banner.jpg)
相關(guān)專題：
摘 要 針對鐵路現(xiàn)有無線通信業(yè)務(wù)的需求，介紹了鐵路運輸中基于GSM-R的GPRS技術(shù)，對GPRS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了概括的描述。然后針對GPRS中傳輸時延的測試提出了兩種方案，進(jìn)行了實際測試對結(jié)果進(jìn)行了分析。
1、引言
專用移動通信網(wǎng)和公眾移動通信網(wǎng)的融合是專網(wǎng)發(fā)展的一大趨勢，正在向著高速、寬帶、多業(yè)務(wù)的方向發(fā)展。GSM-R可以隨著GSM向第三代移動通信系統(tǒng)的演進(jìn)而平滑過渡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速化、寬帶化，符合專用移動通信網(wǎng)的發(fā)展趨勢。目前，GSM-R是唯一能夠向第三代移動通信系統(tǒng)平滑過渡的提供專用調(diào)度通信服務(wù)的系統(tǒng)，我國GSM-R的頻段是：上行885-889 MHz，下行930-934 MHz。
2、GSM-R系統(tǒng)簡介
GSM-R是一種基于目前世界最成熟、最通用的公共無線通信系統(tǒng)GSM平臺上的、專門為滿足鐵路應(yīng)用而開發(fā)的數(shù)字式的無線通信系統(tǒng)。它基于GSM的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及其提供的電信業(yè)務(wù)，提供了鐵路特有的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)，并以此作為一個信息化的平臺，使得用戶可以在這個信息平臺上輕松開發(fā)各種各樣的鐵路應(yīng)用。圖1為GSM-R系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模型層次結(jié)構(gòu)。
3、基于GSM-R的GPRS網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢
隨著鐵路信息化水平的不斷提高，數(shù)據(jù)通信在鐵路安全與效率方面的角色也變得日益重要。GPRS（General Packet Radio Service）通用分組無線業(yè)務(wù)是一種基于包的無線通訊服務(wù)。GPRS使得用戶能夠在端到端的分組傳輸模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。所謂的分組交換就是將數(shù)據(jù)封裝成許多獨立的分組，再將這些分組一個一個地傳送出去。采用分組交換的好處是只有在有數(shù)據(jù)需要傳送時才會占用頻寬。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維定式，用戶使用GPRS業(yè)務(wù)將具有建立時間短、數(shù)據(jù)傳輸速率高、支持X.25和IP協(xié)議、永遠(yuǎn)在線、提供資源的優(yōu)化等優(yōu)勢。GPRS支持間歇和爆發(fā)式數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，支持間或的大量數(shù)據(jù)傳輸，還能支持幾種QoS；能在0.5-1之內(nèi)恢復(fù)數(shù)據(jù)的重新傳輸。其收費是基于傳送的數(shù)據(jù)量而不是按通信的時間計算的。此外，GPRS支持短信息服務(wù)，從而使GSM系統(tǒng)空出了更多的信令信道，節(jié)省了寶貴的無線資源。GPRS網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加了一個新的網(wǎng)絡(luò)，充分利用了現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)設(shè)備，僅通過增加相應(yīng)的功能實體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造、增加一些硬件設(shè)備和軟件升級，形成一個新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實體來實現(xiàn)分組交換，就使現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)與數(shù)據(jù)網(wǎng)結(jié)合起來。
在GSM-R中引入GPRS技術(shù)不僅能滿足鐵路發(fā)展的需要，從而提供更多的服務(wù)，提高鐵路服務(wù)質(zhì)量。目前鐵路上使用GPRS傳輸列尾風(fēng)壓、車次號信息、列車啟動停穩(wěn)信息和調(diào)度命令等。
4、基于GSM-R的GPRS的體系概述
4.1 GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
