（通信与信息系统专业论文）铁路gprs系统位置管理策略研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着g s m r 网络在铁路中的应用越来越广泛，其频率资源日渐紧张，单 纯的电路交换数据业务已经不能满足日益丰富的数据业务需要。通用分组无线业 务( g p r s ) 技术在铁路上的应用已逐步展开。g p r s 采用分组数据传输网络承载在 g s m r 网络之上，对移动台的位置管理策略与g s m 。r 网络既有相似之处又有明 显的区别。g p r s 网络的位置管理过程包括小区重选、小区更新和路由区更新； 位置管理区域有小区、路由区和位置区。与g s m r 网络小区和位置区两级的管 理区域相比增加了路由区的概念。与g s m r 网络中移动台的空闲模式和专用模 式不同g p r s 移动台和网络有空闲、待命和就绪三种移动性管理状态，激活和未 激活两种会话管理状态。这样就使g p r s 移动台的位置管理策略变得比较复杂。 以往研究是对移动性管理状态和会话管理状态分别建立模型，本文通过深入 分析空闲、就绪、待命、激活、未激活状态下移动台的位置管理程序，首次提出 将移动性管理状态和会话管理状态结合起来，建立空闲、就绪激活、待命激活、 就绪未激活、待命未激活的状态转移模型。本文从一个崭新的角度深入分析位置 管理策略对数据传输的影响，利用随机过程理论作为数学工具对状态转移模型作 定量分析，并以此为依据调整相关网络参数缩短g p r s 网络在铁路应用中数据传 输时延，提高铁路运输的安全性。 另外本文还研究了g p r s 网络位置管理与g s m - r 网络位置管理间的相互制约关 系，以此为理论基础成功解决了青藏铁路g p r s 网络运行中出现的分组数据丢失问 题，保证铁路运输生产的安全可靠。 关键词：g s m r ；g p r s ；位置管理；数据传输 分类号：t n 9 2 9 5 2 ；u 2 8 5 21 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：a st h ea p p l i c a t i o n so fg s m ri nc h i n ar a i l w a yb e c o m em u c hw i d e r a n dw i d e r , t h e r ei ss h o r to fr a d i of r e q u e n c yr e s o u l c 洽c i r c u i ts w i t c hd a t as e r v i c ec a n t m e e tt h el a r g e rd e m a n do fd a t at r a n s m i s s i o n g p r sn e t w o r ki sb a s e do ng s m - r n e t w o r k , s ot h e r ea r es i m i l a r i t e sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nt w ok i n d so fn e t w o r k r e g a r d i n g w i t hl o c a t i o nm a n a g e m e n ts t r a t e g y t h ep r o c e d u r eo fg p r sl o c a t i o n m a n a g e m e n tc o n c l u d e sc e l lr e s e l e c t ，c e l lu p d a t ea n dr o u t i n ga r e au p d a t e ；l o c a t i o n m a n a g e m e n ta r e ac o n s i s t so fc e l l ，r o u t i n ga r e aa n dl o c a t i o na r e a t h em u t i n ga r e ai s a d d e di n t og p r sn e t w o r kc o m p a r e dw i t ht w o - l e v e lm a n a g e m e n ta r e ai ng s m r n e t w o r k t h r e em o b i l i t ym a n a g e m e n ts t a t e sa n dt w os e s s i o nm a n a g e m e n ts t a t e sa r e d e s i g n e df o rm sa n dn e t w o r k , c o m p a r e dw i t hi d l em o d ea n dd e d i c a t e dm o d ed e s i g n e d f o rg s m - rm o b i l es t a t i o n m o b i l i t ym a n a g e m e n ts