（通信与信息系统专业论文）基于gsmr的列控系统pri接口监视系统设计与研发.pdf

摘要 摘要：g s m r 作为铁路专用的通信技术，正在铁路范围内得到越来越广泛的应用， 推动着各国铁路行业的发展。g s m r 网络运行性能和质量成为影响铁路运营的关 键因素之一。车地信息传输通道是列车运行控制系统的重要组成部分。作为主要 车地通信通道的g s m - r 网络在实际运营维护过程中存在着问题责任的归属的问 题。本文通过分析列控系统原理和车地通信的特点有针对性的提出了列控系统 与g s m r 网络之间p r i 接口监测系统方案。该监测系统能够监视采集g s m r 网 络与列控系统之间的信令和数据传输，对于车地通信故障的分析与定位，具有十 分重要的意义。论文介绍了g s m r 网络及其承载数据业务，分析了g s m r 数据 传输的一般原理和数据传输流程。在介绍青藏线基于g s m r 网络的增强型列控系 统( i t c s ) 的原理和构成的基础上，详细阐述了p r i 接口监视系统的功能需求、设计、 控制程序流程设计与开发方法。p r i 接口监视系统在青藏线上得到充分的应用，本 文通过对实际监测数据的分析，进一步阐述了该系统在i t c s 业务的实时观测，以 及发现车地通信问题中所起到的作用。 关键词：g s m - r ；i t c s ；数据传输；p r i 接口监视系统 分类号：t n 9 1 5 8 5 2 ；u 2 8 5 2 1 ；u 2 9 6 a b s t r a c n a sak i n do fd e d i c a t e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , g s m - rh a sb e e nm o r ea n d m o r ec o m p r e h e n s i v e l yu s e df o rr a i l w a y i tp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a y i n d u s t r yf o re a c hc o u n l x y i t sp e r f o r m a n c 圮i st h ek e yf a c t o rt h a ti n f l u e n c e st h eo p e r a t i o n o f r a i l w a y t h et r a i n s t a t i o nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki so n eo f m o s ti m p o r t a n tp a r to f t r a i nc o n t r o ls y s t e m , a n dt h eg s m - rn e t w o r ki st h em a i nt y p eo ft r a i n - s t a t i o n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 。b u tt h e r e 黜s e v e r a lp r o b l e m sa b o u tt h er e s p o n s i b i l i t y a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o n 他t h e s i sr e s e a z c h e st h et h e o r i e so f t r a i nc o n t r o ls y s t e m a n dt h ec h a r a c t e r so fg s m - rn e t w o r k f i n a l l y , i ts u g g e s t sap r im o n i t o r i n gs y s t e m b c t w 啪g s m rn e t w o r ka n dt r a i nc o n t r o ls y s t e m t h ep r im o n i t o r i n gs y s t e mh a s t h ei m p o r t a n tg u i d i n g f 煳f l s er e g a r d i n gt h es y s t e mf a u l td i a g n o s i s 1 1 帕t h e s i sg i v e sa n i l l t n h i c t i o no ft h es t r u c t u r eo fg s m rn e t w o r k , t h eb a s i ct h e o r yo fi t sd a t a t r a n s m i s s i o na n dd a t at r a n s m i s s i o nf l o w i ta l s op r e s e n t st h ed e v e l o p m e n to fp