GSM-R网络承载CTCS-3级列控数据传输关键技术研究

■ 石波

GSM-R网络系统包括GSM-R网络和GSM-R终端，可提供数据通信、话音通信和短消息等业务。为满足铁路运输需求，CTCS-3级列控系统（简称C3）采用GSM-R网络实现车-地控车信息的双向无线传输。目前，GSM-R网络采用电路交换方式承载C3业务，为C3数据分配专用信道。GSM-R网络与C3接口关系见图1[1]。

GSM-R网络与C3接口包括Igsm-r和Ifix接口，其中Igsm-r是列控车载设备内部接口，是列控车载安全通信单元与无线通信单元间的接口，Ifix是GSM-R网络与RBC间的接口，GSM-R网络通过MSC与RBC进行互通，采用PRI（2 Mb/s）接口、DSS1信令方式。

1 GSM-R网络对列控信息的传输与处理

1.1 列控无线消息数据包格式转换

C3定义了列车注册与启动、注销、级间转换、行车许可、RBC切换、临时限速等14个主要运营场景[2]，地到车无线消息包括“行车许可”等15种，车到地无线消息包括“列车位置报告”、“行车许可（MA）请求”等20种[3]。这些无线消息的传输采用规定的通信协议，数据传输格式符合C3规范的相关技术规定。

列控消息的传输协议采用分层结构，从上至下，每一层分别在上一层数据的基础上增加本层数据包头、可选信息包等。列控消息的数据包长度不一样，而传输层、网络层、链路层等数据单元的用户数据长度固定，因此需要对用户数据进行分段传输，即一个无线消息可能被映射到多个数据单元中，最后在链路层以不同帧的形式进行传送。反之，在接收端，接收设备将所接收的分段传输数据重装入数据单元。各层数据包封装见图2[4]，其长度和数量见表1。

图1 GSM-R网络与C3接口关系

图2 各层数据包封装示意图

1.2 GSM-R网络系统数据传输协议栈

以车向地发送数据为例，在数据传输过程中，GSM-R网元对列控数据进行一系列的协议转换和速率适配，协议栈见图3。

图3中RA是GSM-R网络系统设备中的速率适配器，其具体功能见表2[4]。

1.3 列控车载设备对列控数据的处理

列控车载设备对列控数据处理包括异步数据速率转为同步数据速率、同步数据速率转为无线空口速率等（见图4）。

1.3.1 异步数据速率转换同步数据速率

列控车载设备通过RA0实现列控异步数据速率和同步数据速率间的转换。C3采用异步通信方式发送数据，数据包之间时间间隔任意（类似计算机键盘和主机间通信），每个字符为10 b（含起始位和停止位）。例如发送40字节的C3信息包，采用4.8 kb/s传输速率约需83 ms。RA0通过将异步数据填充附加的“停止比特”，使其速率等于相同的同步数据速率或者最接近的较高同步数据速率。4.8 kb/s和9.6 kb/s异步用户速率适配对应的同步用户速率仍为4.8 kb/s和9.6 kb/s。

1.3.2 同步数据速率转换无线空口数据速率

列控车载设备通过RA1'模块完成同步用户数据速率与无线空中接口数据速率的转换。

C3数据传输物理层采用无线空中接口，应符合3GPP关于GSM空中接口的有关规定，可采用GSM全速率数据信道（TCH/F9.6）和半速率数据信道（TCH/F4.8）2种信道类型，C3数据的无线发送需要经过分组编码、卷积编码和交织等过程[5]。

（1）全速率数据信道（TCH/F9.6）。分组编码：无线设备（列控车载设备或BTS）每5 ms将一个60 b的数据块（其中业务速率为48 b）送入编码器；每4个60 b的数据块成1组，并在尾部增加4个0000拖尾比特，形成244 b的数据流。交织编码：采用1/2率卷积编码将244 b数据流通过多项式运算，组成244×2=488 b数据流，其中32 b不传送。交织：将编码后的数据打乱顺序排列，避免数据连续丢失接收端无法恢复，如编码后的数据1111222233334444和交织后的数据1234123412341234。如果传输过程中数据连续丢失了4位，则接收前数据为*111*222*333*444，利用编码纠错可恢复原始数据。

交织后形成456 b数据流在空口上发送，即空口上对应速率为456 b/20 ms=22.8 kb/s，其中业务速率192 b/20 ms＝9.6 kb/s。

表1 数据包长度和数量

图3 数据传输协议栈

表2 速率适配器功能

图4 列控车载设备对列控数据处理示意图

（2）半速率数据信道（TCH/F4.8）。无线设备（BTS或车载设备）每10 ms组成一个60 b的数据块送入编码器；将16个0比特添加到60 b信息比特中，组成76 b的数据块；每2个76 b的数据块成1组，组成152 b的数据流；采用1/3率卷积编码组成152×3＝456 b数据流，并在无线空口上发送，即空口上对应速率为456/20 ms=22.8 kb/s，其中业务速率96 b/20 ms＝4.8 kb/s。

