GPRS数据时延分析及优化方案.pdf

中 国 铁 路 C H I N E S E R A I L W A Y S 2 0 0 7/65 7Academic View学术视角0 引言G P R S是在现有 G S M系统基础上发展起来的一种无线分组数据业务，在 G S M-R网络中引入 G P R S可以充分利用网络资源，提供多种应用的数据承载通道，发挥其在数据传输方面的明显优势，有效地解决铁路通信频率资源严重受限、通信业务量大且多业务等级的问题。在G S M-R网络中，G P R S应用分为列车运行相关数据传输和列车服务相关数据传输两大类。第一类主要以铁路行车调度信息为主，包括无线车次号校核信息和监控信息传送、调度命令、列尾信息以及编组站列检商检信息的传送；第二类包括旅客列车的车地信息交互、铁路公安相关信息传送等。另外，G P R S在 G S M-R网络上开展的业务，在硬件上只需增加 S G S N/G G S N/P C U，即可为 G S M-R网络传输很多数据信息。但与其在公网中的应用相比，G P R S在 G S M-R上的应用必须满足更高的安全性、可靠性、实时性的要求，特别是必须满足更加严格的分组数据时延要求，才能有效地保证铁路的安全生产。因此，近年来，越来越多的国内外专家学者开始从软硬件等各方面关注影响 G P R S在铁路应用的关键因素，并做了大量的研究工作 1。宋甲英:北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，硕士研究生，北京，1 0 0 0 4 4曲 博:北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，硕士研究生，北京，1 0 0 0 4 4李 旭:北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，副教授，北京，1 0 0 0 4 4钟章队:北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，教授，北京，1 0 0 0 4 4 G P R S 数据时延分析及优化方案摘 要：G P R S 在G S M-R 网络中主要用于传输无线车次号校核信息、监控信息、调度命令、列尾信息等。在列车高速运行状态下，车地间的信息传输必须满足更高的安全性、可靠性、实时性的要求。由于网络中存在诸多不确定因素，直接影响G P R S 分组数据时延。根据G P R S网络仿真和实际测试结果，对影响G P R S分组数据时延关键参数提出合理的优化方案，可有效地减少G P R S 分组数据的传输时延。关键词：G P R S；G S M-R；数据时延；时延优化基金项目：国家自然科学基金资助项目（6 0 3 3 2 0 2 0）中 国 铁 路 C H I N E S E R A I L W A Y S 2 0 0 7/65 8Academic View学术视角1 G P R S 应用特点及时延要求G P R S在 G S M-R网络中的应用与其公网应用相比所具有的特点，使得这两个网络中 G P R S在业务功能、传输时延及参数设置上存在差异。（1）性能指标要求高。在铁路通信中，G P R S应用多数直接服务于铁路生产，对各种业务的可靠性、实时性要求很高。信息传送的任何差错和延误都可能直接成为铁路运输的安全隐患。因此，为了在铁路运输中应用G P R S，必须对 G P R S网络进行合理的配置优化，提高 G P R S网络的各项性能指标，尤其是要保证特殊业务对性能指标的要求。（2）移动性强。在铁路通信中，G P R S用户多数情况下是在移动或高速移动状态下完成车地间的数据通信，这与公网中 G P R S用户多数处于静止或低速移动状态的情况有很大差别。因此，移动性是 G S M-R网络中G P R S应用的一大特色。（3）业务分布相对集中。G S M-R 网络主要分布在铁路沿线、大型枢纽站和编组站地区，G P R S网络呈线性分布。同时，由于铁路通信业务具有较强的可预测性且使用时间和地点都相对固定，变动性小，所以尽管在编组站和大型枢纽站地区业务量大，但其业务分布相对集中且相对固定。（4）终端性能较高。由于铁路运输生产的环境比较恶劣，因此，铁路移 动 终 端 必 须 具 有 较 高 的 性 能。