r i m o n i t o r i n gs y s t e m , i n c l u d i n gt h es y s t e ms t r u c t u r e , f u n c t i o na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e s y s t e m p r im o n i t o r i n gs y s t e mh a sa l r e a d ya p p l i e di nq i n g z a n gr a i l w a y f u r t h e r d a b o r a t i o no f t h es y s t e mi nr e a l t i m eo b s e r v a t i o no fi t c sb u s i n e s sa n dc o m m u n i c a t i o n p r o b l e m sb a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ea c t u a lm o n i t o r i n gd a t a 黜g i v e no u ti nt h i st h e s i s k e y w o r d s ：g s m - l 乙1 t c s ；d a t at r a 地m i s s i o n ；p r il i n km o n i t o r i n gs y s t e m c l a s s n o ：t n 9 1 5 8 5 2 ：u 2 8 5 2 1 ：u 2 9 6 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：凿磊目真 签字日期：加刁年j 2 月此日 导师签名：；芬4 i ，1 签字日期：铆诨j l , e l “日 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远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。 学位做作者签毛租真 签字日期：2 c 叼年j 月砧日 致谢 本文是在我的导师张小津副教授的指导下，克服了很多的困难才得以完成的 张老师渊博的知识，严谨的治学态度，忘我的工作精神，平易近人的作风，使我 在研究生两年多的学习中受益匪浅，并必将对我以后的工作和生活产生深远的影 响，在此谨向我的导师表示诚挚的敬意和衷心的感谢! 特别感谢钟章队教授在研究生这两年多的时间里对我的关心与指导。钟老师 为我提供了很好的学习平台，教给我的不仅是专业知识，更多的是做人的道理。 这些宝贵的人生财富，我将受益终身。 非常感谢蒋文怡老师给我的指导与帮助，蒋老师渊博的知识、幽默的谈吐， 都是我今后学习的榜样。 感谢我的父母亲人和朋友，正是一直以来他们的理解支持和无私的帮助，使 我能够克服困难，顺利完成研究生阶段的学习 感谢所有关心我、支持我的人们! 最后对评审和参加我论文答辩的各位专家表示感谢，并敬请不吝赐教，给予 批评和指正。 1 引言 1 1综述 1 1 1g s m - r 发展历程与应用 ( 1 ) g s m - r 发展历程1 随着欧洲政治、经济的不断发展，欧洲在国际事务中的作用越来越重要。欧 洲在通信行业特别是移动通信中的影响可谓举足轻重，i s d n 、g s m 、w c d m a 等 著名标准和技术均出自欧洲。欧洲对铁路行业的影响也是巨大的，国际铁路联盟 ( u i c ) 提出的高速铁路发展计划得到欧委会的采纳。在欧盟的1 9 9 6 年7 月2 3 日官 方文件( 9 6 4 8 e c ) 中，欧盟高瞻远瞩地提出泛欧高速铁路系统互操作性规定，从此 使欧洲铁路进入一条可持续发展的轨道。 欧洲铁路运输管理系统( e r t m s ) 就是继9 6 4 8 e c 的一个很重要的欧洲铁路通 信信号一体化发展项目，它包含两个重要方面，一个是欧洲列车控制系统( e t c s ) ， 一个是欧洲铁路综合调度移动通信系统( g s m - r ) 。 随着欧洲铁路网络的迅速发展，欧盟各国都亟待解决如何在列车高速运行时 语音数据的可靠传输以及跨国运行时自动列车防护( a t p ) 的互操作性( 兼容) 问题。 国际铁路联盟i c ) 为满足欧洲2 l 世纪铁路网络一体化进程向欧委会推荐了欧洲 铁路综合调度移动通信系统g s m - r ( g s mf o rr a i l w a y ) 。 g s m r 是在g s m 蜂窝系统上增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的 要素组成，能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信的要求。