0 引 言
GSM－R是基于GSM技術(shù)的一種專用通信系統(tǒng)——鐵路" title="鐵路">鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng),。與傳統(tǒng)的GSM技術(shù)相比，GSM－R除了能提供一系列鐵路通信業(yè)務(wù)外,，還能保證列車在500 km／h的情況下進(jìn)行高可靠性,、高接通率、高傳輸質(zhì)量的通信,。當(dāng)前,，GSM－R技術(shù)成為國際國內(nèi)鐵路通信發(fā)展的焦點(diǎn)，我國在GSM－R技術(shù)上也有了一定的進(jìn)展,。2004年開始在青藏鐵路,、大秦線電氣化改造和京護(hù)高速鐵路的建設(shè)中進(jìn)行GSM－R鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、建設(shè)和試運(yùn)營,。與此同時(shí),，由于目前國內(nèi)的GSM－R路測(cè)系統(tǒng)十分稀少，對(duì)GSM－R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也開始成為GSM－R移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的一個(gè)當(dāng)務(wù)之急,。為了真正了解GSM－R網(wǎng)絡(luò),，調(diào)測(cè) GSM－R網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化GSM－R網(wǎng)絡(luò),，本文提出并設(shè)計(jì)出了一種既適用于GSM網(wǎng)絡(luò)又適用于GSM－R網(wǎng)絡(luò)的無線路測(cè)" title="無線路測(cè)">無線路測(cè)系統(tǒng),。一方面，在GSM－R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的初期,，通過本系統(tǒng)的輔助能夠合理地進(jìn)行頻率分配,、小區(qū)參數(shù)的調(diào)整：另一方面，可以優(yōu)化已建GSM和GSM－R網(wǎng)絡(luò)的性能,，提高通信質(zhì)量,。
1 GSM－R網(wǎng)絡(luò)介紹
1．1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能
一個(gè)GSM－R移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)功能實(shí)體組成。各個(gè)功能實(shí)體所實(shí)現(xiàn)的功能的集合就是GSM－R網(wǎng)絡(luò)提供給用戶的基本業(yè)務(wù)與補(bǔ)充業(yè)務(wù),。GSM－R移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基于GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),，主要由基站子系統(tǒng)(BSS)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS),、操作與維護(hù)子系統(tǒng)(OSS)三部分組成,，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
BSS主要由基站控制器(BSC),、基站收發(fā)信臺(tái)(BTS)組成,。通過無線接口(Um)與移動(dòng)臺(tái)(MS)相連,，A接口與NSS相連。BTS是網(wǎng)絡(luò)固定部分與無線部分之間進(jìn)行通信的中繼,，MS通過空中接口與BTS進(jìn)行連接,，是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無線接入部分，是終端用戶最直接感受網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的部分,。一個(gè)或幾個(gè) BTS連接到一個(gè)BSC上,，BSC主要提供在其覆蓋區(qū)域內(nèi)的無線電資源管理與移動(dòng)性管理的功能，以及提供無線電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營與維護(hù)功能,。BSS還有可能存在編碼速率適配單元(TRAU),，實(shí)現(xiàn)編碼速率轉(zhuǎn)換。
NSS一般由六個(gè)功能實(shí)體組成,，分別是移動(dòng)交換中心(MSC),、歸屬位置寄存器(HLR)、拜訪位置寄存器(VLR),、鑒權(quán)中心(AUC),、設(shè)備識(shí)別寄存器(EIR)，組呼寄存器(GCR),。NSS主要負(fù)責(zé)端到端的呼叫,、用戶數(shù)據(jù)管理、移動(dòng)性管理和固定網(wǎng)絡(luò)的連接,。其中MSC是NSS的核心，用于建立業(yè)務(wù)信道和在MSC之間或與其他網(wǎng)絡(luò)之間交換信令消息,。與MSC相連的是VLR,，VLR管理在一個(gè)MSC區(qū)內(nèi)漫游移動(dòng)用戶信息的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫。HLR存儲(chǔ)的是在網(wǎng)絡(luò)中永久注冊(cè)的移動(dòng)用戶的靜態(tài)信息,，如用戶信息,、承載和定制的用戶信息等。AUC完成對(duì)用戶的鑒權(quán)及為移動(dòng)臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)之間的無線通信進(jìn)行加密,。EIR用來存儲(chǔ)IMEI(國際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別符),。作為GSM－R網(wǎng)絡(luò)的特有組件GCR，用于存儲(chǔ)移動(dòng)用戶的組ID,、移動(dòng)臺(tái)發(fā)起語音組呼(VGCS)和語音廣播 (VBS)參考的小區(qū)信息及發(fā)起呼叫的MSC是否負(fù)責(zé)處理呼叫的指示,。
