【摘要】电力机车的实时管理和自动控制是当前铁路系统的发展趋势和迫切要求。本文 针对这种要求,在GSM移动通信系统的基础上提出了建立电力机车移动数字通信网以实 现机车与控制中心之间的数据传输的方案,设计了系统中车载移动台、GSM覆盖区外自建 基站的基本构造,分析了系统中越区切换、纠错编码等关键技术,并详细的阐述了其实现 方法。 【关键词】电力机车移动数字通信网,移动台,自建基站,越区切换,纠错编码 [AbstraetlIt15theimpendingrequirementandthedireetioninrailwaysystemdevelopment thattheloeomotiveshouldbecontrolledantomatieallyandmanagedinrealtime.Aeeordingto thisrequirement,theRailwayMobileDigitalColnmunicationSystembasedontheGSMSystemforMobileCommunieation15PutforwardinthisPapertoaeeomPlishthedatatransferbetweentheeontroleenterandtheloeomotive.InthisPaPer,thedesignoftheMS(theMobileStation) andtheereetedBS(theBaseStation)outoftheGSMeover15earriedout.Lastwediseussthe keyteehniquesoftheRailwayMobileDigitalCommunieationSystem,thehandoffandthe Error-correeteoding.AlsotheaecomPlishwaysoftheseteehniquesarediseussed. [K盯words1theRailwayMobileDigitalCommunieationSystemhandoff,Error一correeteodingMStheereetedBS ;信息工程大学硕士学位报告 第一章绪论 目前铁路有关单位对电力机车监控、管理等方面还主要依靠人工操作,效率低且易产 生误差,落后于现实的要求。本课题的目的就是设计电力机车数字通信网以实现对电力机 车有关数据的自动采集和自动寻址,对数据的分析后再通过该通信网将相应的控制指令发 送给机车对象,从而实现对电力机车的科学有效的监控、管理,保证机车对象安全、高效 的运作。 由于机车通常处于高速运行的状态中,有线网络无法实现机车与控制中心的数据传 输,所以只能采用移动通信系统进行数据传输。现阶段主要的移动通信系统有GSM(Global SystemforMobileCommunieations)蜂窝移动通信系统、GPRS(GeneralPaeketRadi。 Serviee)通用分组无线业务通信系统、集群通信系统以及15一95ACDMA(CodeDivisi。n MultipleAeeess)移动通信系统。 GSM数字移动通信系统,作为第二代数字蜂窝移动通信系统是在多种业务形式和容量 需求的驱动下发展起来的,由于数字移动通信可以提供更大的容量,同时还可提供多种数 字业务,因而一经出现就令人刮目相待。与模拟蜂窝通信系统相比,数字蜂窝通信系统有 以下几个特点: (1)频谱利用率高。每个小区支持的话务量比模拟网增加许多。 (2)系统容量大。在同样的区域内可以容纳更多的用户。 (3)业务范围扩大。除传输话音外还可以传输多种数据业务,主要有: 调制解调数据业务; 非限制性数字数据业务; 专用分组数据装配、拆卸(PAD)业务; 分组数据业务; 短消息业务(SMS); 三类传真业务; 无线分组业务。 (4)话音质量明显提高,特别是在弱信号和干扰大的环境下更是如此。 (5)采用数字技术便于加密,提高了系统通信安全性。 (6)可实现国际漫游。如GSM系统便统一了泛欧地区的体制,可实现跨国通信。 (7)移动台小型化。由于采用数字技术及集成等先进技术,可进一步压缩体积,减 轻重量,方便用户,有利于向个人通信发展。 GPRS技术是GSMPhase2.1(1997年)规范实现的内容之一,能提供高达115kbit/s的 传输速率(最高值为171.Zkbit/s,不包括FEC),而GSM网数据业务传输速率仅为 9.6kbit/s。作为一种基于GSM的移动分组数据业务,GPRS采用与GSM相同的频段、频带 宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构。GPRs在现有的GSM 网络基础上叠加了一个新的网络,同时在网络上增加一些硬件设备和软件升级,形成了一 第1页信息工程大学硕士学位报告 个新的网络逻辑实体,提供端到端的、广域的无线连接。面向用户提供移动分组的IP或 者X.25连接,更适合于因特网浏览。包括从移动网络下载量比较大的数据的所有形式。 GPRS被认为是ZG向3G演进的重要一步,不仅被GSM支持,同时也被北美的15一136支持。 集群通信系统,是一种高级移动调度系统,代表着通信体制之一的专用移动通信网发 展方向。系统所具有的可用信道可为系统的全体用户共用,具有自动选择信道功能,它是 共享资源、分担费用、共用信道设备及服务的多用途、高效能的无线调度通信系统。 CDMA移动通信系统是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成, 含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作,因此它具有抗干扰性好,抗多径衰落, 保密安全性高,同频率可在多个小区内重复使用,所要求的载干比(C/I)小于1,容量和 质量之间可做权衡取舍等属性。