由于g s m r 可 实现跨越国界的高速和一般列车之间的通信；能将现有的铁路通信应用融合到单 一网络平台中，以减少集成和运行费用；而且由于g s m r 是由已标准化的设备改 进而成，g s m 平台上已经提供了大量的业务，因而引入铁路专用的功能时只需最 低限度地改动，故能保证价格低廉、性能可靠地实现和运行：在g s mp h a s e2 + 中 添加了a s c i ( 增强的语音呼叫业务) 特性，能灵活地提供专网中所需的语音调度 服务如v b s 、v g c s 和e m l p p ，因此g s m r 是面向未来的技术，它将从广阔的 g s m 公网市场和g s m 技术的不断演进中获益，具有巨大的发展空间，g s m r 在 欧洲取得巨大的成功，目前超过3 0 个铁路公司已承诺在其国际路网中使用该技术。 截至2 0 0 3 年6 月底，有德国、瑞典、瑞士、意大利、西班牙、英国、比利时、荷 兰、芬兰等国家签订了全国铁路商用化合同。在2 0 0 5 年至2 0 0 8 年完成全国网络 的建设。g s m r 的发展大致分为三个阶段： 曲标准制定阶段 1 9 9 3 年国际铁路联盟( u i c ) 与欧洲电信标准组织( e t s i ) 协商，提出了欧洲各国 铁路下一代无线通信以g s mp h a s e2 + 为标准的g s m r 技术，这一提议在1 9 9 5 年经u i c 评估并最终确认。之后，u i c 展开了一系列的标准制定和测试工作。首 先，u i c 建立了标准化组织e i r e n e ( 欧洲铁路综合移动通信网络) ，制定了一系 列铁路需求规范，涉及范围包括业务功能、调度台车载台需求、电磁环境等各项 指标。其次还密切与欧洲电信联盟合作，最终将其所提出的系列调度业务需求纳 入到g s m p h a s e 2 + 规范中，为g s m r 的发展奠定了坚实基础 ”g s m r 系统试验阶段 1 9 9 7 年，2 4 个国家的3 2 个铁路组织签署了g s m - r 谅解备忘录，签字的铁路 组织至少要将g s m r 用于过境运输通信。同年，为了验证g s m r 系统的可靠性、 兼容性等指标，u i c 还成立了另一个专门组织m o r 砧旺( 欧洲铁路移动无线系统) ， 它的主要成员包括铁路运营商、g s m - r 制造商和研究机构。m o r a n e 项目的重 点放在包括测量高速环境的g s m r 特性上。从1 9 9 7 年至2 0 0 0 年间，m o r a n e 组织分别在法国、意大利、德国的高速线上开展了三个试验项目，对g s m - r 系统 进行了严格的测试。 在进行测试的同时，m o r a n e 还制定了一系列技术标准用来规范一些主要流 程和设备接口。从而保证将来g s m - r 系统在各过程中不仅要设备兼容，而且还要 终端兼容、业务兼容。 g s m r 工程实施阶段 1 9 9 9 年第一个g s m - r 网络在连接瑞典到丹麦的o r e s u n d 大桥建成并投入运 营。o r e s u n d 大桥铁路线属于瑞典s i r b a n v e r k e t 全国线路工程的一部分。全国线 路工程分为四期实施覆盖线路总长7 2 0 0 k m ，第一期工程2 4 0 0 k i n 的设备安装、 调试和验收已经在2 0 0 0 年夏天完成并投入商业运行。随后，瑞士、德国、荷兰、 法国、西班牙、匈牙利、美国等相继建设了自己的g s m r 系统。另外，芬兰、挪 威、印度等国家也开始对g s m r 进行招标或商业咨询。在实施g s m r 时，各国 铁路部门考虑的重点不同。像瑞典、德国铁路首先考虑的是话音通信，用g s m r 取代目前的各种落后的互不兼容的模拟设备；而瑞士铁路是为实现高速双线客货 混用；西班牙铁路为全国高速线做前期准备等。 欧洲在选择发展新一代铁路综合数字调度移动通信网络的时候，经过了非常 周密的标准制定、试验论证、法律准备、实施计划，预计g s m r 在世界铁路移动 通信方面会如同g s m 在世界公众蜂窝移动通信市场上一样成功。欧洲的经验值得 我们学习和借鉴，我国铁路选择发展新一代综合数字调度移动通信网络也是当务 之急的一件大事，事关铁路运输现代化的总体进程。 ( 2 ) g s m r 网络应用 g s m - r 是专门为铁路通信量身打造的专用数字移动通信系统，它基于g s m 的基础结构及其提供的电信业务，提供了铁路特有的基础业务，并以此作为一个 信息化的平台，使得用户可以在这个信息平台上轻松开发各种各样的铁路应用。 图1 1 为g s m - r 系统的业务模型层次结构。 图卜1g s g - r 系统层次结构示意图 f i g u r e l - 1t h ea r c h i t e c t u mo f ( 3 s m - r 毋s | c e l m g s m - r 系统很多技术借鉴了公网的g s m 技术，保留了g s m 的大体结构，使 得从一开始g s m r 系统就是一个成熟可靠的系统，它的绝大多数软硬件都已在公 网中得到检验。不仅如此，由于二者都可以工作在9 0 0m 频段，因此在无线网络 规划方面也是基本相同的，g s m r 系统的规划设计也可借助于已成熟的g s m 系 统工具，可以方便快捷地为用户提供网络设计安装。g s m r 的基本特性已在铁路 网的m o r a n e 试验中得到安装、测试和验证。