OSS可分為對(duì)應(yīng)BSS的操作與維護(hù)中心OMC－R及對(duì)應(yīng)NSS的操作與維護(hù)中心OMC－S。OSS是操作人員與系統(tǒng)設(shè)備之間的中介,，它實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集中操作與維護(hù),。完成了包括移動(dòng)用戶管理、移動(dòng)設(shè)備管理及網(wǎng)絡(luò)操作維護(hù)等功能,。它的一側(cè)與設(shè)備相連,，另一側(cè)是作為人機(jī)接口的計(jì)算機(jī)工作站,。這些專門用于操作維護(hù)的設(shè)備被稱為操作維護(hù)中心OMC。系統(tǒng)的每個(gè)組成部分都可以通過特有的網(wǎng)絡(luò)連接至OMC,，從而實(shí)現(xiàn)集中維護(hù),。
1．2 業(yè)務(wù)模型
GSM－R是專門為鐵路通信設(shè)計(jì)的綜合專用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，它基于GSM的基礎(chǔ)設(shè)施及其提供的高級(jí)語音呼叫業(yè)務(wù),，其中包括增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)與強(qiáng)拆(eM- LPP),、VGCS和VBS，并提供鐵路特有的調(diào)度業(yè)務(wù),，包括：功能尋址,、功能號(hào)表示、接入矩陣和基于位置的尋址．并以此作為信息化平臺(tái),，使鐵路部分可以在此信息平臺(tái)上開發(fā)各種應(yīng)用,。GSM-R" title="GSM-R">GSM-R的業(yè)務(wù)模型如圖2所示。
2 無線接口協(xié)議
無線接口(Um)是MS與BTS之間的通信接口,，又稱為空中接口(airinterface),，用于移動(dòng)臺(tái)與GSM-R系統(tǒng)固定部分之間的通信，其物理連接通過無線鏈路實(shí)現(xiàn),。此接口傳遞的信息包括無線資源管理,、移動(dòng)性管理和接續(xù)管理等。
2．1 協(xié)議分層(三層)
空中接口對(duì)應(yīng)于OSI" title="OSI">OSI(開放系統(tǒng)互連)模型的低三層,，分為物理層,、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。與OSI的分層模型不是嚴(yán)格對(duì)應(yīng),。
物理層(PHL)：支持TDMA幀,、FDMA和邏輯信道復(fù)用。提供無線鏈路的傳輸通道,，為高層提供不同功能的邏輯信道,，如業(yè)務(wù)信道與控制信道。物理層在MAC層的控制下,，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)分組的收發(fā),。
鏈路層：包括介質(zhì)接入控制層MAC和數(shù)據(jù)鏈路控制層(DLC)。前者通過形成多種邏輯信道為高層提供不同的業(yè)務(wù),；后者為網(wǎng)絡(luò)層提供非?？煽康臄?shù)據(jù)鏈路。為內(nèi)部控制信令和有限數(shù)量的用戶信息提供非?？煽康膫鬏旀溌?。
網(wǎng)絡(luò)層：主要是信令層，包括連接管理(CM),、移動(dòng)性管理(MM),、無線資源管理(RM),。確定了用于鏈路控制、呼叫控制,、附加業(yè)務(wù),、面向連接的消息業(yè)務(wù)、無連接的消息業(yè)務(wù)等各種功能,。
2．2 無線資源工作模式
無線資源管理的目的是建立,、保持、并釋放網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)臺(tái)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通話的無線資源(RR)連接,。一個(gè)RR連接是兩個(gè)同等實(shí)體間的一條物理連接,，用于支持上層間信息流量的變化。無線資源管理主要向上層提供四種工作模式,，分別為：空閑模式,、專用模式、群發(fā)模式,、群收模式,。
空閑模式：沒有為任何MS分配專用信道，不存在RR連接,，此時(shí)MS只能收到CCCH(公共控制信道)和BCCH(廣播控制信道)信道的廣播消息,。MS分析接收到的尋呼消息和廣播消息，選擇駐留在信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的小區(qū)上,，MS對(duì)應(yīng)于待機(jī)狀態(tài),。