综上所述，不同信道类型下的C3数据处理方式不同。4.8 kb/s和9.6 kb/s 数据传输速率对比见表3。

4.8 kb/s 和9.6 kb/s信道的编码速率（空中接口速率）相同，但采用4.8 kb/s速率信道时，业务信息量相对少，冗余比特信息多，其数据传输信道的可靠性相对较高，国内应用4.8 kb/s异步透明数据传输为承载列控业务的首选方式[6-7]。

1.4 BSS对列控数据的处理流程

GSM-R网络系统的基站子系统（BSS）包括基站（BTS）、基站控制器（BSC）、码速变换器（TRAU）设备，BSS对列控数据处理流程见图5。

（1）通过RA1'/RA1模块，实现无线接口数据速率和同步用户数据速率的转换，再从同步用户数据速率（4.8 kb/s或9.6 kb/s）转换为中间速率（8 kb/s或16 kb/s）。RA1'/RA1输出的数据采用CCITT V.110协议中规定的80 b帧格式。

（2）通过RAA模块实现中间速率与16 kb/s速率的转换。BSC与TRAU间的信息采用特定的TRAU帧，速率为16 kb/s。中间速率与16 kb/s速率转换过程中，通过RAA实现ITU-T80 b帧格式数据与320 b TRAU数据帧中修改的ITU-T V.110 72 b数据帧格式转换。每个TRAU帧传输4个V.110帧。

（3）通过TRAU的RA2模块实现中间速率和64 kb/s最终数据速率间的转换。

在64 kb/s数据帧中为8 kb/s中间速率分配固定数据帧位置，16 kb/s中间速率数据流占数据帧中2个位置。未使用的比特均编码为1[8]。

表3 4.8 kb/s和9.6 kb/s数据传输速率对比

图5 BSS对列控数据处理流程示意图

1.5 MSC/IWF对列控数据的处理

在互联功能接口（IWF）中的数据处理以用户速率进行的，因此IWF负责对数据速率进行调整，即64 kb/s的数据通过RA2、RA1和RA0实现和移动终端（MS）、BSS中相反的适配过程。

综上所述，以4.8 kb/s的原始列控异步透明数据为例，GSM-R网络数据传输、速率适配过程见图6。

2 C3数据传输关键参数设置

（1）列控车载设备对无线链路监控。C3采用T-NVCONTACT参数监控无线链路状态，同时该参数也是列控降级的一个重要表征，表示接收窗口。数值设置范围为7～20 s，国内推荐值为20 s。

当参数超时，即列控车载设备在窗口时间内未收到来自RBC的应用层消息，C3判断通信链路中断，DMI报“无线超时制动”，列车实施常用制动；若列控车载设备判断符合降级条件（速度降低到CTCS-2级列控系统允许的速度）且经司机确认后，则由C3控车方式转为CTCS-2级控车；在此期间若收到新的无线消息，则缓解制动继续采用C3控车。

T-NVCONTACT数值若设置太小，将造成列车频繁制动，若设置太大，当车-地间不能交互信息时，列车不采取常用制动，运行安全性降低。

图6 GSM-R网络数据传输、速率适配过程示意图

实际应用中，导致无线超时的原因有C3（列控车载设备、RBC设备）和GSM-R网络等原因，可采用GSM-R网络接口监测系统，根据C3运用场景和车-地信令交互、数据发送情况，结合车载设备上报的无线测量报告等对问题进行定位，并采取相应的优化措施。

（2）GSM-R网络系统无线链路超时参数的设置。GSM-R网络采用RLT参数（基站BTS设置）检测无线链路故障。在设备通信过程中，话音或数据质量恶化到不可接受，并且无法通过功控或切换改善时，若RLT超时，GSM-R网络系统则启动呼叫重建或强行拆链，并释放网络资源。

导致RLT超时的原因包括干扰、上下行通信质量差、传输电路倒换故障、BTS设备故障（载频板、接口板、天馈系统等）、TRAU设备故障、IWF板件等。RLT超时并不一定会导致C3控车降到CTCS-2级控车模式。

RLT取值范围4～64，步长480 ms，对应时长1.92～30.72 s。目前，国内C3线路客运专线GSM-R网络系统取值尚无统一规定，其数值大小将影响网络的掉话率和无线资源的利用率，一般RLT数值小于T-NVCONTACT。

3 基于R4架构的核心网承载C3的关键技术

C3业务对GSM-R网络系统可靠性要求高，为提高其可靠性，核心网移动交换中心（MSC）应考虑冗余备份，现阶段可采用基于R4网络架构的移动交换机（MSC）。

3.1 软交换双归属组网技术

基于R4网络架构的MSC包括移动交换中心服务器（MSC server）和媒体网关（MGW），可实现呼叫控制和承载业务相分离。MSC server 与MGW间采用H.248协议，基于IP进行承载，因此与R99架构MSC有本质区别，组网也有所不同。