CDMA蜂窝移动通信网的特点为:系统容量大理论上CDMA 移动网比GSM要大4一5倍。频率规划简单用户按不同的序列码区分,所以不相同CDMA载 波可在相邻的小区内使用,网络规划灵活,扩展简单;具有很强的多址能力,抗多径干扰、 窄带干扰及人为干扰的能力;同时CDMA系统还具有隐私性能和低载获概率的性能。 虽然集群通信系统和CDMA移动通信系统在频率利用率及通信质量等方面都优越于GSM 通信系统,但目前我国集群通信系统和CDMA系统的覆盖范围远小于GSM系统。据统计, 现阶段我国集群通信系统仅约有200一300万用户,且为多个独立的区域性共网,如将于 今年底完成的中国第一个具有相当规模的区域性共网商业运营共网-一上海IDEN网(集成数字增强网络)也仅拥有40个基站。我国CDMA网络虽然于今年1月8日正式启动, 但现阶段我国CDMA的覆盖范围覆盖仅达到全国31个省(市)、自治区的300多个地市,且 采取了大覆盖的策略,主要覆盖经济发达地区和重点地市。而我国GSM系统经过多年发展, 目前已十分完善是我国现阶段最大的移动通信系统。GPRS系统作为对GSM网络的一个升级, 对硬件和软件方面的要求都高于GSM系统,而对本系统而言,GSM系统已经足够满足需要。 综合以上分析,利用GSM网络实现对电力机车数据的实时传输将省去了大部分通信基站建 设、维护的大量工作和费用,降低了系统的运营和维护成本,是十分理想的选择。然而目 前国内GSM网络的建设虽然已基本完成,但就当前国内的通信网络性能来讲还有很大缺陷, 其中之一就是网络还未实现全国范围的无缝覆盖。而且本通信网相对于GSM网络而言,具 有自身的特点: (1)系统沿铁路线架设,为带状连续覆盖; (2)用户高速移动要对切换参数加以精心设置,留出较大的余量; (3)主要是数据业务且话务量小,但对系统误码率要求很高。 考虑到系统的运营和维护成本、我国当前移动通信系统网络的特点以及本系统的特 点,我们设想以GSM网络为主,自建基站为补充的电力机车数字通信网实现铁路沿线的无 缝覆盖解决方案,即在GSM覆盖区,我们通过GSM网络实现移动台和控制中心的数据传输。 在GSM覆盖区外,我们则参考GSM系统的有关协议架设自建基站,并通过基站经由铁路系 统的光纤网实现移动台和控制中心的数据传输。通过该通信网可对铁路机车运行进行综合 管理,包括数据的采集,性能的监视与分析,故障的报告与定位,从而实现对铁路系统的 最优化管理。 第2页信息工程大学硕士学位报告 第二章电力机车移动数字通信网的基本构造 鉴于当前GSM网络技术已十分成熟,当机车运行在GSM覆盖范围以内时,我们只需要 设计符合GSM网络规范的移动车载台(MS)终端,利用GSM网络将各种数据业务经过PSTN 实时的发送到控制中心;在GSM覆盖区以外,我们则建立适用于这种新型网络的基站(BS), 将接收到的数据信息通过有线网络传输至控制中心。设计系统结构如图2.1: 车载台 厂l!1.1,....月...几...r.....r-..,. 车载台 l||||||||J基站n GSM援盖区外 了了了了了了了了了了了 巨巨嚼口网络络络!!!!!!!!! PPPSTNNN 控控‘” . 中J。}}} 图2.1系统结构框图 在GSM区,我们通过购买GSM网络的SIM(用户识别)卡注册入网,将机车的数据信 息由移动台经GSM网络和PSTN(PublieSwitehedTelephoneNetwork)公共电话网络传到 控制中心。在GSM覆盖区外,我们则参考GSM系统的有关协议架设自建基站,并通过基站 经由铁路系统的光纤网实现移动台和控制中心的数据传输。 参考GSM系统的参数,初步设计本系统技术要求为: 选用频段:采用我国联通或移动公司所使用的GSM频段中的一段。GSM系统使用的 频段为上行890MHZ一gl5MHz,下行935MHZ一960MHZ,其中: 联通GSM频段:下行收91OMHZ一gl5MHZ,下行发955MHZ一960MHZ; 移动GSM频段:下行收890MHZ一909MHz,下行发:935MHZ一954MHZ 收发频率间隔:45MHz;相邻两频道间隔为ZO0kHz,每个基站工作频段包含1对频道 每8个物理信道; 调制方式:高斯最小移频键控(GMSK),高斯滤波器BT=0.3, 调制速率为270.833kbit/S 第3页信息工程大学硕士学位报告 县2.1移动台系统的设计方案 虽然GSM移动台目前已有现成成品,但现阶段的产品主要针对低速语音用户,不能完 全满足本系统的要求: .本系统传送的主要是数据业务,对系统的传输误码率入要求很高 (入二10一6一10一s),而系统移动台移动速率很高(高速机车速率可高达3O0km/h), 现有移动台设备业务信道采用的交织编码技术很难达到要求,必须选择在原技术 上加以改进从而实现; .考虑到系统的复杂性和成本,本系统GSM区外的自建基站系统与GSM系统的基站 在结构及通信的建立方面有较大差别,现有设备无法与之通信; .本系统中没有语音业务,现有设备的语音编码、人机接口等模块对于系统来说都 是不必要的,我们开发新的设备能降低系统成本。 综合以上因素,可见在现有移动台设备的基础上设计本系统专用的移动台设备十分必 要。 参考GSM移动台的原理我们初步设计本系统专用的移动台系统由射频收收、频率变换、 调制解调、信号处理、电源等组成,其构造方框图如图2.2。 翻 蔽刀王云菇比瓜蔺吓而刀。, 应井}盆协幼翔犯…辱.,去,二‘.“之盆拍阵.冬甲祠‘协。,.。一‘.J., 控粗器 姚级 草元 天坎转抉 盆甘U下交组曰JID目比形成匆官口份场.确 一---一一I 射 ~;若带娜分 图2.2移动台原理框图 移动台基带部分可分为五个子块:CPU处理器、信道编码器、数字信号处理器、调制 解调器和接口模块。 CPU处理器对整个移动台进行控制和管理,包括定时控制、数字系统控制、射频