專用模式：為MS至少分配了兩個(gè)專用信道，其中只能有一個(gè)是SACCH(慢速隨路控制信道),。MS與BTS此時(shí)建立起了一個(gè)雙向的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)物理連接,，用于信息的傳輸?？赏ㄟ^小區(qū)自動(dòng)重選和切換來保持RR連接。MS對(duì)應(yīng)于通話狀態(tài)或者位置更新狀態(tài),。群發(fā)模式：為語音組呼的MS分配兩個(gè)專用信道,，這兩個(gè)信道可以同時(shí)分配給一個(gè)MS或者分配給不同的MS。MS與BTS此時(shí)建立的RR連接與專用模式類似,，不過在建立過程中的信令消息有所不同,，特別地指明了該模式用于群發(fā)通信。MS對(duì)應(yīng)于VGCS或者VBS中講者的狀態(tài),。
群收模式：沒有為MS分配與網(wǎng)絡(luò)連接的專用信道,，它以無應(yīng)答的方式接收分配給小區(qū)的語音廣播信道或者語音組呼信道下行鏈路的消息。此時(shí)MS對(duì)應(yīng)于VGCS或者VBS中聆聽者的狀態(tài),。
3 GSM－R無線路測(cè)系統(tǒng)
本系統(tǒng)通過監(jiān)聽,，捕獲Um口中MS與BTS進(jìn)行通信的信令信息,，從而獲得GSM－R網(wǎng)絡(luò)的無線質(zhì)量參數(shù)，結(jié)合GSM－R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化知識(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行加工處理,，通過顯示模塊的精心設(shè)計(jì),，向用戶直觀、清晰地呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量狀況,，并在最后給出了GSM－R網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量狀況的性能報(bào)表,。
3．1 路測(cè)環(huán)境
網(wǎng)絡(luò)環(huán)境：衛(wèi)星，GSM／GSM－R網(wǎng)絡(luò),；測(cè)試儀器：裝有本系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)一臺(tái),，測(cè)試手機(jī)一部，GPS一臺(tái),，接口線若干,。
3．2 系統(tǒng)采集參數(shù)
(1)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別參數(shù)
移動(dòng)國家號(hào)(MMC)、移動(dòng)網(wǎng)號(hào)(MNC),、位置區(qū)碼(LAC),、小區(qū)識(shí)別(CI)、網(wǎng)絡(luò)色碼(NCC),、基站色碼(BCC),。
(2)系統(tǒng)控制參數(shù)
公共控制信道配置、接入準(zhǔn)許保留塊數(shù),、尋呼信道復(fù)幀數(shù),、周期位置更新定時(shí)器、小區(qū)信道描述,、無線鏈路超時(shí)(RLT),、鄰小區(qū)描述、允許的網(wǎng)絡(luò)色碼,、最大重發(fā)次數(shù)(MR),、發(fā)送分布時(shí)隙數(shù)(TI)、小區(qū)接入禁止(CBA),、接入等級(jí)控制(AC),。
(3)小區(qū)選擇與重選參數(shù)
小區(qū)重選滯后(CRH)、控制信道最大功率電平(MT－MC),、允許接入最小接收電平(RXLEVaccessmin),、小區(qū)禁止限制(CBQ)、小區(qū)重選參數(shù)指示(PI),、小區(qū)重選偏置(CRO),、懲罰時(shí)間(PT)、臨時(shí)偏置(TO)。
(4)網(wǎng)絡(luò)功能參數(shù)
功率控制指示(PERC),、非連續(xù)發(fā)送(DTX),、呼叫重建允許(RE)、緊急呼叫允許(EC),、移動(dòng)分配索引位置(MAIO),、跳頻序列號(hào)(HSN)。
(5)GPS參數(shù)
經(jīng)度,、緯度,。
(6)性能參數(shù)
通話接通率、通話失敗率,、信道利用率,、分配失敗率、掉話率,、切換成功率,、切換失敗率。
3．3 系統(tǒng)功能
(1)實(shí)時(shí)跟蹤信令
能夠?qū)崟r(shí)地跟蹤各個(gè)邏輯控制信道信令,。
BCCH：包括systeminformation1,，systeminforma-tion2等；
PCH(尋呼信道)：包括pagingrequesttype1,，pagin-grequest type2等,；
SACCH：包括 systeminformation5，system-information6,；
AGCH(接入允許信道)：包括immediateassign-ment,，immediateassignmentrej ect等；
RACH(隨機(jī)接入信道)：包括channelrequest,，up-linK_access,。
此外，還能跟蹤層2和層3信令：包括：setup,，aler-ting,，disconnect等。
(2)掃頻測(cè)試
在空閑模式(idlemode)下,，能夠?qū)λ蓄l率(GSM900／GSM1800／GSM-R等)進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描,。動(dòng)態(tài)顯示對(duì)應(yīng)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)和基站色碼，實(shí)時(shí)跟蹤所占用ARF-CN(絕對(duì)無線頻率信道號(hào))受干擾程度,。可以檢查相鄰小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度,，檢查小區(qū)的覆蓋情況和同鄰頻干擾,。
