基于GSM-R的GPRS网络测试分析

　　摘　要　针对铁路现有无线通信业务的需求，介绍了铁路运输中基于GSM-R的GPRS技术，对GPRS的网络结构进行了概括的描述。然后针对GPRS中传输时延的测试提出了两种方案，进行了实际测试对结果进行了分析。

1、引言

　　专用移动通信网和公众移动通信网的融合是专网发展的一大趋势，正在向着高速、宽带、多业务的方向发展。GSM-R可以随着GSM向第三代移动通信系统的演进而平滑过渡，实现数据的高速化、宽带化，符合专用移动通信网的发展趋势。目前，GSM-R是唯一能够向第三代移动通信系统平滑过渡的提供专用调度通信服务的系统，我国GSM-R的频段是：上行885-889 MHz，下行930-934 MHz。

2、GSM-R系统简介

　　GSM-R是一种基于目前世界最成熟、最通用的公共无线通信系统GSM平台上的、专门为满足铁路应用而开发的数字式的无线通信系统。它基于GSM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为GSM-R系统的业务模型层次结构。


图1　GSM-R系统层次结构示意

3、基于GSM-R的GPRS网络的优势

　　随着铁路信息化水平的不断提高，数据通信在铁路安全与效率方面的角色也变得日益重要。GPRS（General Packet Radio Service）通用分组无线业务是一种基于包的无线通讯服务。GPRS使得用户能够在端到端的分组传输模式下发送和接收数据。所谓的分组交换就是将数据封装成许多独立的分组，再将这些分组一个一个地传送出去。采用分组交换的好处是只有在有数据需要传送时才会占用频宽。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维定式，用户使用GPRS业务将具有建立时间短、数据传输速率高、支持X.25和IP协议、永远在线、提供资源的优化等优势。GPRS支持间歇和爆发式数据业务，支持间或的大量数据传输，还能支持几种QoS；能在0.5-1之内恢复数据的重新传输。其收费是基于传送的数据量而不是按通信的时间计算的。此外，GPRS支持短信息服务，从而使GSM系统空出了更多的信令信道，节省了宝贵的无线资源。GPRS网络是在现有的GSM网络基础上叠加了一个新的网络，充分利用了现有的移动通信网设备，仅通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造、增加一些硬件设备和软件升级，形成一个新的网络逻辑实体来实现分组交换，就使现有的移动通信网与数据网结合起来。

　　在GSM-R中引入GPRS技术不仅能满足铁路发展的需要，从而提供更多的服务，提高铁路服务质量。目前铁路上使用GPRS传输列尾风压、车次号信息、列车启动停稳信息和调度命令等。

4、基于GSM-R的GPRS的体系概述

　　4.1　GPRS网络结构

　　GPRS系统的结构图（如图2所示）可以看出实现GPRS系统需在GSM系统中引入3个主要组件，这3个主要组件是：SGSN（GPRS业务支持节点）、GGSN（GPRS网关支持节点）和PCU（分组控制单元）；除此之外，还需对GSM系统中的相关部件（如MSC/VLR、HLR、BTS等）进行软件升级，以支持GPRS的移动性管理、路由管理及用户数据传送等。


图2　GPRS系统的结构

　　PCU处理从话音业务中分离出的数据业务，控制无线信道的分配；节点SGSN的功能与MSC/VLR类似，具有网络接入控制、路由选择和转发、移动性管理、计费信息的收集等功能。网关支持节点GGSN的主要功能是网络接入控制、移动性管理和边界管理等，支持与外部网络的透明和不透明连接。DNS主要完成对域名的解析，主要有两方面的内容：在用户进行上下文激活的时候，SGSN将APN提交给域名服务器解析，由此获得GGSN的IP地址；在SGSN之间的路由区更新过程中，新的SGSN通过域名解析查找原SGSN的地址。

　　4.2　GPRS移动性管理

　　GPRS定义了3种移动性管理的状态，即GPRS空闲（Idle）状态、待命（Standby）状态和就绪（Ready）状态。

　　IDLE状态：用户不为GPRS网络所知，表明移动台已开机，尚未附着到GPRS移动性管理上去。移动台只能接收PTM-M的传输，但不能接收和发送PTP和PTM-G数据。在这种状态下移动台可以被网络认为是不可及的。

　　STANDBY状态：移动台此时已经附着到GPRS网络上，并且和SGSN建立了MM连接。SGSN对MS的移动性管理仅在路由区（RA）的层次上。移动台在这种状态下可以接收对PTP或PTM-G数据的寻呼。这时移动台可以通过激活PDP上下文转入就绪状态。

　　READY状态：当移动台和GPRS网络的分组传输正在进行中或刚刚结束时，移动台就处于就绪状态。在就绪状态下移动台可接收PTM和PTP数据。SGSN可随时向移动台直接传送数据，不必先呼叫，移动台也可随时向SGSN传送数据。SGSN对MS的移动性管理在具体小区的层次上。

5、基于GSM-R的GPRS网络测试指标

　　从整个铁路通信来看，可以分为安全的数据传输通道和非安全的数据传输通道。GPRS属于非安全的数据传输通道，但使用GPRS的各种铁路应用也存在着不同的需求。GPRS在铁路上的应用种类繁多，用途不同，对铁路生产的重要性不同，因此所要求的QoS也各不相同。