G S M-R网络移动终端必须能够满足不同条件下的安全、可靠、持久的作业，否则将对铁路运输安全造成威胁。由于应用不同并存在不同时延要求，因此 G P R S 提供不同的时延等级，如表 1 所示。2 G P R S数据时延分布及其关键影响因素在 G P R S网络中（见图 1），数据传输要通过 G P R S移动台和基站收发信机（B T S）之间的接口（U m接口）、B T S、A b i s 接口、基站控制器/分组控制单元（B S C/P C U）、G b接口、G P R S业务支撑节点（S G S N）、G n接口、G P R S 网关支撑节点（G G S N）、G i接口，最终传入铁路专用I n t r a n e t。传输过程中，不但要在空中接口和固定网中产生传输时延，还将在移动台、B S S、网络子系统（N S S）等设备中产生处理时延 23。由于不存在网络拥塞的情况，从B T S 至铁路专用I n t r a n e t传输及处理时延在1 0 0 m s 以内，因此数据时延主要集中在 U m接口传输时延和无线资源分配的处理时延上。此外，与上行数据传输相比，下行数据传输时处于附着状态的移动台需要进行寻呼过程，所以对时延影响较大。在 G S M-R网络中，多数 G P R S应用都存在不连续传输的特性，形成分组数据传输时大量的无线链路建立和拆除过程。在此过程中，网络中存在诸多不确定因素直接影响 G P R S分组数据时延，其中关键因素包括以下几点。（1）铁路 G P R S业务的高移动性。高移动性直接导致小区重选，并使得移动台接收信号质量不断变化。以 2 0 0 k m/h 运行的列车为例，G S M-R小区半径一般在 3 k m左右，列车穿行一个小区的时间约为1.5 m i n，此过程中的数据传输必然会受到小区重选和移动信号质量不断变化的困扰，从而对时延指标提出挑战。（2）铁路 G S M-R网络小区密度。铁路通信业务负载的不断增加使得微蜂窝越来越多，覆盖重叠也随之增多，这些改变导致频率干扰和小区重选率增加，从而导致无线链路控制（R L C）层重传率和 G P R S分组数据时延增高，进而影响铁路安全生产和运营。（3）可供使用的分组数据业务信道（P D C H）数量少。G S M-R网络可使用的频段仅为 4 M H z，可供使用的P D C H信道数量少，导致数据业务接入困难，传输干扰增加，拥塞增加，从而使数据传输速率降低，直接影响时延。（4）路由区更新、位置更新等操表 1 部分 G P R S 业务的时延需求 业务 时延要求网络提供时延等级列尾信息传输 小 低调度命令、无线车次号和编组站列检商检信息传输 较小 正常旅客列车乘客 信息传输 尽力而为 尽力而为图 1 铁路 G P R S 网络结构 G P R S 数据时延分析及优化方案 宋甲英等中 国 铁 路 C H I N E S E R A I L W A Y S 2 0 0 7/65 9Academic View学术视角作增多。铁路列车大多处于高速运行状态，这种高速性导致路由区更新、位 置 更 新 等 操 作 增 加，从 而 中 断G P R S数据传输，且这种传输的中断一般都在秒级，严重影响分组数据传输时延。此外，在实际的 G P R S的数据传输中还要受到干扰小区功率大、服务小区信号弱、小区覆盖等影响。3 影响 G P R S 数据时延的关键参数及其优化对于 G S M-R 网络，在空中接口编码方式已经确定的情况下，G P R S数据的处理时延在整个数据传输时延中占很大一部分。通过对网络硬件关键参数设置提出合理的优化方案，可以有效地减小 G P R S分组数据的传输时延 4。因此，G P R S网络的优化对铁路运输有重要的意义。本研究是在图 2所示的网络平台上，利用 S A G E M O T 2 9 0测试手机，从 G i接口采用 C/S结构的用户数据报协议（U D P）测试软件进行仿真和实验。网络设定一个静态 P D T C H信道，采用C S-2 编码方式，测试处场强大于-6 0 d B.m。测试 5 0次，U D P包为1 2 8 字节，超时时间设为8 0 0 0 m s。对数据时延有较大影响的参数及其具体影响、优化如下。3.1 就绪定时器就 绪 定 时 器（r e a d y t i m e r）在移动台和网络侧均存在，其取值范围为0+。