t a t e sc o n c l u d ei d l e ，r e a d ya n d s t a n d b y s e s s i o nm a n a g e m e n ts t a t e sc o n c l u d ep d p a c t i v ea n dp d pi n a c t i v e s ot h e l o c a t i o nm a n a g e m e n ts t r a t e g yi ng p r sn e t w o r kb e c o m e sm o r ec o m p l i c a t e d t h ep r o c e d u r eo fg p r sl o c a t i o nm a n a g e m e n ti ni d l e ，r e a d y , s t a n d b ya n dp d p a c t i v e ，p d pi n a c t i v em o d ei sa n a l y z e dp a r t i c u l a r l yi nt h i sp a p e r c o m p a r e dw i t ht h e f o r m e rr e s e a r c hw h i c he s t a b l i s h sm a t h sm o d e lb a s e do nt h em o b i l i t ym a n a g e m e n t s t a t e sa n ds e s s i o nm a n a g e m e n ts t a t e sr e s p e c t i v e l y , m o b i l i t ym a n a g e m e n ts t a t e sa n d s e s s i o nm a n a g e m e n ts t a t e sa r ec r e a t i v e l yc o m b i n e di nt h i sp a p e r , a n dt h em o d e t r a n s t i o nm o d e lb a s e do ni d l e ，r e a d yp d pa c t i v e ，r e a d yp d pi n a c t i v e ，s t a n d b yp d p a c t i v e s t a n d b yp d pi n a c t i v em o d ei se s t a b l i s h e d t h es t o c h a s t i cp r o c e s st h e o r yi s u s e da sm a t h st o o lt oq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z et h em o d et r a n s t i o nm o d e l ，a l s ot h ei m p a c t o fl o c a t i o nm a n a g e m e n ts t r a t e g yf o rd a t at r a n s m i s s i o nd e l a yi ss c i e n t i f i c a l l ya n a l y z e d p a r a m e t e r sw h i c hc o n t r o lt h em a n a g e m e n tp r o c e d u r ea r eo p t i m i z e da f e ra n a l y s i s ，a n d t h es e c u r i t yo fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nw i l lb ei m p r o v e d t h ee f f e c t so fg p r sn e t w o r kl o c a t i o nm a n a g e m e n to ng s m rn e t w o r kl o c a t i o n m a n a g e m e n ti sa l s os t u d i e di nt h i sp a p t e r t h ep r o b l e mo fd a t al o s ti nq i n g h a i t i b e t r a i l w a yh a sb e e ns o l v e dc o m p l e t e l yb a s e do nt h el o c a t i o nm a n a g e m e n ts t r a t e g y r e s e a r c h t h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o na n dp r o d u c t i o ni ss e c u r e d k e y w o r d s ：g s m - r ；g p r s ；l o c a t i o nm a n a g e m e n t ；d a t at r a n s m i s s i o n c l a s s n o - t n 9 2 9 5 2 ；u 2 8 5 2 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 式免高 月iz 日 导师签名： 签字嗍叩年6 月7 日 ， 北京交通大学硕士论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 文作一：触茜期0 7 年乡月i g 日 致谢 在两年的硕士研究生学习过程中，首先要感谢我的导师钟章队教授! 