0 引 言

　　GSM－R是基于GSM技術(shù)的一種專(zhuān)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(chē)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(guó)際國(guó)內(nèi)鐵路通信發(fā)展的焦點(diǎn),，我國(guó)在GSM－R技術(shù)上也有了一定的進(jìn)展,。2004年開(kāi)始在青藏鐵路、大秦線(xiàn)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(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃,、建設(shè)和試運(yùn)營(yíng),。與此同時(shí)，由于目前國(guó)內(nèi)的GSM－R路測(cè)系統(tǒng)十分稀少,，對(duì)GSM－R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也開(kāi)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(wú)線(xiàn)路測(cè)" title="無(wú)線(xiàn)路測(cè)">無(wú)線(xiàn)路測(cè)系統(tǒng)。一方面,，在GSM－R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的初期,，通過(guò)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?xún)?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(hù)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(guò)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)部分之間進(jìn)行通信的中繼,，MS通過(guò)空中接口與BTS進(jìn)行連接，是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)接入部分,，是終端用戶(hù)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(wú)線(xiàn)電資源管理與移動(dòng)性管理的功能,，以及提供無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)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(fǎng)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(hù)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(hù)信息的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。HLR存儲(chǔ)的是在網(wǎng)絡(luò)中永久注冊(cè)的移動(dòng)用戶(hù)的靜態(tài)信息，如用戶(hù)信息,、承載和定制的用戶(hù)信息等。AUC完成對(duì)用戶(hù)的鑒權(quán)及為移動(dòng)臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)之間的無(wú)線(xiàn)通信進(jìn)行加密,。EIR用來(lái)存儲(chǔ)IMEI(國(guó)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(hù)的組ID,、移動(dòng)臺(tái)發(fā)起語(yǔ)音組呼(VGCS)和語(yǔ)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(hù)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(zhuān)門(mén)用于操作維護(hù)的設(shè)備被稱(chēng)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(guò)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(zhuān)門(mén)為鐵路通信設(shè)計(jì)的綜合專(zhuān)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(yǔ)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(kāi)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(wú)線(xiàn)接口協(xié)議

　　無(wú)線(xiàn)接口(Um)是MS與BTS之間的通信接口,，又稱(chēng)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(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路實(shí)現(xiàn),。此接口傳遞的信息包括無(wú)線(xiàn)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(kāi)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(wú)線(xiàn)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(guò)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(hù)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(wú)線(xiàn)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(wú)連接的消息業(yè)務(wù)等各種功能,。

　　2．2 無(wú)線(xiàn)資源工作模式

　　無(wú)線(xiàn)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(huà)的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(zhuān)用模式,、群發(fā)模式,、群收模式。

　　空閑模式：沒(méi)有為任何MS分配專(zhuān)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(zhuān)用模式：為MS至少分配了兩個(gè)專(zhuān)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^(guò)小區(qū)自動(dòng)重選和切換來(lái)保持RR連接,。MS對(duì)應(yīng)于通話(huà)狀態(tài)或者位置更新?tīng)顟B(tài)。群發(fā)模式：為語(yǔ)音組呼的MS分配兩個(gè)專(zhuān)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(zhuān)用模式類(lèi)似，不過(guò)在建立過(guò)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(méi)有為MS分配與網(wǎng)絡(luò)連接的專(zhuān)用信道,，它以無(wú)應(yīng)答的方式接收分配給小區(qū)的語(yǔ)音廣播信道或者語(yǔ)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(tīng)者的狀態(tài),。

　　3 GSM－R無(wú)線(xiàn)路測(cè)系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)聽(tīng),，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(wú)線(xiàn)質(zhì)量參數(shù),，結(jié)合GSM－R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化知識(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行加工處理,，通過(guò)顯示模塊的精心設(shè)計(jì)，向用戶(hù)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(xiàn)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(guó)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(wú)線(xiàn)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(huà)接通率,、通話(huà)失敗率,、信道利用率、分配失敗率,、掉話(huà)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(wú)線(xiàn)頻率信道號(hào))受干擾程度,?？梢詸z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(huà)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(xiàn)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(hù)想讓手機(jī)接收比較穩(wěn)定,，減少跳頻問(wèn)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(zhuān)用模式下允許移動(dòng)臺(tái)在未滿(mǎn)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(guò)了規(guī)劃區(qū)域，同時(shí)還可以通過(guò)切換信令,、分析掉話(huà)原因,。

　　(5)GSM／GSM-R基站開(kāi)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(chē)測(cè))網(wǎng)絡(luò)測(cè)試方法，能夠得到車(chē)所經(jīng)過(guò)的路線(xiàn)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(wèn)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(wú)線(xiàn)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(huà)的起呼,、切換,、位置更新、結(jié)束通話(huà)和掉話(huà)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(lèi)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(huà)、TCH(業(yè)務(wù)信道)擁塞,、SDCCH(獨(dú)立專(zhuān)用控制信道)擁塞等網(wǎng)絡(luò)故障,。

　　(7)雙手機(jī)大話(huà)務(wù)量呼叫與統(tǒng)計(jì)

　　網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過(guò)程中，常利用大話(huà)務(wù)量測(cè)試來(lái)得到呼叫接通率,、掉話(huà)率,、呼叫失敗率、切換成功率等性能參數(shù),，來(lái)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(guò)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(huà)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(yǔ)

　　在總結(jié)分析GSM-R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),、業(yè)務(wù)模型、無(wú)線(xiàn)接口協(xié)議等這些理論的基礎(chǔ)上,，討論了無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)——GSM／GSM-R網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)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。