GPRS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖（如圖2所示）可以看出實現(xiàn)GPRS系統(tǒng)需在GSM系統(tǒng)中引入3個主要組件，這3個主要組件是：SGSN（GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點）、GGSN（GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點）和PCU（分組控制單元）；除此之外，還需對GSM系統(tǒng)中的相關(guān)部件（如MSC/VLR、HLR、BTS等）進(jìn)行軟件升級，以支持GPRS的移動性管理、路由管理及用戶數(shù)據(jù)傳送等。
PCU處理從話音業(yè)務(wù)中分離出的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，控制無線信道的分配；節(jié)點SGSN的功能與MSC/VLR類似，具有網(wǎng)絡(luò)接入控制、路由選擇和轉(zhuǎn)發(fā)、移動性管理、計費信息的收集等功能。網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點GGSN的主要功能是網(wǎng)絡(luò)接入控制、移動性管理和邊界管理等，支持與外部網(wǎng)絡(luò)的透明和不透明連接。DNS主要完成對域名的解析，主要有兩方面的內(nèi)容：在用戶進(jìn)行上下文激活的時候，SGSN將APN提交給域名服務(wù)器解析，由此獲得GGSN的IP地址；在SGSN之間的路由區(qū)更新過程中，新的SGSN通過域名解析查找原SGSN的地址。
4.2 GPRS移動性管理
GPRS定義了3種移動性管理的狀態(tài)，即GPRS空閑（Idle）狀態(tài)、待命（Standby）狀態(tài)和就緒（Ready）狀態(tài)。
IDLE狀態(tài)：用戶不為GPRS網(wǎng)絡(luò)所知，表明移動臺已開機(jī)，尚未附著到GPRS移動性管理上去。移動臺只能接收PTM-M的傳輸，但不能接收和發(fā)送PTP和PTM-G數(shù)據(jù)。在這種狀態(tài)下移動臺可以被網(wǎng)絡(luò)認(rèn)為是不可及的。
STANDBY狀態(tài)：移動臺此時已經(jīng)附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，并且和SGSN建立了MM連接。SGSN對MS的移動性管理僅在路由區(qū)（RA）的層次上。移動臺在這種狀態(tài)下可以接收對PTP或PTM-G數(shù)據(jù)的尋呼。這時移動臺可以通過激活PDP上下文轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)。
READY狀態(tài)：當(dāng)移動臺和GPRS網(wǎng)絡(luò)的分組傳輸正在進(jìn)行中或剛剛結(jié)束時，移動臺就處于就緒狀態(tài)。在就緒狀態(tài)下移動臺可接收PTM和PTP數(shù)據(jù)。SGSN可隨時向移動臺直接傳送數(shù)據(jù)，不必先呼叫，移動臺也可隨時向SGSN傳送數(shù)據(jù)。SGSN對MS的移動性管理在具體小區(qū)的層次上。
5、基于GSM-R的GPRS網(wǎng)絡(luò)測試指標(biāo)
從整個鐵路通信來看，可以分為安全的數(shù)據(jù)傳輸通道和非安全的數(shù)據(jù)傳輸通道。GPRS屬于非安全的數(shù)據(jù)傳輸通道，但使用GPRS的各種鐵路應(yīng)用也存在著不同的需求。GPRS在鐵路上的應(yīng)用種類繁多，用途不同，對鐵路生產(chǎn)的重要性不同，因此所要求的QoS也各不相同。
5.1 鐵路GPRS應(yīng)用的優(yōu)先級需求
在鐵路所有的GPRS應(yīng)用中可以分為兩大類：列車運行相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸和列車服務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸。前一類主要以鐵路行車調(diào)度信息為主，包括無線車次號和監(jiān)控信息傳送、調(diào)度命令、列尾信息以及編組站列檢商檢信息的傳送；另一類包括，旅客列車車地信息交互、鐵路公安相關(guān)信息傳送等。
兩大類信息的傳送的優(yōu)先級不同，由于GSM-R首先要保證鐵路生產(chǎn)的安全可靠有效運行，因此列車相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級要高于列車服務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸。同時在這兩大類應(yīng)用中每一種具體應(yīng)用的優(yōu)先級也存在差異。如表1所示。
5.2 鐵路GPRS應(yīng)用的時延需求
由于鐵路生產(chǎn)中GPRS的應(yīng)用同普通的公網(wǎng)中的GPRS用戶存在著本質(zhì)的差別，因此在鐵路中的各種應(yīng)用，尤其是列車運行相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸需要盡量小的數(shù)據(jù)傳送的時延。同時，在鐵路中的不同應(yīng)用對時延的要求有著相對不同的要求。如表2所示。
5.3 鐵路GPRS應(yīng)用的可靠性需求
鐵路中的GPRS應(yīng)用大部分直接為鐵路生產(chǎn)運輸服務(wù)，因此對于信息傳送的可靠性要求相對較高，在信息傳送中的錯誤比特將有可能直接影響到鐵路運輸安全。根據(jù)鐵路GPRS應(yīng)用的實際情況可以按表3進(jìn)行簡單分類。