不论是 理论知识的学习还是科研能力的培养，钟老师执著的敬业作风、对科学研究严谨 的态度、精深渊博的学识深深地影响着我。在研究中，钟老师扩展了我对无线通 信领域的理解，勇于创新；在工作中，钟老师培养我行成良好的工作习惯和工作 作风，教我为人处事的原则。我不仅提高了科研工作能力，更明白了作为社会一 员所必须的思想道德素质。在此我向导师表示衷心的感谢! 同时，感谢北京交通大学现代通信研究所的朱刚、李旭、张小津、吴昊、杨 焱、蒋文怡、丁建文、武贵君、艾渤、许荣涛、金晓军、何建军等老师在我学习 期间给予我的热心帮助，在我论文的完成过程中给予的指导和支持。 感谢实验室的各位兄弟姐妹对我的热心帮助和鼓励，真诚合作和交流。在实 验室与你们一起学习和工作的日子是我学生生涯中最美好的一段经历! 最后，我要感谢我的父亲母亲、家人和朋友，是你们对我学业的支持和无微 不至的关心才使我走到今天，每当我遇到困难都会得到你们不变的支持与帮助， 我的每一点进步都凝聚着你们的心血，谢谢你们! 引言 1 引言 1 1 概述 1 1 1g s m - r 的发展历程 1 9 9 3 年，国际铁路联盟c u i c ) 为满足欧洲2 l 世纪铁路一体化进程开展了欧洲 铁路运输管理系统( e r t m s ) 建设项目，并与欧洲电信标准组织e t s i 协商提出了以 g s mp h a s e 2 + 为标准的g s m r 技术作为欧洲各国下一代铁路无线通信的标准。 g s m r 是在g s mp h a s e 2 + 标准上增加了铁路调度通信特殊功能，以适应铁路系统 对列车不断提速、铁路通信系统安全性不断提高、业务不断多样化的需求。全球 第一个g s m r 网络于1 9 9 9 年在瑞典建成并投入使用，目前许多欧洲国家如瑞士、 德国、法国等都采用g s m r 网络为本国铁路系统服务【l 】。 1 9 9 4 年，国家开始在京沪高速铁路建设研究中启动新一代铁路数字移动通信 的研究，并在大量高速铁路和客运专线建设投入使用g s m r 技术。期间g s m r 在中国经历了适用性分析、理论研究、技术学习、工程试验、网络规划建设等阶 段，目前已进入高速发展阶段。 2 0 0 3 年6 月至2 0 0 7 年7 月，我国已完成青藏、大秦、胶济三条试点铁路线 的g s m r 网络的建设，在网络规划、优化、运营方面取得了骄人的成绩。g s m r 为铁路安全运输生产立下汗马功劳。仅在2 0 0 8 年一年就有京津、石太、合武：福 夏等客运专线投入建设使用。按照铁道部铁路建设跨越式发展的需要，在2 0 10 年以前，中国铁路将建成覆盖全路7 0 余条铁路线的g s m r 通信网络。 1 1 2g s m - r 系统简介 g s m i 湛于目前世界最成熟、最通用的公共无线通信系统g s m 平台，是满足 完整铁路应用体系的数字无线通信系统。如图1 1 所示1 2 j ，它分为四个层次：第 一层是g s m 的基本功能和业务；第二层是g s m r 系统特有的集群调度业务，包括 增强多优先级与强拆( e m l p p ，e n h a n c e dm u l t i l e v e lp r e c e d e n c ea n dp r e e m p t i o n s e r v i c e ) 、语音组呼( v g c s ，v o i c eg r o u pc a l ls e r v i c e ) 、语音广播( v b s ，v o i c e b r o a d c a s ts e r v i c e ) ；第三层是基于g s m r 系统的铁路特殊业务，包括功能寻址、 功能号表示、接入矩阵、基于位置寻址；第四层是基于g s m r 系统的具有中国铁 路特色的十大应用：客旅列车移动信息综合接入系统、机车移动信息综合接入系 北京交通大学硕士学位论文 统、集装箱结点站移动信息综合接入系统、动车段车站移动信息综合接入系统、 编组站移动信息综合接入系统、调度通信、列车尾部风压信息传送、机车同步操 作控制系统信息传输、列车控制系统( c t c s 3 c t c s 4 ) 安全信息传输、区间移动信 息接入及公务移动通信。 铁 路 应 用 j 亟亟口 二j 亟正二 二逦亘口e 亚画巫叠圈 铁路基本业务臣亟因巨亟困臣至受固匡亘叠垂圃 高级语音呼叫( a s c i ) 二二亟口 二二夏亘口 二二亟口 图1 1g s m r 系统结构示意图 f i g 1 1g s m - rs y s t e ms t m c m r ef i g u 陀 1 1 3g p r s 在铁路上的发展 g s m r 数字无线通信系统目前主要承载话音业务和数据业务。