出于众多的需要，g s m 新技术如 g p r s 已经规范化并将安装使用。向u m t s 的演进将提供新的业务和更加强大的 无线系统。g s m r 据此可最大限度地引入新的业务。 g s m r 通信技术起源于欧洲，目前在德国、瑞士、荷兰、意大利等国家均已 进入商业运用。由于g s m - r 具有适应铁路运输特点的功能优势，以及更符合通信 信号一体化技术发展的需要，因此铁道部2 0 0 0 年底正式确定将g s m r 作为我国 铁路专用通信的发展方向。 g s m - r 在g s m 公众移动通信系统平台上增加了铁路运输专用调度通信功能。 g s m r 通信系统包括：交换机、基站、机车综合通信设备、手机终端等设备组成。 为了满足铁路运输通信、信号及调度指挥的需要，采用了g s m r 移动通信系统。 青藏线g s m r 通信系统实现了如下功能： 调度通信功能：调度通信系统业务包括列车调度通信、货运调度通信、牵 引变电调度通信、其他调度及专用通信、站场通信、应急通信、旌工养护 通信和道口通信等。 车次号传输与列车停稳信息的传送功能；车次号传输与列车停稳信息对铁 路运输管理和行车安全具有重要的意义，它可通过基于g s m r 电路交换 技术的数据采集传输应用系统来实现数据传输，也可以采用g p r s 方式来 实现。 调度命令传送功能：铁路调度命令是调度所里的调度员向司机下达的书面 命令，它是列车行车安全的重要保障。采用g s m r 系统传输通道传输调 度命令无疑将加速调度命令的传递过程，提高工作效率。 列车尾部装置信息传送功能：将尾部风压数据反馈传输通道纳入g s m - r 通信系统，可以方便地解决尾部风压数据传输问题。 调车机车信号和监控信息系统传输功能：提供调车机车信号和监控信息传 输通道，实现地面设备和多台车载设备间的数据传输，并能够存储进入和 退出调车模式的有关信息。 列车控制数据传输功能：采用g s m - r 通信系统实现车地间双向无线数据 传输，提供车地之间双向安全数据传输通道。 区间移动公务通信：在区间作业的水电、工务、信号、通信、供电、桥梁 守护等部门内部的通信，均可以使用g s m r 作业手持台，作业人员在需 要时可与车站值班员、各部门调度员或自动电话用户联系。紧急情况下， 作业人员还可以呼叫司机，与司机建立通话联络。 应急指挥通信话音和数据业务：应急通信系统是当发生自然灾害或突发事 件等影响铁路运输的紧急情况时，在突发事件现场与救援中心之间，以及 现场内部采用g s m r 通信系统，建立语音、图像、数据通信系统。 1 1 2列控信息传输方式的发展趋势 在铁路通信信号领域，轨道电路已经有百余年的历史，轨道电路在保证铁路 安全运输中起到了重要作用。但是轨道电路存在的缺点是传输环境恶劣，传输信 息量小，速率低；适应能力差，列车速度提高后，为保障安全，必须增加信号显 示数目甚至重新分隔轨道电路，需投入大量资金而且改造的同时会影响既有线 4 路上列车的运行；轨道线路设备更新、维护费用高。历史发展到今天，传统的基 于轨道电路的列车控制系统，已经不能满足现代铁路运输信息化发展的需要。随 着人类进入高速列车时代，为了保证高速列车安全运行，实现列车自动控制，要 求列车与地面之间进行双向、大量信息传输。这些信息包括：列车状态、列车速 度、列车位置、列控信息、线路数据信息、桥隧信息及环境信息等等。 为了增加列车与地面之间信息量的传输，国外提出几种不同的方案，有的已 投入运行，有的还在试验之中，其中包括：德国l z b 自动闭塞系统采用轨道电缆 方式，日本在上越新干线上采用漏泄电缆方式，欧洲e t c s 系统采用g s m r 纯无 线方式试验也在进行之中。 国外于8 0 年代初，开始研究基于无线通信的铁路信号系统c b t c ( c o m m u a i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n 血o ls y s t e m ) ，希望通过c b t c 能够降低系统造价， 节约能源，缩短列车间隔时分，增强铁路运输管理能力，增加旅客乘坐舒适性。 1 9 9 5 年，国际铁路会议指出t b s 是未来铁路信号系统的发展方向。用无线方式传 输列车控制数据示现代铁路发展的方向。 c b t c ( c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r 0 1 ) 基于通信的列车控制系统，是 随着无线通信技术的发展及其在铁路上的应用而产生和发展起来的，就是在车载 设备和地面设备之间，利用无线通信系统双向传输列车控制信息，可以实现地面 对列车的闭环控制，并且可以传输大容量的信息，满足铁路发展对列车控制系统 的要求，是铁路列车控制系统发展的方向。 国外研究c b t c 的时间较早，技术发展也比较快，目前相对比较成熟的有欧 洲列车控制系统( e t c s - - e 郴t r a i n c o n t r o ls y s t e m ) ，北美的先进列车控制系 统( a t c s - - a d v a n c e d t r a i nc o n t r o ls y s t e m ) ，日本的计算机和无线通信列车控制系 统( c a r a t - - c o m p u t e ra n dr a d i oa i d e d c o n t r o ls y s t e m ) 等等。