利用GSM-R USSD技术承载铁路行车业务信息的研究

■ 王巍巍 费冬

GSM-R是铁路专用移动通信系统，为铁路安全、高速、提速、信息化、重载及运营管理提供必要的移动通信手段和传输通道。目前调度命令信息、列车尾部安全防护装置信息、列车无线车次号校核信息（含列车启动和停稳信息）等铁路行车业务信息都通过通用分组无线业务（GPRS）来承载。在高速运行状态下，GPRS存在附着和分组数据协议（PDP）激活成功率、分组交换技术的转发时延和丢包问题，需要在工程中不断优化。从现有GSM/GSM-R网络支持的数据承载业务角度，介绍非结构化补充数据业务（USSD）技术、网络结构，探讨、分析利用USSD技术来承载铁路行车业务信息的可行性，以及GSM-R网络引入USSD技术可能产生的影响。

1 USSD技术

1.1 USSD业务概述

U S S D（U n s t r u c t u r e d Supp lem entary Service Data），是一种基于GSM/GSM-R网络的交互式数据业务。它是在GSM/GSM-R的短消息系统技术基础上推出的数据业务。

用户用手机或其他终端编辑一些网络已预先制定的数字或符号，如*，#等，再按send（拨号键）向网络发送一条指令，网络根据所发送的指令选择用户需要的服务提供给用户。

GSM/GSM-R USSD是一种面向连接的业务，传输速率为1 kb/s，适用于实时、高可靠、频繁传送的低速数据传送业务，实现灵活的交互式业务模式。因此，特别适合铁路运输生产中调度命令和车辆运行状态等短数据的实时、可靠传送。

1.2 USSD系统网络结构

USSD中心（USSDC）以标准的移动应用部分（M AP）信令与公共陆地移动网（PLM N）连接，支持非结构化补充业务数据相关的信令处理，完成 SS7信令接入与处理、USSD信令处理和调度，并为USSD应用提供接入及处理功能（见图1）。

USSDC通过SS7信令与归属位置寄存器（HLR），移动交换中心（M SC）连接，占用一个信令点。其中，与HLR的连接主要用于向用户提供归属网络的USSD业务，与本地M SC的连接用于向用户提供拜访网络的USSD业务。

移动用户可以通过不同的业务接入号码来选择使用归属网络USSD服务或是拜访网络的USSD服务。归属网络的业务码范围为70～79及100～149，拜访网络的业务码范围为150～199。

USSDC本身不能提供任何业务，因此所有的业务必须由外部应用服务器来解决。对于USSDC连接的应用可以直接和应用服务器相连，提供基于USSD技术的业务应用。

图1 USSD系统网络结构

1.3 USSD业务信道占用情况

USSD在非通话状态下一直占用独立专用控制信道（SDCCH），传输速率约600 b/s；在通话状态下，USSD使用快速随路控制信道（FACCH），传输速率约1 000 b/s。当移动台在非通话态和通话态之间转换时，USSD占用的信道也在SDCCH和FACCH之间随之转换。

1.4 数据承载业务比较

几种数据承载业务比较见表1。

2 铁路GSM-R网络的USSD业务应用需求

GSM-R系统为铁路数据业务应用提供了数字无线通信平台。目前铁路数据应用包括关键安全数据和非关键安全数据。安全数据采用电路数据方式，其应用特点是要求占用专用数据链路、时延短、数据连续传输、在一定时间内不允许链路中断，但对于链路带宽要求不高，典型应用是列车控制信息、多机车同步操控信息的传输。由于GSM-R频率资源有限，非关键安全数据多采用GPRS方式承载，这类数据包括调度命令信息、列车尾部安全防护装置信息、列车无线车次号校核信息（含列车启动和停稳信息）等铁路行车业务信息。

2.1 铁路行车业务信息分析

2.1.1 调度命令信息

调度命令信息包含调度命令、行车凭证、调车作业通知单、调车请求、列车进路预告等信息。调度员在列车调度台上发送的调度命令信息包括调度命令、行车凭证、调车作业通知单；车站值班员在终端上发送的调度命令信息包括行车凭证、调车作业通知单；列车进路预告信息由CTC/TDCS自动生成；调车请求信息由司机按调车请求键发送。

表1 几种数据承载业务比较

在调度命令传送过程中，调度命令单包数据量不超过648 B，最多不超过2包；调度命令自动确认和签收单次数据量不超过48 B。

2.1.2 列尾安全防护装置信息

列尾安全防护装置信息包括CIR向列尾主机发送的人工风压查询和排风制动命令，列尾主机向机车综合通信平台（CIR）发送的电池电量不足报警、列车管风压低于设定值自动报警和定时发送风压信息。

列尾数据的传送属于点对点的数据传输，每次会话过程，包括信息传送和确认，数据量不超过58 B，具有传输数据量小、发送频繁的特点。

2.1.3 车次号校核信息

车次号校核信息包括列车车次号、机车号、位置、运行速度、列车启动和停稳等信息。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，通过GPRS传输车次号和列车停稳信息时， GSM-R数字移动通信网应采用采用高优先级、延时小等参数设置，来满足全线数据传输实时、正确、可靠。

在车次号传输、列车停稳信息、测试帧数据传送过程中，单次传输数据量大约160 B。

2.2 利用USSD传送铁路行车业务信息

USSD具有面向连接、实时性好、交互性好等特点，因此适合开展实时、高可靠、频繁传送的低速数据传送业务。针对铁路行车业务信息的传送，USSD技术具有一定的适应性（表2）。