随着网络规模 的扩大和用户数量不断增长，调度通信、旅客服务、列车控制应用对语音、数据 业务的需求持续增长。尤其是基于电路域的列车控制数据传输对信道的持续占用， 导致铁路枢纽地区频率资源的紧张局面。g s m r 网络中数据业务按照安全等级分 为安全数据业务和非安全数据业务。安全数据业务是指与列车控制有关的信息传 送业务，例如机车同步操控系统( l o e o w 0 1 ) 中的车地双向数据，对传输质量要求较 高需要采用电路模式全程占用信道；非安全数据业务包括调度命令、列车进路预 告信息、红色许可证、绿色许可证及车次号信息等1 3 j 。 为此在第7 届e r t m s 年会上提出在g s m r 网络中引入在g s m 中成熟的 g p r s 技术作为铁路数据通信发展的方向。采用g p r s 网络传输非安全数据，通 过提供端到端的分组交换数据，多用户共享一个分组数据传输信道，同时进行几 2 引言 个数据业务的传输，且用户需要传输数据时才占用信道。这样可以在两个数据业 务的空闲时间插入另一个数据业务，提高了网络性能和资源利用率。 1 1 4q p r s 位置管理研究现状 关于位置管理策略的研究基本上都是针对g s m r 系统小区和位置区两级位 置管理区域。包括两方面的研究：一是位置更新算法的研究，分为基于运动的更 新 4 1 【5 1 、基于时间的更新 6 1 忉、基于移动模式的更新【引、基于距离的更新 9 1 、选择 l a 更新【1 0 l ；二是对系统网络数据库结构的研究，分为基于无记忆的方法【1 1 1 和基 于有记忆的方法【1 2 1 。由于这两方面的内容属于位置登记理论方面的研究，不是本 文研究的重点，所以这里不做具体展开。 g p r s 网络是在g s m r 核心网上增加了独立于电路交换和传输网络的一种 分组数据交换和传输网络。其位置管理策略基本沿用g s m r 系统的两级数据库 结构，但是在位置管理区域的设定上增加了介于小区和位置区之间的路由区对移 动台进行跟踪。同时在移动台侧和网络侧原有空闲模式和专用模式两种状态中加 入待命状态，这种移动性管理状态的改变也使g p r s 网络的位置管理策略与 g s m r 网络相比产生很多的差异。 目前关于g p r s 位置管理策略的研究还很少。对移动台和网络的移动性管理状 态研究中只是简单的介绍了空闲、就绪、待命、激活、未激活状态的定义，几种 触发状态转移的事件及移动台在这些状态下可以执行的操作，缺乏实验证明过程 【1 3 】【1 8 】。一些研究对协议中规范的移动性管理状态模型和会话管理模型分别建模， 孤立的对g p r s 位置管理策略进行分析，研究成果只是停留在理论分析阶段没有与 g p r s 网络的数据传输应用结合起来【1 9 1 。【2 3 1 。移动性管理状态模型如图1 2 所示， 会话管理模型如图1 3 所示。对g p r s 位置管理程序的研究也主要集中在g m m 层 的附着过程、路由区更新过程及其对s g s n 等网络实体存储信息内容的更改上 【2 4 】- 【2 8 1 ，而对b s s g p 层的挂起程序、恢复程序、逻辑链路清空等过程的研究还属于 空白，以致不能清楚理解g s m r 位置管理过程对g p r s 位置管理过程的制约关系。 在出现数据传输故障时只考虑至i j g p r s 网络本身的问题，忽视了g s m r 网络电路 域对分组域数据传输的影响。 3 北京交通大学硕士学位论文 m s 侧移动性管理状态缀鬻s g s x 捌移动经管理状悫携激 图1 2 移动性管理状态模型 f i g 1 2m m s t a t em a n a g e m e n tm o d e l 图1 3 会话管理状态模型 f i g 1 3s m s t a t em a n a g e m e n tm o d e l 1 2 本课题研究的意义 g p r s 业务在中国铁路的应用领先于欧洲，在我国使用g p r s 之前没有成功 的经验可以借鉴。当前对位置管理策略的研究成果中绝大多数都在提出理论方案 的层次，没有结合到具体的铁路实际业务应用中去。位置管理对于g p r s 系统的 性能具有重要意义，合理的位置管理策略可以更好地节省无线资源、减少数据传 输的时延，还能够提高系统的安全性和可靠性对于铁路安全生产也是意义重大。 因此在本文中将g p r s 的位置管理策略同我国铁路的具体使用情况相结合，作为 对g p r s 网络不断进行优化改造的理论依据，提高g p r s 网络的位置管理性能使 4 引言 g p r s 网络满足我国铁路高速发展进程中对数据通信的要求。本文着重将铁路中 用户高速运动的实际情况同g p r s 位置管理策略的特点相结合提出针对中国铁路 g p r s 网络的改进方案。保证列车在高速运行中g p r s 数据业务的可靠传输，为 中国铁路无线通信中更好地应用g p r s 技术做出贡献。 