其中e t c s 是影响 面最广，应用的最多的一种基于无线通信的列控系统，它也是e t r m s 的一个重要 组成部分。可见无线通信是未来列车控制中车地之间进行数据传输的发展方向。 目前中国列车控制系统c 1 s 正在起步和发展阶段，它参照e t c s 的分级方式分 为o 4 级，其中3 、4 级利用无线通信系统g s m r 来双向传输列控信息，是中国 铁路通信信号的发展方向。 1 1 3基于g s m r 的列控系统的基本原理 基于g s m r 的列控系统的示意图如下图1 2 所示。 图卜2 基于g s i i 卜r 的列控系统示意图 f i g u r e l - 2t h ca r c h i 咖o f t r a i nc o n l r o ls 弘t e mb a s e d 0 1 1g s m - r 由图1 2 可以看出，利用g s m r 网络，地面的无线闭塞中心( i m c ) 可以和 车载设备进行双向数据通信。密钥管理中心( k m c ) 负责向r b c 发送用于确保安 全通信的认证密钥。线路上每隔一定距离铺设应答器，r b c 从联锁设备获得车站 联锁信息，通信传输网络一般由光纤环路构成。 详细的基于g s m - r 的列控系统结构图如图1 3 所示 6 澜9 囝 落辑始计静 一翮可 黟 一一o s m _ r 网络l i 尤线闭塞中心r b ci i i 相邻r b c 地面子系统 f li l 联镄设备 ii 密铜管理中心l i 调度集中设鲁 图卜3 基于6 s r 的列控系统逻辑结构图 f i g u r e l 0 3t h el o g i c a lm 幽t e c i i l r eo f t r m nc o n e u ls 】，咖b a s e do ng s m - r 图1 3 定义基于g s m r 的列控系统主要包括三个部分：车载子系统、地面子 系统和g s m r 网络。另外，还有一些外部接口，如列车接口、司机接口、联锁设 备、调度集中设备，以及维护管理中心等外部地面系统。 地面子系统由无线闭塞中心( r b c ) 、无线通信系统( g s m - r ) 地面接入设备 和点式设备应答器组成。无线闭塞中心是一个安全计算机系统，它根据来自外部 信号系统( 如联锁设备) 的信息，以及与车载子系统交换的信息，经过计算，产 生发送给列车的消息。这些消息主要是列车运行许可消息，以保证列车在无线闭 塞中心的管辖范围内安全运行。g s m r 网络接入设备主要是连接无线闭塞中心和 g s m r 网络的服务器，可以方便实现接入控制。 车载子系统由车载安全计算机、输入模块、输出模块、测速模块、应答器接 收模块、人机界面设备( m m i ) 、维护记录单元、运行管理记录单元等和g s m r 通信模块组成。车载子系统的核心是一个安全计算机系统，它根据与地面子系统 交换的信息来控制列车运行。 地面子系统和车载子系统之间的信息交换通过g s m r 网络实现，要求列控信 7 息在网络中安全、可靠、及时地传递。 通过上述理论研究可以发现，列控系统在利用g s m - r 网络承载业务时，实际 上都是各种业务性能的各类g s m r 移动终端或车载台，经过g s m r 网络接入， 然后通过g s m r 的网络子系统与各类专用业务的平台进行连接，以达到各类业务 的正常运转。以青藏线i t c s 为例，实际上，车地通信就是集中控制平台发送命令， 经过g s m r 的网络，通过无线链路传递给移动车载设备的。 业务提供商 网络提供商 业务提供商 p l u 田1 4 圈络提供商与业务提供商在罔络之间的关系 f i g u r e1 - , 4r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es e n ，黼s u p p o r ta n dt h en e t w o r ks u p p o r t 由上图可以看出，列控系统与g s m 网络之间通过p r i 接口相连，要想同时监 控地面设备与车载设备的呼叫过程和数据传输，就需要设计研发p r i 接口监视系 统对该接口上的所有信令和数据传输进行详细记录。 1 2 国内外研究现状 信令网络是现代通信网络的神经中枢，良好的信令网络能有效地提高呼叫接 续质量，提高网络接通率，增加收益。建立全网的信令集中监测系统，是一个有 效的解决方案。它有利于对全网进行集中监控，及时掌握信令网络的告警状况和 运行状况，发现问题，及时有效地消除障碍，还有利于进行全网运行数据统计， 预防网络拥塞，进行网络规划和系统扩容，保证信令网络始终保持良好的运行状 态。从1 9 9 7 年开始，国外运营商就已经意识到信令监测系统对保证网络质量的重 要性，纷纷建立了信令网络集中监测系统【l “。 