从接入性能角度来考虑，分别对移动台处于 r e a d y状态和待命（s t a n d b y）状态下进行仿真和测试。r e a d y t i m e r 设为1 0s，分别进行间隔为 8 0 0 0 m s（确保移动台保持r e a d y 状态）和1 5 0 0 0 m s（确保移动台进入s t a n d b y 状态）的间断性时延测试，其结果是在s t a n d b y 状态进行寻呼的数据传输时延明显高于r e a d y 状态下，相差8 0 0 m s。在铁路通信中，若定时器设置过小，在一个小区内可能会频繁出现寻呼过程，从而导致传输时延增大；若设置过大，会导致频繁的小区重选以及小区更新。另一方面，如果移动台进入了s t a n d b y 状态，网络向移动台发送信息就必须重新进行寻呼过程，既占用大量的寻呼信息又加大数据传输的时延。因此，在网络资源相对丰富的区域（如枢纽地区）可以通过将 r e a d yt i m e r 设定为无穷值，使移动台始终能够在 r e a d y状态下进行数据传输，同时减少寻呼对系统资源的占用。3.2 移动台请求非不连续接收模式的最大值参数移动台请求非不连续接收模式的最大值（D R X _ T I M E R _ M A X）范围为0 7，参数取值为：0 s，1 s，2 s，6 4 s。在不同设置情况下对此参数的下行寻呼性能进行仿真和测试。其结果是，若该参数设置过大，虽然可以缩短下行临时块流（T B F）的建立时间，但移动台待机时间也将减少；若设置过小，会使数据传输时延增加，又占用了信令资源。由于铁路移动台一般采用固定或专用电源供电，待机时间较长，所以，可将该参数设为最大值以保证减少间断传输情况下的时延。但对于便携式 G P R S移动终端可适当减小该参数设置以提高移动台的待机时间。3.3 寻呼信道复帧数寻呼信道复帧数规定了以多少复帧数作为寻呼子信道的一个循环，用来设定两个寻呼组之间的间隔，该参数取值为2 9。对寻呼信道复帧数在不同设置情况下的下行寻呼性能进行仿真和测试。其结果是，当参数为2 时比为4 时数据传输时延减小约4 5 0 m s。若该参数设置较大，移动台等待寻呼的时间较长；若该参数设置减小，移动台的待机时间将减少，但可缩短下行 T B F 建立时间。因此，由于此参数只影响到移动台的待机时间，可将该参数设为最小值以减少间断传输情况下的数据时延。但对于便携式 G P R S移动终端，为提高待机时间可以适当增大设置。3.4 T 3 1 9 2 定时器移动台向网络发送“F A I=1”的“分组下行证实/非证实”消息时，T 3 1 9 2 定时器将会启动；移动台收到“分组下行指配”消息或“分组时隙重新配置”消息时，该定时器停止。当定时器超时，释放与 T B F相关的资源，如临时流识别号（T F I）,并开始监控其寻呼信道。对T 3 1 9 2 定时器取值为5 0 0 m s 和1 5 0 0 m s时的下行接入性能进行仿真 和 测 试。其 结 果 可 以 看 出，在T 3 1 9 2 未超时的情况下(下转第6 2 页）图 2 仿真和试验平台 G P R S 数据时延分析及优化方案 宋甲英等中 国 铁 路 C H I N E S E R A I L W A Y S 2 0 0 7/66 2Innovation on M anagem ent管理创新改变目前每天要点检修的状况。3.2 供电段施工管理模式施工与维修分离后，由大修队独立负责大修施工任务。大修队（所）涉及的业务范围包括牵引供电接触网、变电、电力和配电，使用范围包括汽车和轨道车。为了使大修车间具备大型施工、对外承揽工程业务、承担新线外委维修能力，大修队必须配足配齐人员机具设备，而且技术力量一定要与其业务使用范围相匹配。各专业至少配备 1名业务精、经验足的生产技术人员，2 名以上的专业技师，便于施工现场处理相关业务技术问题，满足独立施工的现场需要。大修队总体人员编制设置为每 1 0 0营业公里 1 0 0人左右，机具设置为汽车 4台、作业车6 8 台、轨道吊车2 台、车梯8 台，专门负责铁路局管内的大型施工、设备大修、电气化区段的电气化施工工程，同时负责对外承揽工程（外局、地方工程），并承担新线外委维修任务。由于新线建成后不设供电段，设备由就近供电段或对外委托管理。而近期电气化铁路建设发展迅猛，供电市场前景广阔，所以，加强供电大修队的人员、机具配置，有利于引入市场机制后使供电大修队走出去，承接外委设备维修、承揽工程业务，树立供电大修品牌。