1 3 本文的内容和结构安排 本论文主要研究了如何提高列车在高速运行情况下g p r s 数据业务的可靠传 输。通过对铁路g p r s 网络位置管理策略的具体分析，提出针对铁路应用的网络 优化方案。通过对移动台侧和网络侧位置管理机制的分析，调整与位置管理相关 的网络参数提高g p r s 网络的使用效率。 论文主要内容如下： 第二章介绍了g p r s 移动通信系统的网络结构；g p r s 业务在铁路中应用及 其特点；g p r s 网络与g s m r 网络在位置管理方式、组网结构等方面的异同；铁 路c t c 系统利用g p r s 网络传输行车调度信息过程的研究，其中这部分重点研究 数据在传输过程中的路由选择机制和i p 地址的变更过程。 第三章对g p r s 网络中移动台侧和网络侧移动性管理状态和会话管理状态模 式、状态转移过程的触发事件研究后，将移动性状态和会话管理状态相结合建立 有利于分析位置管理策略对数据传输时延影响的状态转移模型，利用随机过程这 一数学工具进行数学建模。对不同业务模型的输入参数作定量分析利用仿真结果 调整相关定时器的值，以最大限度的减小小区更新、路由区更新带来的数据传输 延迟、丢失问题，使g p r s 网络在高速铁路中更可靠的进行数据传输。 第四章分析g p r s 网络中位置管理过程、g s m r 网络位置管理与g p r s 网络 位置管理的关系，及其对g p r s 网络对数据传输的影响。解决青藏铁路中遇到的 列车进路预告信息数据丢失的实际问题，保证青藏铁路安全运行。 第五章为本文总结和未来展望。 5 北京交通大学硕士学位论文 2g p r s 在铁路中的应用 2 1g p r s 概述 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务) 是在现有的g s m 网络 基础上增加一系列分组交换功能实体，提供比g s m 网9 6 k b i t s 更高更灵活的分组 数据传输方式。在无线接入网部分与g s m 网络使用相同的频段、带宽、g m s k 调 制解调技术【2 州。 g p r s 在g s m 原有的低速电路域数据业务的基础上实现了高速分组数据业 务。二者共享无线网络资源，不但提高了频率资源的利用率，而且只需对现有g s m 网络进行少许改造和软件升级即可实现无线网络从2 g 向2 5 g 的转型为g s m 向 第三代移动通信技术的过渡打下了良好的基础。但由于g p r s 网络还是构建在 g s m 之上，因此其所提供的数据业务在高速性和可靠性上还不能完全满足需求。 2 1 1g p r s 网络总体结构 g p r s 网络是在原有g s m 核心网中增 j i j s g s n ( g p r s 业务支持节点) 和g g s n ( g p r s n 关支持节点) 交换单元，在无线子系统d p j i j ) k p c u ( 包控制单元) 、r a d i u s 服务器、d n s ( 域名系统) 等完成用户认证和i p 地址解析等功能实现端到端的数据 传输。其系统结构如图2 1 所示1 3 0 】。 可以看出g p r s 系统在g s m 原有系统上增加的三个主要网元是p c u 、s g s n 、 g g s n 。g p r s 移动台把分组数据通过基站发送到s g s n ，s g s n 与g g s n 进行通 信，g g s n 对分组数据进行相应的处理转发到外部数据网络。来自外部数据网络 的分组数据由g g s n 接收再转发到s g s n ，最后传送给g p r s 移动台。 g p r s 网络与g s m 系统公用b t s ( 基站) 。在b s s 基站子系统中需要增加一个 p c u 单元用于接收处理分组数据，为管理g p r s 无线分组信道增加了新的移动性 管理软件。如果网络只支持c s 一1 和c s 2 编码方式，则无需在b t s 内增加任何硬 件单元，只需对现有的软件进行升级。如网络要支持g p r s 的c s 3 和c s 4 编码， 则应在b t s 中增加相应c c u ( 信道编码单元) 模块。p c u 的功能有：实现核心网中 的包数据单元p d u 与无线侧r l c 块之间的数据格式转换；为传输的包数据安排 无线信道；对信道的询问、请求、授权功能进行控制；执行无线信道功率控制、 拥塞控制、广播控制。 s g s n 是g s m 网络结构中与m s c 处于网络体系的同一层的一个节点，负责 g p r s 移动性管理。s g s n 的主要作用是记录移动台的当前位置信息，并且在移 6 g p r s 在铁路中的应用 动台和g g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收。s g s n 的功能有：分组数据 的存储转发、会话管理、移动性管理、逻辑链路管理。 g g s n 通过基于i p 协议的g p r s 骨干网与s g s n 相连，是连接g p r s 网络和 外部数据网络( 如因特网和局域网) 的网关。g g s n 主要是起网关作用也称g p r s 路由器，实际上现在使用的g g s n 都是在路由器的基础上加以改造得到的。