　　5.1　铁路GPRS应用的优先级需求

　　在铁路所有的GPRS应用中可以分为两大类：列车运行相关数据传输和列车服务相关数据传输。前一类主要以铁路行车调度信息为主，包括无线车次号和监控信息传送、调度命令、列尾信息以及编组站列检商检信息的传送；另一类包括，旅客列车车地信息交互、铁路公安相关信息传送等。

　　两大类信息的传送的优先级不同，由于GSM-R首先要保证铁路生产的安全可靠有效运行，因此列车相关数据传输的优先级要高于列车服务相关数据传输。同时在这两大类应用中每一种具体应用的优先级也存在差异。如表1所示。

表1　部分铁路GPRS应用的优先级需求

　　5.2　铁路GPRS应用的时延需求

　　由于铁路生产中GPRS的应用同普通的公网中的GPRS用户存在着本质的差别，因此在铁路中的各种应用，尤其是列车运行相关数据传输需要尽量小的数据传送的时延。同时，在铁路中的不同应用对时延的要求有着相对不同的要求。如表2所示。

表2　部分铁路GPRS应用的时延需求


　　5.3　铁路GPRS应用的可靠性需求

　　铁路中的GPRS应用大部分直接为铁路生产运输服务，因此对于信息传送的可靠性要求相对较高，在信息传送中的错误比特将有可能直接影响到铁路运输安全。根据铁路GPRS应用的实际情况可以按表3进行简单分类。

表3　部分铁路GPRS应用的可靠性需求


　　5.4　铁路GPRS应用的吞吐量需求

　　铁路中的GPRS应用特点在于其应用相对固定，而且业务量相对固定。对吞吐量影响最大的是在进行分组数据传输时所分配的时隙，在铁路中多数应用其传输字节较少，对吞吐量的要求主要集中在峰值吞吐量的要求上。各GPRS应用所需传送信息字节数如表4所示。

表4　部分铁路GPRS应用的传输数据量


6、基于GSM-R的GPRS网络的测试

　　6.1　技术要求

　　GPRS以数据业务为核心，所以这就要了解数据业务的协议、应用和技术特点。另一方面GPRS信令复杂，需要通过对信令进行监视、分析。要测试GPRS的网络性能要对测试仪表和相关软件提出很高的要求。

　　6.2　PING数据传输时延的测试

　　GPRS在编码方案为CS1，且有一个PDTCH时，使用PING指令进行移动台到网络时延的测试，测试的时间是往返程的时延，指令如下：

　　Ping-I 128-n 50-W 5000；

　　Ping-I 256-n 50-W 5000；

　　Ping-I 512-n 50-W 5000；

　　Ping-I 1024-n 50-W 5000；

　　同理对编码方案为CS1，且有2个PDTCH时，使用PING指令进行移动台到网络时延的测试，测试的时间是往返程的时延，测试结果如表5所示。

表5　PING数据传输时延


　　由此可见随着分组数据包大小的增加在相同信道的情况下传输时延也是随之增加的；随着信道数的增加，在相同大小的数据包的情况下，信道数越多传输时延越小。

　　6.3　优先等级的测试实现

　　在铁路应用中不同业务的优先级是有着根本不同的。因此，在GPRS网络创建PDP场景时需要申请不同的优先级。在GPRS中，用户可申请的优先级分为3种即高优先级、正常优先级和低优先级。

　　分别为两移动台申请高优先级和低优先级进行对比试验。两个移动台在同一基站下对Gi接口装有UDP测试软件的主机对进行时延测试。测试环境如图3所示。


图3　测试环境

　　测试UDP包大小为1 024字节，测试50次，超时时间设置为4 000 ms，进行连续的数据传输时延测试。网络设定一个静态PDTCH信道，采用CS-2编码方式，测试处场强大于-60 dBm。这样两个移动台在同一个小区内的一个PDTCH信道上进行争抢，表6显示了两移动台分别在申请了不同优先等级情况下时延测试中的差别。

表6　移动台在不同优先级设置下数据传输时延（单位ms）


　　从以上数据可以看出不同优先级的移动台在争抢资源时的差异，高优先级用户传输时延和丢包率的性能都要高于低优先级用户。因此可以根据不同的铁路GPRS应用，为移动台提供不同的优先级等级。

　　当然，目前GPRS并不能满足所有的铁路应用对优先级等级分类的需求，但至少能够在功能上提供不同优先级的服务。

　　这些测试都是在实验室室内、无干扰的静止环境进行的，在实际的测试环境中这两种传输时延和丢包率应该要大一些。

7、结束语

　　无线数据业务的应用正在迅速发展，GPRS是目前实现无线数据业务的最佳承载方式。

　　基于GSM-R的GPRS网络性能还不是很好，还要对其性能的进行更深入的测试，并对测试结果进行分析。因此基于GSM-R的GPRS网络性能的测试工作还是需要进一步地加强。

　　参考文献

　　1　钟章队等编著.铁路综合数字移动通信系统.中国铁道出版社

　　2　韩斌杰编著.GPRS原理及其网络优化.机械工业出版社

　　3　钟章队等编著.GPRS通用分组无线业务

　　4　文志成著.通用分组无线业务——GPRS. 电子工业出版社

　　5　李敏之等著.基于GSM-R的GPRS技术在我国铁路交通运输中的应用. 甘肃科技
作者：王静　周姝　朱刚   来源：广东通信技术