供电段施工管理模式的优点：（1）供电维修车间不直接参加大型施工，可以保障维修；（2）大修队负责大型施工，维修车间负责巡检、验收，确保大修质量；（3）因长期施工，大修队的施工人员和机具能做到人尽其才、物尽其用，提高劳动效率；（4）逐步形成对外承揽工程的能力，符合新体制下的发展方向。其缺点是：由于大型施工任务量的阶段性，在大修任务不饱和时造成劳动资源闲置。4 结束语新体制下供电施工维修必须以发展生产力为目的，以提高效率为宗旨，运检分离的供电管理模式符合科学管理原则，符合新体制发展要求。因此，要加强职工交叉专业知识的学习、融合，使现场作业人员具备必需的专业知识，完善电力工与接触网工、变电工与配电工合并后的相关安全作业规章制度，使电力工能合理地与接触网工同步利用天窗点进行区间作业。加速更新老旧设备，使检测机具手段现代化，改变目前的维修与施工模式。责任编辑陈晓云收稿日期2 0 0 6-1 0-0 9(上接第 5 9 页）进行下行数据传输可使传输时延变少。该定时器的值设置越大，移动台（M S）保留系统所指配的 T F I 和时隙的时间越长，拥塞的风险就越大。若该参数设置较小，M S 很快释放 T B F，再进行下行数据传输时就必须重新建立 T B F，可能导致传输时延增加。在铁路枢纽地区，由于用户业务量大，应适当减少该定时器设置，避免网络拥塞。在铁路沿线，由于用户业务量小，可适当提高该定时器设置以减少传输时延。特别是在分包发送调度命令的情况下，由于发送间隔小，提高该定时器设置更有利于减少调度命令的时延。4 结束语铁路应用 G P R S进行数据传输还处于起步阶段，如何减少数据的传输时延，从而有效地保证非安全数据在G P R S 网络中高效传输是一个值得探讨的问题，对于保证铁路运输生产安全有重要意义。分析G P R S 分组数据时延分布及其关键影响因素，并根据实际情况提出减少传输时延的优化方案，可为G S M-R网络建设和发展提供参考。参考文献1 钟章队,李旭.铁路综合数字移动 通信系统（G S M-R）M .北京：中国 铁道出版社，2 0 0 3:1-52 韩斌杰G P R S 原理及其网络优化 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 4：1 0-3 03 曲博,周青山,周琦.G S M-R 移 动终端测试浅析 J .铁道通信信 号,2 0 0 5（8）4 3 G P P T S 0 4.6 0 V 7.9.0,G e n e r a l P a c k e t R a d i o S e r v i c e (G P R S)M o b i l e S t a t i o n (M S)-B a s e S t a t i o n S y s t e m (B S S)i n t e r f a c e R a d i o L i n k C o n t r o l/M e d i u m A c c e s s C o n t r o l (R L C/M A C)p r o t o c o l S .3 G P P O r g a n i z a t i o n a l P a r t n e r s(A R I B,C W T S,E T S I,T 1,T T A,T T C)，2 0 0 15 3 G P P T S 0 4.6 4 V 8.7.0,G e n e r a l P a c k e t R a d i o S e r v i c e (G P R S);M o b i l e S t a t i o n -S e r v i n g G P R S S u p p o r t N o d e (M S-S G S N)L o g i c a l L i n k C o n t r o l (L L C)l a y e r s p e c i f i c a t i o n S .3 G P P O r g a n i z a t i o n a l P a r t n e r s(A R I B,C W T S,E T S I,T 1,T T A,T T C)，2 0 0 0责任编辑陈晓云收稿日期2 0 0 6-1 1-0 9供电生产布局调整后日常检修与施工模式的思考 李北平