信令集中监测系统平台是基于整个信令网络的实时监测和告警及故障处理系 统，能实现信令网络的性能管理，并可采用数据仓库对信令网络进行深层次的分 析和数据挖掘，可以提供基于全网的呼叫详细记录( c d r ) 事务处理详细记录 ( t d r ) 报告，依据需要定制各种统计与分析报告，提供各种标准接口和很强的兼容 性，与其他系统平台( 计费中心、网管中心、客服中心、规划中心等) 通过标准接口 相连，提供有效的数据支持j 。 国际上两个著名的标准化组织国际电信联盟( 1 t u d 和网络管理论坛 删f m f ) 通过对信令监测系统长期的研究和探讨，为七号信令监测系统专门制定了全 球统的标准电信管理网m n ) 体系结构。目前t m n 标准已广泛地被国际上 各网络运营商、服务供应商和设备制造商所采用，并被集成到日益复杂的电信网 络中。 目前国内各电信运营商纷纷启动信令监测网络的建设项目，中国联通已率先 对全国的互联互通网络的信令集中监测和网同计费确认进行了项目招标，中国移 动和中国电信也有很多省份正在积极启动该项目。众多的厂家采用了基本相似的 系统结构，但采集方案略有不同【l “。 以上为国内外针对电信运营网络的信令监视，主要指的是七号信令的监测。 但是关于g s m - r 网络与列控系统之间的通信监测的讨论并不多，而且对于p r i 接 口的监视，目前主要借助信令仪表来完成。对于车地通信问题的分析有很多的局 限性。作为g s m r 网络与列控系统之间的重要接口p r i 接口，承担着无线网络与 地面列控系统之问的所有信令与数据的传输。本论文通过对欧洲以及青藏线基于 g s m - r 的列控系统e t c s 与i t c s 的研究，有针对性的提出了列控系统与g s m - r 网络之问p r i 接口监测系统方案，实现不同于信令仪表的信令与数据的全面监视， 并已得到实际应用，这在国内外基于g s m - r 网络的列控系统属于首次提出。 1 3本课题研究的意义 青藏线的增强型列车控制系统1 t c s 是利用g s m - r 网络进行数据传输的，在 地面的g s m r 交换机房，1 t c s 系统通过p r i 接口接入g s m r 网络。1 t c s 系统 和g s m - r 网络内部都有自己的记录，可以为前期系统调试开通提供帮助，也可以 为分析和解决问题提供参考。但是存在以下不足： 双方记录会存在不一致的情况，即i t c s 系统反映通信超时，但g s m - r 系统 内部记录链路正常，或者g s m _ r 系统内部记录i t c s 车载通信链路释放，i t c s 却没有记录通信中断等： g s m - r 网络内部的记录主要是对信令的记录，对传送的i t c s 数据不进行记 录，因此对i t c s 系统反映的数据超时现象没有有效的记录； 记录系统依赖i t c s 和g s m - r 网络系统自身的运行状况，也就是说当系统自 身运行异常时，记录系统也可能运行异常，失去了记录系统的作用； 因此，为了保证g s m r 的i t c s 列控系统的有效、可靠运行，明确责任，促 进两者协调发展，有必要采用第三方的监视设备对i t c s 信令及数据传输过程进行 记录，以便进行有效分析。i t c s 地面设备与车载设备的呼叫过程和数据传输都要 通过p r i 接口，因此必须对该接口上的所有信令和数据传输进行详细记录，以便 9 进行问题分析与查找，为最终解决问题提供必要的依据 1 4本论文的主要工作与贡献 本文在第一章首先介绍了g s m - r 发展历程和列控信息传输方式的发展趋势， 简要介绍了基于g s m - r 的列控系统的基本原理，提出了p r i 接口监视系统的概念 和必要性。 第二章主要介绍g s m - r 网络及其承载数据业务，分析了g s m r 数据传输的 一般原理和数据传输流程。 第三章描述了青藏线基于g s m - r 网络的无线列控系统的原理和构成，并详细 介绍了p r i 接口监视系统的功能需求、设计、控制程序流程设计与开发方法。 第四章介绍了p r i 接口监视系统的实际应用情况以及针对青藏线的采集数据 进行了分析。 第五章对全文进行总结，提出进一步的工作方向 本论文的主要贡献： 研究并详细描述了g s m r 数据传输的一般原理和数据传输流程； 研究并分析了g s m r 网络与列车控制系统之间的p r i 接口通信流程； 设计了p r i 接口监视系统的方案； 利用v c h ，g 西，g + + 等工具进行p r i 接口监视系统的开发； 对青藏线g s m r 网络与i t c s 之间的p r i 接口进行监视； 对实际监视数据进行分析，并根据监测数据重点讨论了几个所发现的典型 案例 l o 2g s m r 网络及其承载数据业务 2 1 g s m - r 网络 2 1 1g s m - r 网络结构 g s m - r 陆地移动网络是由一个管理者或专门的机构组织建立并执行操作的， 它的目的是为铁路提供陆地移动通信的各种业务。g s m r 陆地网络可以看作是某 个固定网络的扩展，如i s d n ；或者是一个采用统一编号方案的m s c 的集合。m s c 作为陆地移动网络和固定网络的接入单元。作为铁路专用的网络，g s m - r 可以有 限地、有条件地与地面的公众或专用网络进行互连。 