道进行传输，每页有效载荷为82 字节，最多可分15 页发送，每一个CBCH 周期的时长约为 1.883 s［6-7］。

小区广播短消息以基站为中心向覆盖范围内用户推送消息，与CIR 动态线路数据业务的运行模式相似，都是以地理位置作为向用户发送不同数据内容的依据。因此，虽然移动端没有发送能力，但通过对每一个基站的地理位置和线路数据内容进行匹配，也可以使CIR 设备收到所需的线路数据。但这将导致CIR 设备的线路数据业务丧失了交互能力，在发送线路数据时与点对点短消息方式相同，需要一次性将相关线路数据内容全部发送。当线路选择列表中包含10 条线路时，需通过2 条小区广播短消息，共分18 页进行传输，小区广播通过CBCH 信道传输全部数据需要时间将大于30 s。若移动端在切换时，该基站已经开始了小区广播短消息的传输，那么移动端只能等待下一个广播周期才能完整接收到该小区广播短消息，即最多需要2 倍的接收时间。对于高速行驶中的列车，可能出现CIR 还没有收到该基站下的线路数据小区广播短消息，就已经需要切换至下一基站的情况。因此，以目前线路数据业务所需的数据量衡量，小区广播短消息的传输方式不适用于承载CIR 动态线路数据传输业务。

2.3 GPRS承载方案

GPRS 为移动用户提供了一种端到端双向的无线IP 数据连接。由于采用IP 协议进行数据传输，故GPRS 方式对数据包的长度没有特别限制。GSM-R 系统的GPRS 数据传输方式目前广泛应用于铁路业务，包括车次号信息传送、调度命令信息传送、列尾信息传送等［8］。GPRS 具有实时在线特性，移动终端连接GPRS后，可以一直保持在线状态，随时进行数据的接收和发送；同时，在不进行数据传输时不会占用无线资源，可以使无线资源得到更有效的利用，这也使通过GPRS网络同时承载大量用户和不同业务成为可能。在可提供带宽和传输延时方面，相比于点对点短消息和小区广播短消息均有较大的优势。单信道的GPRS理论传输速率为9.05 kb/s，借助多时隙技术，最高可达到8 信道171.2 kb/s；根据文献［9-10］的测试结果，128 字节的数据通过GPRS 方式传输产生的端到端时延99%小于500 ms；在4 信道情况下，采用512 字节数据包长，终端上行吞吐量最大可达5.08 kB/s，下行吞吐量最大可达5.29 kB/s。

GPRS 传输方式在GSM-R 系统中具有最优的无线传输性能，也因此承载了各种铁路业务。但GPRS 有限的总带宽，对于GPRS 传输通道的使用，需建立在不影响其他现有业务的基础上。通过研究可知，CIR 动态线路数据的下行数据量瞬时可达几kb，且具有较短的周期，若直接以此数据量进行传输，将造成对GPRS带宽资源的过度占用。另外，由于可选线路数量与列车行驶位置相关，不同的地理位置所需传输的数据量可能有大幅度变化，具有很强的不确定性；无法预计和控制的无线数据传输量，将对多个业务共用带宽，且总带宽受限的GPRS 系统合理化运用带来不利影响。因此，利用GPRS 承载CIR 动态线路数据的可行性，取决于能否大幅降低其传输数据量，并使其数据传输量可控。

GPRS 传输方式的时延较小，使其可以实现人机交互式的数据传输。通过制定分页、选择性传输等优化方式，可避免对线路数据的完整传输，大幅降低了CIR动态线路数据的传输数据量，有效抑制选择线路增加导致的数据量巨增，使通过GPRS承载CIR动态线路数据具有可行性。

基于GPRS的CIR动态线路数据传输方案主要需要解决CIR 动态线路数据传输数据量大的问题。通过线路选择信息分页、呼叫指示信息选择性传输、数据重复性验证3 个优化方式，可大幅降低CIR动态线路数据的传输数据量。

1）线路选择信息分页。司机通过CIR 的操作显示终端，对可选择线路进行查看和操作，而操作显示终端每一页可显示10 条线路信息，故可以10 条线路为单位，为线路选择信息进行分页传输。首次发送第1 页线路选择信息，后续根据司机的操作进行逐页传输。这样限制了线路选择信息的最大长度，避免了线路选择信息量随可选择线路数增加而不断增加的问题。

2）呼叫指示信息选择性传输。有多条线路选择信息时，不主动传输呼叫指示信息，当司机在CIR 的操作显示终端上，先进行线路选择，再传输司机指定的呼叫指示信息，去除了无用信息的传输，大幅降低了传输呼叫指示信息的数据量。

3）数据重复性验证。由于CIR 线路数据业务是周期性业务，且线路数据请求较为频繁，若线路数据内容未发生变化，将带来网络资源的浪费，因此可以在线路选择信息中，增加代表数据唯一性的字段，以进行重复性验证。由于每一次请求的线路选择信息都是通过列车地理位置对线路数据库进行检索并整合生成的，其自身并没有可以标识其唯一性的标志，故建议对检索生成的完整线路选择信息进行MD5 算法的哈希值计算，以此作为线路选择信息的唯一标识码。当CIR 设备进行线路数据请求时，不仅传输当时的地理位置信息，还传输上一次接收到的线路选择信息的唯一标识码；地面设备接收到请求后生成线路选择信息，并与请求中的唯一标识码进行比对，若一致，则传输线路数据无变化指示信息；否则，传输新生成的线路选择信息。通过该方式进一步减少了无用信息的传输量，提高了线路数据的传输效率。

优化后方案所需传输的数据量与原方案所需传输的数据量的对比见表1。可以得出，优化后方案大幅降低了CIR 动态线路数据传输对GPRS网络资源的占用，并有效避免了动态线路数据量随线路数目增加而不断增加的问题，使其数据传输量在任何时间、任何地点都可预估、可控制，使通过GPRS 承载CIR 动态线路数据业务具有了可行性。

表1 方案优化前、后传输数据量对比

3 结论

基于GSM-R 的CIR 动态线路数据传输方案将线路数据库迁移到地面进行集中管理，通过GSM-R移动通信系统进行线路数据的传输，可有效降低线路数据库的维护管理成本，提高运用效率。本文分别分析了通过点对点短消息、小区广播短消息、GPRS 3 种数据传输方式，承载动态线路数据的可行性。其中，点对点短消息和小区广播短消息承载方式由于其有限的数据承载量和较高的传输时延，并不适用现有数据结构的线路数据的传输；GPRS的传输能力可满足CIR动态线路数据传输业务的需求，但为了能够在实际中承载运用，必须对其网络资源占用进行大幅度优化。由于GPRS具有低时延的特点，为动态线路数据传输增加了数据交互逻辑，通过线路选择信息分页、呼叫指示信息选择性传输、数据重复性验证3种优化方式，大幅降低了动态线路数据业务所需的数据传输量，并使其传输量可预期、可控制，使动态线路数据传输业务具备了通过GSM-R系统传输承载的条件。

在下一步的研究中，建议充分利用GPRS传输低时延、可双向交互的特点，扩展CIR线路数据业务的功能，在列车行驶过程中为司机提供更多实时有效的线路相关信息；同时，还可以结合大数据对线路数据进行智能化选择，进一步降低人工操作要求，推进CIR设备的现代化、智能化发展。