（1）GSM-R网络系统可采用双归属方案对MSC server进行备份，采用1+1主备方式、N+1主备方式、1+1互备方式等。综合考虑网络结构和设备利用率较低、可靠性、维护管理、可实施性等因素，MSC server可采用1+1主备工作方式，当主备MSC server故障，备用MSC server自动接替主备MSC server处理业务，所需时间一般小于10 min（实际工程测试约为3 min）。

（2）GSM-R网络系统可采用负荷分担方式对MGW进行备份。BSC任意同时连接至2个MGW，采用双归属方式接入MSC。C3的无线闭塞中心（RBC）与MSC互连中继电路应冗余配置，并分别连接至主备MGW。工程中的MGW中继容量按一个MGW故障时另一个接管全部业务配置。

当主用MSC server故障时，2个MGW重新注册到备用MSC server，当前承载的业务不受影响。由于MSC server故障，不能处理信令信息，主备MSC server倒换时间（3 min内）新发起的业务不能成功建立。

当一个MGW故障时，其当前承载的业务中断，新发起的业务全部转由另一个MGW承载，因此不受影响。

（3）MSC可通过MGW或MSC server对外（MSC、HLR、SCP、SMSC等设备）提供信令链路。目前，工程上采用通过MGW对外提供信令链路，需要MSC内部对信令协议进行转换，可提高可靠性，避免了主备MSC server至HLR设备间传输通道故障情况下不能提供业务处理。

3.2 承载资源利用优化技术

R4网络架构下，呼叫建立和切换模型均有一定变化，可能会影响到C3业务的QoS指标。因此，需采用承载资源优化技术，保证QoS指标符合标准要求。

（1）局内呼叫。当用户发起呼叫（如列控车载设备），MSC server可以知道主叫位置并确定主叫所在的MGW，并根据被叫的位置优先选择主、被叫共用的MGW提供业务。

（2）出局呼叫。MSC server根据出局号码的路由分析得到出局中继电路群，并选定出局的MGW，然后根据主叫用户的BSC局向优选已选定出局的MGW提供业务。

（3）入局呼叫。主叫的MGW选择由入局中继确定，MSC server根据主叫MGW索引和被叫用户的位置优选与主叫相同的MGW提供业务。

（4）越区切换。MSC server根据切换的BSC或切换后的局向，优先选择连接切换后主、被叫共用的MGW，不必启用其他MGW重新分配信道或将信道切换至另外一个MGW进行话务转接。

综上报述，承载资源利用优化技术节省了MGW之间中继资源，优化了路由，减少呼叫建立时间和切换造成的传输干扰时间等，满足C3业务使用要求。

3.3 切换流程优化技术

为满足C3业务使用要求，工程联调联试期间采用测试系统（分别模拟车载列控设备、RBC）测试各项性能指标，利用传输干扰时间检测应用层数据丢失情况。列控车载设备越区切换时造成车-地数据传输中断，通常传输干扰时间要比切换中断时间长一些。越区切换时，跨BSC切换比BSC内切换传输干扰时间要长，原因是BSC内切换需重新分配空口无线信道（切换命令下达前实施预先分配），而跨BSC切换时需重新分配A口、空口无线信道，按公网切换实现流程，R4网络架构的核心网MSC设备既可支持2G网络也支持3G网络，2种网络编码方式不同。在跨BSC切换和MSC切换时，IWF一般需要与终端设备重新建链和同步等过程，可能会清除RA缓冲区中的数据，导致在GSM-R网络中传输干扰时间加长，无法满足C3业务要求。因此，在实际应用中根据铁路特点，启用2G到2G的切换流程，并尽量对切换流程进行优化，缩短信道切换时间，减少传输干扰时间，满足C3业务要求。

4 结束语

综上所述，GSM-R网络承载C3数据传输需要经过速率适配、无线信道编码等过程，应用中根据实际情况确定适当的传输速率和设置参数。为了满足C3可靠性要求，可采用基于R4网络架构的MSC，通过优化组网和路由方式，满足C3 对GSM-R网络服务质量（QoS）指标要求。

[1] 科技运［2008］128号 CTCS-3级列控系统GSM-R网络需求规范[S]

[2] 张曙光. CTCS-3级列控系统总体技术方案[M]. 北京：中国铁道出版社，2008

[3] 科技运［2008］127号 CTCS-3级列控系统需求规范（SRS）（V1.0）[S]

[4] 3rd Generation Partnership Project. 3GPP TS 04.21 V8.3.0 Rate adaption on the Mobile Station-Base Station System （MS-BSS） Interface：chapter 6-8

[5] YD/T 855.22—1996 900MHz TDMA数字蜂窝移动通信网无线接口物理层规范[S]

[6] 中国铁路GSM-R对外标准组. 中国铁路对外标准工作信息简报（总第35期），2001(9)

[7] 科技运［2008］128号 CTCS-3级列控系统GSM-R网络需求规范[S]

[8] 3rd Generation Partnership Project. 3GPP TS 08.60 V8.2.1 Inband control of remote transcoders and rate adaptors for Enhanced Full Rate (EFR) and full rate traffic channels: chapter 3