一个g s m r 陆地移动系统由若干个功能实体组成，这些功能实体所实现的功 能的集合就是网络能够提供给用户的所有基本业务和补充业务，以及对于用户数 据和移动性的操作和管理。g s m - r 陆地移动网络由三个子系统组成，其基本结构 如图2 1 所示。 图2 - lg s m r 陆地移动网络的基本结构 f i g 2 一l s t r u c t u r eo f g s m rl a n dm o b i l en e t w o r k 基站子系统( b s s ) 是g s m - r 系统中最基本的组成部分，从功能上看，b s s 通过无线接口直接与移动台相连，负责无线发送接收和无限资源管理；通过a 接 口与n s s 相连，实现移动用户之间或移动用户和固定网用户之间的通信连接，并 且传送系统信令和用户信息等。它由一个基站控制器( b s c ) 和若干个基站收发信 机( b t s ) 组成，b t s 主要负责与一定覆盖区域内的移动台( m s ) 进行通信，并 对控制接口进行管理。b s c 用来管理b t s 与m s c 之间的信息流。b t s 与b s c 之 问通过a b i s 接口通信。b s s 中还可能存在编码速率适配单元( t r a u ) ，它实现了 g s m r 编码速率向标准的p s t n 或i s d n 速率的转换。t r a u 与b s c 通过a 接口 连接。 网络子系统( n s s ) 建立在移动交换中心( m s c ) 上，负责端到端的呼叫、 用户数据管理、移动性管理和与固定网络的连接。n s s 通过a 接口与b s s 连接， 与固定网络的接口决定于互连网络的类型。n s s 提供的主要功能包括为用户移动 特征提供的特定功能如寻呼，呼叫过程中对无限资源的管理，与b s s 之间的信令 协议的管理，负责与其他的移动功能实体交换信令信息等。基本的网络子系统由6 个功能实体组成，分别是：移动交换中心( m s c ) 、归属位置寄存器( h l r ) 、拜 访位置寄存器( v l r ) 、鉴权中心( a u c ) 、设备识别寄存器( e 瓜) 和互连功能单 元( i w f ) 。另外，n s s 中还可以有实现语音组呼和语音广播的实体，即交换子系 统中的组呼寄存器( g c r ) ，是g s m - r 为了支持语音组呼和广播呼叫业务而增加 的新数据库。用来与存储语音组呼和广播呼叫相关的数据和属性，这些功能实体 可以根据具体的需要进行选择。 操作子系统( o s s ) 可以分为对应b s s 的操作与维护中心( o m c r ) 及对应 n s s 的操作与维护中心( o m c s ) 。o m c - r 与b s c 的连接有两种途径：通过x 2 5 数据网络与b s c 相连；b s c 先与t r a u 相连，然后通过m s c 再与o m c r 连接。 o m c s 通过o m n 接口与m s c 相连。o s s 是操作人员与系统设备之间的中介， 它实现了系统的集中操作与维护，完成了包括移动用户管理、移动设备管理及网 络操作维护等功能。它的一侧与设备相连( 不包括b t s ，对b t s 的操作维护是经 过b s c 进行管理) ，另一侧是作为人机接口的计算机工作站。这些专门用于操作维 护的设备被称为操作维护中心o m c 。系统的每个组成部门都可以通过特有的网络 连接至o m c ，从而实现集中维护。 移动台是接入g s m r 网络的用户设备，包括移动终端( m e ) 和终端设备( t e ) ， 或通过终端适配器与m e 连接的t e 。移动台除了具有通过无线接口( u r n ) 接入 到g s m r 系统的一般处理功能外，还为移动用户提供了人机接口。 任何g s m r 陆地移动通信网络都必须与固定网络连接，一同完成移动用户与 移动用户之间、移动用户与固定用户之间的通信。 组成g s m - r 网络的各个子系统之间、b s s 与移动台之问、与固定网络之问的 互连都提供了标准的接口。网络中的不同设备可以通过标准的接口来实现移动业 务的本地和国际互连。g s m - r 网络的信令系统采用n o 7 信令网传送呼叫控制信 息和其他信令信息。 g s m - r 网络为支持基本业务提供以下功能： 呼叫处理 用户身份的鉴权 紧急呼叫 语音组呼和语音广播 短消息业务 信令信息的加密 除此之外，g s m o r 网络还为支持各种补充业务提供了相应的功能。 为支持蜂窝系统的操作提供以下功能： 位置登记 切换 呼叫重新建立 g s m - r 网络还具有网络管理功能和一些附加功能，如呼叫处理的捧队，安全 功能、不连续发送和接收( 阴，叩t ) 等。 与g s m 网追求最大用户系统容量不同，g s m - r 系统更侧重于系统的有效性， 这是铁路通信业务特殊的需求，因此g s m r 在网络覆盖上有更多的重叠，网络设 施也采用冗余备份。可选择将g s m 系统的m s c 、v l r 、e i r 、g c r 、s s p 、h l r 、 a u c 置于一个网元中，且随着网络的增长而分散到多个网元中，这样可以形成一 个经济、便于维护的网络结构。 