g g s n 可以把g p r s 网中的分组数据包进行协议转换，送到远端的t c p i p 或x 2 5 网络。 g g s n 的功能有：对数据包进行路由选择和转发、移动性管理。 多 匝 圃 乡 匪 圃 图2 1g p r s 系统结构 f i g , 2 1t h es t r u c t u r eo fg p r ss y s t e m 2 1 2g p r s 的主要特点 ( 1 ) 由于数据业务在绝大多数情况下都表现出一种突发性的业务特点对信道 带宽的需求变化较大，因此采用分组方式进行数据传送将能够更好地利用信道资 源。例如用户在浏览信息时大部分时间处于阅读状态，而真正用于数据传送的时 间只占很小比例。这种情况下若采用固定占用信道的方式将会造成较大的资源浪 费，所以g p r s 采用分组交换技术用户只有在发送或接收数据期间才占用网络资 源和无线资源提高了资源使用效率。 ( 2 ) 为了访问g p r s 业务m s 会首先执行g p r s 接入过程，以将它的存在告 知网络。 7 北京交通大学硕士学位论文 ( 3 ) 为了收发g p r s 数据m s 会激活它所想用的分组数据地址。这个操作使 m s 可被相应的g g s n 所识别，从而开始与外部数据网络的互通。 ( 4 ) 小区选择可由m s 自动进行，或者基站系统指示移动台选择某一特定的 小区。移动台在重新选择一个路由区时会通知网络。 ( 5 ) 用户数据在m s 和外部数据网络之间透明地传输，使用封装和隧道技术： 数据包用特定的g p r s 协议信息打包并在m s 和g g s n 之间传输。这种透明的传 输方法缩减了g p r s 对外部数据协议解释的需求，而且易于在将来引入新的互通 协议。 ( 6 ) 定义了新的g p r s 无线信道每个用户可以使用1 8 个时隙，同一个时隙可 以为多个用户共享，且向上链路和向下链路的分配是独立的。 ( 7 ) g p r s 支持四种不同的q o s 级别，根据无线信道质量为每个用户提供9 0 5 1 7 1 2 k b i t s 的数据传输速率。g p r s 采用了与g s m 不同的信道编码方案，定义 了c s 1 、c s 2 、c s 3 和c s 4 四种编码方案。当用户数据传输速率要达到理论上 的最大值1 7 1 2 k b i t s 时一个用户要占用所有的8 个时隙，且在编码方案上对数据 没有任何纠错保护，对无线信道质量要求很高。另外，一些g p r s 终端可能仅支 持1 个、2 个或3 个时隙，因此用户带宽会受到严重的限制。1 7 1 2 k b i t s 的最大传 输速率将会受到网络和终端条件制约。 ( 8 ) g p r s 的核心网络层采用i p 技术，底层可使用多种传输技术方便地实现 与高速发展的i p 网无缝连接。 ( 9 ) g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。 ( 1 0 ) g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用可以和i p 网、x 2 5 网互联互通。 ( 1 1 ) g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的 大最数据的传输。 ( 1 2 ) g p r s 的安全功能同现有的g s m 安全功能一样。身份认证和加密功能由 s g s n 来执行。其中的密码设置程序的算法、密钥和标准与目前g s m 中的一样， 不过g p r s 使用的密码算法是专为分组数据传输所优化过的。 2 1 3g p r s 的业务 g p r s 业务是一种新的g s m 承载业务，是以分组模式在p l m n 和与外部网络互 通的内部网上传输数据。在有g p r s 承载业务支持的标准化网络协议的基础上， g p r s 网络管理可以提供( 或支持) 一系列的交互式e g 信, _ l k 纠3 1 】f 3 2 j 【3 3 1 。 8 g p r s 在铁路中的应用 2 1 3 1 承载业务 支持在用户与网络接入点之间的数据传输。提供点对点业务、点对多点业务 两种承载业务。 点对点业务( p t p ) 点对点业务在两个用户之间提供一个或多个分组的传输。由业务请求者启动， 被接收者接收。 点对多点业务( p t m ) 点对多点业务是将单一信息传送到多个用户。g p r sp t m 业务能够提供一个 用户将数据发送给具有单一业务需求的多个用户的能力。包括有三种p t m 业务： l l 点对多点广播( p t m - m ) q k 务是将信息发送给当前位于某一地区的所有用 户的业务。 2 ) 点对多点群呼( p t m g ) 业务是将信息发送给当前位于某一区域的特定用 户子群的业务。 3 ) i p 多点传播( i p m ) 业务是定义为i p 协议序列一部分的业务。 2 1 3 2 用户终端业务 g p r s 支持电信业务，提供完全的通信业务能力包括终端设备能力。用户终 端业务可以分为基于盯p 的用户终端业务和基于p t m 的用户终端业务。