3 基于USSD业务实现调度命令传送业务

3.1 系统结构

USSD系统由USSD信令网关、USSD处理服务器、USSD应用接口网关和管理终端组成（见图2）。

其中，U S S D信令网关完成GSM-R网络USSD的信令接入与协议转换，实现链路M TP层控制，完成USSD信令信息的解析和合成；实现SCCP的路由控制和七号信令各层的定时器控制，完成PCM 2M链路的HDLC编码；USSD处理服务器负责系统内部USSD会话状态控制，同时根据系统设置，对会话进行定时控制。USSD处理服务器完成M AP协议中USSD信令到应用接口网关间的接口转换，同时保持SCCP连接，保持应用接口网关的网络连接，会话完成，释放连接；USSD应用接口网关完成应用服务器帐户管理，负责USSD系统和应用服务器间的交互。

3.2 业务实现流程

USSD承载调度命令信息的发送过程见图3。

（1）调度员、车站值班员编辑调度命令信息，按下调度命令信息发送按键，CTC/TDCS发送调度命令信息给USSD系统。

（2）USSD系统接收到CTC/TDCS发送的调度命令信息后，在本地存储，同时根据C IR（机车综合无线通信设备）的M SISDN号码，向HLR/VLR/M SC发起USSD业务请求。

（3）由CIR当前所注册的M SC向CIR发起USSD业务请求。

（4）USSD业务确认：CIR→所属MSC→ HLR/VLR/MSC→USSD系统。

（5）建立会话：USSD系统→HLR/VLR/MSC→所属MSC→CIR。

（6）调度命令发送USSD系统→H LR/VLR/M SC→所属M SC→CIR。

（7）命令接收确认：CIR→所属M SC→HLR/VLR/M SC→USSD系统，最后一包数据接收确认后，USSD系统向CTC/TDCS发送调度命令接收确认。

（8）USSD会话结束与确认：USSD系统 HLR/VLR/M SC 所属MSC CIR。

4 引入USSD业务对现网的影响

4.1 典型GSM-R业务模型

典型铁路GSM-R（含列控）业务模型见表3。

不同业务区域业务信道与控制信道配置见表4。

表2 USSD技术承载铁路行车业务信息的适应性

图2 GSM-R USSD应用系统结构逻辑图

图3 USSD承载调度命令流程

调度数据业务主要是CTC/TDCS与列车间的传送，按列车时速300 km/h、列车追踪间隔3 m in计算，则列车最小间隔距离为15 km，双线铁路一个区间基站覆盖范围内最多有两列通过列车。考虑车站的停靠列车，不同业务区域内基站覆盖范围内的列车数量见表5。

4.2 USSD对基站信道的负荷

USSD对基站子系统（BSS）侧的影响主要体现在无线信道资源的占用上。由于USSD在通话状态下和非通话状态下分别占用不同的信道，因此需要就这两种状态下对BSS的影响分别加以估计。

4.2.1 通话状态

USSD在通话状态下占用FACCH并以偷帧的方式传输信令，由于FACCH实际是已分配给移动台的业务信道（TCH）的一部分，所以此时USSD业务并不额外占用资源，而只是对手机用户本人的通话质量略有影响，而不会对网络上其他用户造成任何影响。

4.2.2 非通话状态

非通话状态下，U S S D占用SDCCH，即独立专用控制信道。通常一个物理信道可设置8个逻辑信道SDCCH和8个SACCH。基本的话音和数据业务对SDCCH的占用主要包括建立语音呼叫、短消息传送、呼叫前转、位置更新等。

根据《铁路GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定》（铁建设［2007］92号），调度数据业务，包括调度命令传送、尾部风压信息传送、无线车次号传送等业务，数据流量为104.96 kb/h/列车计取。

对于不同业务区域下，SDCCH信道配置所支持的数据量及带宽占用情况见表6。

由此可见，调度数据业务包括调度命令传送、尾部风压信息传送、无线车次号传送等业务，通过USSD传送，对SDCCH信道造成的负荷是相当小的。同时，根据公网对引入USSD业务后，对SDCCH信道负荷的测算，大约是比业务开通前增加7％左右，远低于设计最高负荷。

如果考虑USSD话务高峰及个别SDCCH话务量较高的小区，可以考虑适当增加SDCCH的数目。

表3 典型铁路GSM-R（含列控）业务模型

表4 不同业务区域业务信道与控制信道配置

表5 不同业务区域内基站覆盖范围内每小区的列车数量 列

表6 SDCCH信道配置所支持的数据量及带宽占用情况

5 结束语

经过几年高速铁路规模建设和高速发展，我国初步形成了覆盖全国18个铁路局（公司）的GSM-R核心网络，可以提供GSM标准中定义的基本承载业务、终端业务和补充业务等基本电信业务，增强多优先级与强拆（eM LPP）、语音组呼业务（VGCS）和语音广播业务（VBS）等高级语音呼叫业务，功能寻址、功能号注册、注销和基于位置寻址等铁路特殊业务，并为调度通信、列车自动控制提供承载平台。作为铁路专用移动通信承载网，在GSM-R网络建设和完善过程中，应充分考虑通过GSM/GSM-R网络支持的各种技术，满足不断增长和发展高速重载铁路客货运输、公务通信及物流管理等业务的需求。USSD技术作为GSM/GSM-R网络支持的基础技术，具有面向连接、实时性好、交互性好等特点，对于传送调度命令信息、车次号校核信息等要求实时、高可靠、频繁传送的低速数据值得探讨和尝试。

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[4] 铁建设［2007］92号 铁路GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定[S]