典型的基于g s m g s m r 的铁路通信网与普通的g s mp l m n 并无大的区别， 在其网络的网元、标准接口和连接的扩展上也无大的区别。在公网的基础上引入 一系列的新技术，即可用于铁路部门。铁路网与公网的主要区别在于由铁路网特 殊需求引起的网络结构和规划上的区别。 2 1 2 g s m - r 网络协议栈 oo o 图2 - 2g s m - r 网络协议栈 f i g u m 2 - 2t h ep r o t o ls t a c ko f g s m - r 以下对g s m - r 网络协议栈的各个层次作简单的概述： 底层是物理层和数据链路层。物理层是基于p c m 的传输通道，提供3 2 路或 2 4 路的6 4 k b i t s 的传输通道。数据链路层主要包括两种协议l a p d m 和l a p d 。 l a p d m 的主要功能是确定帧格式、编址格式、纠错编码和交织的要求。l a p d 用 于a b i s 接口进行帧的处理。 r r 层负责呼叫的建立、释放、重建、切换以及业务信道( t c h ) 模式的变换。 m m 层负责m s 的登记、位置管理以及鉴权。c m 层提供各种补充业务、呼叫控制 和短消息服务。m s 和n s s 之间端到端的信息传递依靠低层协议完成。在以上三 类功能里又包括一些具体的子功能。c m 层功能和m m 层功能对于b s s 是透明的， b s s 只负责m s 与n s s 这部分数据的透明传输。在与m s 进行连接时，c m 层首 先向m m 层发出请求，m m 层再向r r 层请求分配无线资源。 消息传递部分( f r p ) 处在信令协议模型的下三层，其功能是在信令节点之 间为用户提供可靠的信令传输能力。它可以分为三级m t p i 、m t p 2 和m t p 3 。 信令连接控制部分( s c c p ) 用于传送电路交换控制以外的信令和数据，如与 操作维护中心之间的信令，智能节点间的信令等。另外s c c p 还为m t p 提供面向 连接和面向非连接的附加的功能，并提供增强的寻址功能。 事务处理应用部分( t c a p ) 与s c c p 配合，为用户与用户之间提供快速有效 的传送数据协议的能力，支持增加新业务，也可支持远端用户操作并提供应答等。 移动应用部分( m a p ) 属于高层应用部分，应用于n s s 中各功能实体间接口 1 4 的通信，支持位置登记和删除、用户数据管理、漫游和越区切换、鉴权加密等功 能。 b s s 应用部分( b s s a p ) 为m s c 与b s s 之间提供信令连接，包含对b s s 的 管理和m s c 与m s 之问透明传输两大功能 2 2g s m - r 承载数据业务 2 2 1g s m r 数据业务 2 2 1 1 业务接入模型 g s m r 网络的业务接入参考图如图2 - 2 所示。根据实际应用情况，m s 可由 t e ( 即车载计算机) 和m t 2 ( 包括t a 和m e ) 构成。 t e ：终端设备b s s ：基站子系统m s c ：移动交换中心 i w f ：互连功能i s d n ：综合业务数字网 图2 - 3g s m r 网络业务接入框图 f i f r 2 - 3 s k e t c hm a po f g s m - rs e r v i c ea g o r a 8 2 2 1 2 承载业务 1 数据承载业务是指从移动侧的终端设备( 即车载计算机) 到固定侧与i s d n 互 连的网关( 服务器，如机车同步操控系统中的地面应用节点) 的数据接入和传输。 通常从四方面特性来描述承载业务： 信息传输特性：这一特性描述了从g s m r 网络的用户接入点到其他网络 的用户接入点之间的传输信息的网络能力。 接入特性：描述了从接入点接入网络的功能或设备。 互联特性：描述了终端网络和接入点的特性，终端网络也可能与源端网络 是同一个。 一般特性。 图2 4 说明了这四种特性之间的关系 型型坐 - 卜- h 图2 - 4 承载业务特性之间的关系 f i g 2 - 4 r e l a t i o na m o n gb e a r e r8 e n i c h a r a c t e r i s t i c s 承载业务每一特性所包含的具体内容如表2 1 所示，对于每一特性必须包含的 内容用最小集合来描述： 表2 - 1 承载业务的具体特性 m 姒e2 1c h a r a c t e r i s t i c so f b c c r r “ 特性最小集合 信息传输模式 信息传输速率 信息 信息传输能力 传输 通信建立 特性 对称性 通信配置 数据压缩 接入信道和速率 信令接入协议 接入特性 信息接入协议 信息接入结构 信息接入速率 互联特性 提供的补充业务 一般特性服务质量 操作和商用 1 6 对于所有的g s m - r 承载业务，下列属性具有相同的参数值，如表2 2 所示： 表2 - 2 承载业务的公共参数值 信息传输模式电路模式。 信息传输速率无应用。 通信建立 请求 对称性 双向对称。 通信配置 点到点 注释：在g f r s 中要求使用分组传输的模式 g s