(3)鎖頻測(cè)試
在雙頻網(wǎng)絡(luò)中，測(cè)試手機(jī)會(huì)自動(dòng)選擇信號(hào)較強(qiáng)的頻道作通話網(wǎng)絡(luò)。如果碰到雙頻網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)弱接近的區(qū)域,，就可能出現(xiàn)線路忙或“跳頻”(跳頻：在兩個(gè)頻道之間不斷切換)的情況,。所以，用戶想讓手機(jī)接收比較穩(wěn)定,，減少跳頻問題,，就可以利用“鎖頻”這項(xiàng)手機(jī)操作功能，觀察移動(dòng)臺(tái)在某一固定頻點(diǎn)下的接收電平的變化,。
(4)強(qiáng)制切換
強(qiáng)制切換是在專用模式下允許移動(dòng)臺(tái)在未滿足切換條件的情況下,，強(qiáng)制切換到另一頻點(diǎn)的小區(qū)。利用強(qiáng)制操作采集MS接收到的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量狀況,，其強(qiáng)制區(qū)域主要是各小區(qū)鄰接處,，用于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)小區(qū)規(guī)劃的合理性、正確性,，某些小區(qū)的實(shí)際覆蓋區(qū)域是否超過了規(guī)劃區(qū)域,，同時(shí)還可以通過切換信令、分析掉話原因,。
(5)GSM／GSM-R基站開通測(cè)試
網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃實(shí)施后,，常常要測(cè)試基站信號(hào)覆蓋范圍，查找盲區(qū),。本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集目前所在小區(qū)以及相鄰小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度變化,。本系統(tǒng)支持GPS定位系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)打印目前所在的位置,，結(jié)合DT(車測(cè))網(wǎng)絡(luò)測(cè)試方法,，能夠得到車所經(jīng)過的路線上任何一個(gè)采集點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度、基站識(shí)別碼,、絕對(duì)頻點(diǎn),、信號(hào)強(qiáng)度。
(6)根據(jù)信令分析查找各種網(wǎng)絡(luò)問題
因?yàn)楸鞠到y(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及無線信令,，應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化可以使網(wǎng)絡(luò)資源獲得最佳效益,。信令包括：尋呼、鑒權(quán),、加密,、分配信道、切換,、測(cè)量報(bào)告,、位置更新，能清晰顯示出通話的起呼,、切換,、位置更新、結(jié)束通話和掉話等各部分的信令流程。將現(xiàn)場(chǎng)采集到的信令與GSM-R各類業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)信令流程作對(duì)比,，能夠定位到如掉話,、TCH(業(yè)務(wù)信道)擁塞、SDCCH(獨(dú)立專用控制信道)擁塞等網(wǎng)絡(luò)故障,。
(7)雙手機(jī)大話務(wù)量呼叫與統(tǒng)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中,，常利用大話務(wù)量測(cè)試來得到呼叫接通率、掉話率,、呼叫失敗率,、切換成功率等性能參數(shù)，來了解網(wǎng)絡(luò)的健壯性與可行性,。本系統(tǒng)支持雙手機(jī)互呼測(cè)試,，通過自動(dòng)撥號(hào)功能，設(shè)定呼叫數(shù)量,、持續(xù)時(shí)間,、被叫號(hào)碼等參數(shù)，呼叫完畢后能夠提供回放以及通話統(tǒng)計(jì)結(jié)果,。
(8)測(cè)試GSM-R特有業(yè)務(wù)
GSM-R特有的業(yè)務(wù)包括VGCS,，VBS等。普通的GSM路測(cè)系統(tǒng)在GSM-R網(wǎng)絡(luò)不適用,。本系統(tǒng)能夠?qū)SM-R特有業(yè)務(wù)進(jìn)行參數(shù)采集,、信令捕捉。
4 結(jié) 語
在總結(jié)分析GSM-R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),、業(yè)務(wù)模型,、無線接口協(xié)議等這些理論的基礎(chǔ)上，討論了無線路測(cè)的目的以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作的意義,，并給出了一種適用于新一代鐵路無線通信系統(tǒng)——GSM／GSM-R網(wǎng)絡(luò)的無線路測(cè)系統(tǒng),。該系統(tǒng)為GSM／GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作者提供了有效的工具。