如表2 1 所示。 表2 1g p r s 用户终端业务分类 t a b 2 1s e r v i c ec l a s s i f yo fg p r su s e rt e r m i n a t i o n 会话 报文传送 基于p t p 的用户终端业务 检索 遥信 分配 调度 基于p t m 的用户终端业务 会议 预定发送 地区选路 9 北京交通大学硕士学位论文 2 1 3 3 附加业务 g s m 第2 阶段附加业务支持所有的g p r s 基本业务p t p c o n s 、p t p c l n s 、 i p m 和p t m g 的c f u ( 无条件呼叫转送) 。g s m 第2 阶段附加业务不适用于 p t 】m m 。 2 1 3 4 铁路g p r s 应用业务【3 4 】 3 5 1 铁路运行调度信息 包括：列尾信息传送、调度命令传送、调车无线机车信号和监控信息传送、 无线车次号传送、进站停稳信息及接车进路信息的传送、车站编组场综合移动信 息的传送等。 一铁路设施维护管理信息 包括：机车工况信息的传送、牵引工况信息的传送、铁路线路监测状态数据 通信业务的传送等。 旅客服务信息 包括：客车售检票信息的传送、旅客服务信息的传送等。 其他服务信息 包括：静止图像信息的传送、铁路办公信息系统的传送、g s m r 场强监视信 息的传送等。 2 2g p r s 与g s m 的异同 g p r s 在g s m 网上挤占了一块无线连接资源，而b s s 借用g s m 系统，p c u 起到b s c 作用进行无线资源管理，s g s n 起m s c 的作用进行分组交换移动性管 理，用g g s n 用作数据网的接入服务器建立与外部网的分组通信。表2 2 从无线 资源使用情况、网络结构、服务区域设置和移动性管理等方面对g s m 网络和 g p r s 网络进行比较。 表2 2g s m 与g p r s 的比较 t a b 2 2c o m p a r i s o no fg s ma n dg p r s 对比内容g s m g p r s 无线资源占用频段9 0 0 m h z 18 0 0 m h z l9 0 0 m h z同g s m 空中接口渊制方式 g m s k 渊制同g s m 空中接口复用方式 t d m a + f d m a同g s m 数据占用链路( 时 专用统计复用 隙) 方式 接续原理 实电路连接( c s )虚电路连接( e s l 无线数据格式 每2 0 m s 固定产生2 6 0 b i t ，编码数据包大小不定采用c s l c s 4 编码 1 0 g p r s 在铁路中的应用 表2 2g s m 与g p r s 的比较( 续) t a b 2 2c o m p a r i s o no fg s ma n dg p r s ( c o n t m u e ) 对比内容 g s mg p r s 后成4 5 6 b i t 分四个n b ( n o r m a l方式，但也分成一个个经一。定净数 b u n t ) 发送。 据编码后由4 5 6b i t 组成的r b ( r a d i o b l o c k ) ，以便按g s m 方式发送。 网络接入方式通过i m s ia t t a c h 过程一步入网。分g p r sa t t a c h 和p d p 上下文激活 两步入网。 无线子系统与核心b s c - - m s c 按a 接口协议通信b s c - - s g s n 按g b 协议通信连接。 网的连接连接。 服务区构成c e l l l a m s c 服务区一c e l l r a s g s n 服务区一g p r s p l m n 服务区一g s m 服务区。本地网服务区一g p r s 服务区。 位置管理位置区更新：由l a 规定，m s c路山区更新：由r a 规定，就绪或待 不同时要通知h l r ：命状态的移动台在不同路由区做路 切换：专用模式移动台的切换由由区更新： b s c 决定。 小区更新：就绪状态的移动台经过 同一路由区内的不同小区做小区更 新过程； 小区重选：待命状态的移动台经过 同一路由区内的不同小区做小区重 选过程。 寻呼 只对空闲模式的移动台进行寻 只对处于待命激活状态的移动台进 呼。以l a 为单位，在其各c e l l行寻呼。以r a 为单位，在其各c e l l 的p c h 上下发寻呼信号。的p p c h 上下发寻呼信号。 安全功能用三参数组进行鉴权、加密、设用三参数组进行鉴权、加密、设备 备检查，用t m s i 保证i m s i 安检查，用t m s i 保证i m s i 安全，用 全。 p t m s i ( t l l i ) 保证i m s i 安全。 2 3g s m - r 网络中g p r s 应用的特点 g s m r 网络中的g p r s 应用与公网中g p r s 应用相比较有着自身的特点。这些 特点必然造成g s m - r 网络中同公网中的g p r s 在业务功能、网络结构以及参数设 置上的一些差异【3 6 】p 7 j 。 