5.4 鐵路GPRS應(yīng)用的吞吐量需求
鐵路中的GPRS應(yīng)用特點在于其應(yīng)用相對固定，而且業(yè)務(wù)量相對固定。對吞吐量影響最大的是在進(jìn)行分組數(shù)據(jù)傳輸時所分配的時隙，在鐵路中多數(shù)應(yīng)用其傳輸字節(jié)較少，對吞吐量的要求主要集中在峰值吞吐量的要求上。各GPRS應(yīng)用所需傳送信息字節(jié)數(shù)如表4所示。
6、基于GSM-R的GPRS網(wǎng)絡(luò)的測試
6.1 技術(shù)要求
GPRS以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為核心，所以這就要了解數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的協(xié)議、應(yīng)用和技術(shù)特點。另一方面GPRS信令復(fù)雜，需要通過對信令進(jìn)行監(jiān)視、分析。要測試GPRS的網(wǎng)絡(luò)性能要對測試儀表和相關(guān)軟件提出很高的要求。
6.2 PING數(shù)據(jù)傳輸時延的測試
GPRS在編碼方案為CS1，且有一個PDTCH時，使用PING指令進(jìn)行移動臺到網(wǎng)絡(luò)時延的測試，測試的時間是往返程的時延，指令如下：
Ping-I 128-n 50-W 5000
Ping-I 256-n 50-W 5000
Ping-I 512-n 50-W 5000
Ping-I 1024-n 50-W 5000
同理對編碼方案為CS1，且有2個PDTCH時，使用PING指令進(jìn)行移動臺到網(wǎng)絡(luò)時延的測試，測試的時間是往返程的時延，測試結(jié)果如表5所示。
由此可見隨著分組數(shù)據(jù)包大小的增加在相同信道的情況下傳輸時延也是隨之增加的；隨著信道數(shù)的增加，在相同大小的數(shù)據(jù)包的情況下，信道數(shù)越多傳輸時延越小。
6.3 優(yōu)先等級的測試實現(xiàn)
在鐵路應(yīng)用中不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級是有著根本不同的。因此，在GPRS網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建PDP場景時需要申請不同的優(yōu)先級。在GPRS中，用戶可申請的優(yōu)先級分為3種即高優(yōu)先級、正常優(yōu)先級和低優(yōu)先級。
分別為兩移動臺申請高優(yōu)先級和低優(yōu)先級進(jìn)行對比試驗。兩個移動臺在同一基站下對Gi接口裝有UDP測試軟件的主機(jī)對進(jìn)行時延測試。測試環(huán)境如圖3所示。
測試UDP包大小為1 024字節(jié)，測試50次，超時時間設(shè)置為4 000 ms，進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸時延測試。網(wǎng)絡(luò)設(shè)定一個靜態(tài)PDTCH信道，采用CS-2編碼方式，測試處場強(qiáng)大于-60 dBm。這樣兩個移動臺在同一個小區(qū)內(nèi)的一個PDTCH信道上進(jìn)行爭搶，表6顯示了兩移動臺分別在申請了不同優(yōu)先等級情況下時延測試中的差別。
從以上數(shù)據(jù)可以看出不同優(yōu)先級的移動臺在爭搶資源時的差異，高優(yōu)先級用戶傳輸時延和丟包率的性能都要高于低優(yōu)先級用戶。因此可以根據(jù)不同的鐵路GPRS應(yīng)用，為移動臺提供不同的優(yōu)先級等級。
當(dāng)然，目前GPRS并不能滿足所有的鐵路應(yīng)用對優(yōu)先級等級分類的需求，但至少能夠在功能上提供不同優(yōu)先級的服務(wù)。
這些測試都是在實驗室室內(nèi)、無干擾的靜止環(huán)境進(jìn)行的，在實際的測試環(huán)境中這兩種傳輸時延和丟包率應(yīng)該要大一些。
7、結(jié)束語
無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用正在迅速發(fā)展，GPRS是目前實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的最佳承載方式。
基于GSM-R的GPRS網(wǎng)絡(luò)性能還不是很好，還要對其性能的進(jìn)行更深入的測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行分析。因此基于GSM-R的GPRS網(wǎng)絡(luò)性能的測試工作還是需要進(jìn)一步地加強(qiáng)。
參考文獻(xiàn)
1 鐘章隊等編著.鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng).中國鐵道出版社
2 韓斌杰編著.GPRS原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化.機(jī)械工業(yè)出版社
3 鐘章隊等編著.GPRS通用分組無線業(yè)務(wù)
4 文志成著.通用分組無線業(yè)務(wù)——GPRS. 電子工業(yè)出版社
5 李敏之等著.基于GSM-R的GPRS技術(shù)在我國鐵路交通運輸中的應(yīng)用. 甘肅科技