2 3 1 高速移动性 在公共g p r s 网络中，g p r s 用户多数处于静止状态或者缓慢移动状态。而 铁路g p r s 业务在很多情况下是在移动状态甚至高速移动状态下完成车地之间的 数据通信。因此，高速移动性是铁路应用g p r s 的一大特色。 铁路g p r s 业务高速移动性直接引起频繁的小区变化给g p r s 数据传输的影 北京交通大学硕士学位论文 响。在我国现有的铁路运行中旅客列车运行速度在1 8 0 k m h 左右，货运列车运行 速度相对较慢。但是在今后即将开通的客运专线或高速铁路中列车行驶速度将达 到2 5 0 k m h 以上，最高可达3 5 0 k m h 。g s m r 小区半径一般在四公里左右，那么 以现在旅客列车行驶速度来计算，列车穿行一个小区的时间在2 分半钟左右提速 后时间将更少，在数据传输过程中出现小区变化甚至路由区变化的可能性更大。 因此位置管理是对数据传输带来影响的一个主要问题。 2 3 2 业务量相对集中 公网中，g p r s 的应用主要集中在城市但分散区域很大。而铁路g p r s 应用 业务主要分布在铁路沿线和编组站及车站的某些固定位置。 同时，编组站和主要车站要比铁路沿线的通信业务量大得多。在这种情况下， 可以通过不同的业务量分布提出满足铁路需求的g p r s 网络规划优化模型，以适 应铁路专用g p r s 网络的发展。 2 3 3 业务相对固定 与公共网络相比，铁路g p r s 应用业务相对固定。这种固定主要体现在业务 的使用方式一旦确定就不会有大的改变。铁道部规定g p r s 主要应用有以下几个 方面：铁路运行调度信息、铁路设施维护管理信息、旅客服务信息以及其他服务 信息。其中列车进路预告信息对铁路安全生产有较大影响，下面还将主要对列车 进路预告信息的传输方式进行详细介绍。其次是业务使用时间和使用地点相对固 定。 2 3 4 性能指标要求高 在公共g p r s 网络中，g p r s 提供的是一种尽力而为( b e s te f f o r t ) 的服务。而铁 路g p r s 业务多直接服务于铁路生产，对各种业务的安全性、实时性要求很高。 信息传输的任何差错和延时都可能直接为铁路运输生产埋下安全隐患。 虽然g p r s 网络本身是一种尽力而为( b e s te f f o r t ) 的网络。为了在铁路生产中 应用必须对g p r s 网络参数进行合理的配置优化，提高g p r s 网络的各项性能指 标，尤其是要保证关键业务的指标要求。 1 2 g p r s 在铁路中的应用 2 3 5 终端性能较高 铁路移动终端必须有较高的性能。由于铁路生产中的环境比较恶劣铁路移动 终端必须在安全性、可靠性、持久地作业方面比普通的公网移动终端有较大的提 高，否则将对铁路运输安全造成威胁。 2 4 行车调度信息的传输 铁路行车调度信息包含：列车进路预告、调车请求、调度命令、行车凭证、 调车作业通知单等信息。其中列车进路预告信息由c t c t d c s ( 集中调度系统) 自 动生成；调车请求信息由司机按调车请求键发送；行车凭证和调车作业通知单可 由调度员在列车调度台上发送，也可由车站值班员在终端上发送。 铁路行车调度信息用来解决机车同地面c t c t c d s 系统之间的信息交互。通 过g p r s 的方式传输数据信息提供一个信息接入平台，使得车地之间可以通过 g s m - r g p r s 网络进行信息传输。由于是关系到列车行车安全的重要信息传输， 信息内容指导列车司机对机车的操作。例如列车进路预告信息它的内容是通知司 机在下一站经过还是停车，在哪个匝道经过或停车。如果此信息丢失或没有即时 传送给司机会对行车安全造成重大隐患。因此它对信息传送的实时性、可靠性要 求很高，同时还具有周期性的特点需要在很短的周期内将信息通知给列车司机。 2 4 1 行车调度信息传送系统 该系统由c i r ( 机车无线综合通信设备) 、g s m r 网络、c t c t d c s 中心设备( 由 行车调度台、调车调度台、g s m r 通信服务器等组成) 、g r i s ( 访问g p r s 接口服 务器) 、g r o s ( 归属g p r s 接口服务器) 等组成。g r i s 和g r o s 负责g p r s 网络与 c t c t d c s 系统间的通信，通过局域以太网与g g s n 、s g s n 等g p r s 网络核心设 备连接；c t c t d c s 系统通过g s m m 臣信服务器与g r i s 连接，g s m - r 通信服务器 与g r i s 共同负责网络间的通信；g s m r 通信服务器与g r i s 采用局域以太网连接 方式，长距离条件下采用光纤传输延伸局域网；g p r s 网络与c t c t d c s 系统都各 自设置防火墙，以保证自身网络的安全。行车调度信息传送系统的结构图如图2 2 所示【3 8 】【3 9 】： 1 3 北京交通大学硕士学位论文 多 回 i ，。，? 回 图2 2 行车调度信息传送系统结构 f i g 2 2t h es t r u c t u r eo f t r a n s m i s s i o ns y s t e mf o rd