GSMR在铁路通信中的应用毕业论文

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1、目录目录摘要.2ABSTRACT.2第一章 绪论.2第一节 引言.2第二节 铁路通信的发展过程和现状.2第三节 GSM-R 的历史及技术特点.2第二章 GSM-R 基础.2第一节 GSM-R 基本原理.2一、面状覆盖.2二、 线状覆盖.2第二节 GSM-R 网络结构和功能.2一、BSS 结构和功能 .2二、NSS 结构和功能.2三、OSS 结构和功能.2第三章 GSM-R 在铁路无线通信中的应用.2第一节 功能寻址.2第二节 调度通信 .2第三节 基于位置的路由.2第四节 增强多级优先和强占业务（EMLPP） .2第五节 呼叫矩阵业务.2第六节 铁路紧急呼叫.2第四章 GSM-R 在呼和浩特局

2、铁路通信中应用的设计.2第一节 GSM-R 功能寻址的实现.2一、功能寻址的过程.2三、应用及其解决方案.2第二节 GSM-R 调度通信的实现.2一、系统构成.2二、系统业务.2三、系统技术要求.2四、通信过程.2五、调度通信系统的功能.2六、用 GSM-R 网络实现列车调度通信功能的设计.2第五章 总结.2致谢.2参考文献.2摘要摘要GSM-R （GSM for Railway）是在 GSM 蜂窝系统上增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的要素组成，能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信要求的技术。GSM-R 目前在我国铁路通信中的应用主要有：调度通信功能、车次号传输与列车停稳信息的传送

3、功能、调度命令传送功能、列车尾部装置信息传送功能、调车机车信号和监控信息系统传输功能以及列车控制数据传输功能。功能寻址是非常重要的先进寻址功能，是实现集群调度通信多的关键技术和必要手段。在功能寻址业务中，每个 MSISDN 可以建立与多个功能号码的映射关系，但是一个功能号码一次只能指定给一个用户。功能寻址业务分为语音呼叫功能寻址和短消息功能寻址4。GSM-R 调度通信系统主要负责列车调度通信、货运调度通信、牵引变电调度通信、其他调度及专用通信、站场通信、应急通信、施工养护通信和道口通信等。利用 GSM-R 进行调度通信系统组网，既可以完全利用无线方式，也可以同有线方式结合起来，共同完成调度通信

4、任务。论文从 GSM-R 的基础即 GSM-R 原理、网络结构和功能等入手，阐述了 GSM-R 在铁路通信中的应用并结合呼和浩特铁路通信的现状对 GSM-R 的部分功能在呼局铁路通信中的应用进行了设计。Abstract第一章第一章 绪论绪论第一节第一节 引言引言铁路是我国国民经济的大动脉，铁路的运输能力直接影响着我国国民经济的发展。进入 21 世纪，随着铁路跨越式的发展，铁路通信系统也迎来了划时代的转变，近年来随着运输量的日益增长，使得列车重量加大，列车编组加长。GSM-R 技术是基于成熟、通用的公共移动无线通信系统 GSM 平台之上，专门为满足铁路应用而开发的数字式移动无线通信技术。在铁路通

5、信中，它能够提供定制的附加功能，如优先级和强插功能、话音组呼及广播功能、位置寻址及功能寻址和安全数据通信等，是一种经济高效的综合数字移动通信系统。铁路无线全球通信系统 GSM-R 的建设和使用，表明中国铁路正不断吸取国外铁路的先进经验和成果，努力提升自身的经济技术结构和规模水平，加快发展步伐，争取在较短时间内运输能力满足国民经济和社会发展的需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平1。第二节第二节 铁路通信的发展过程和现状铁路通信的发展过程和现状新中国成立初期，铁路长途通信一直采用的是以架空明线和电缆为传输媒质的载波通信设备，电话交换大量发展步进制自动交换机及人工长途台，在专用通信方面，全路调度

6、、各站、养路等通信系统改造为铁路支流脉冲选叫方式。进入 70 年代，随着国外铁路开始应用光纤技术，我国铁路光缆、数字通信也随之进入研究阶段；进入 80年代中后期，数字光纤通信已经在多条线上试用成功；90 年代数字光纤通信已经在铁路通信中被广泛使用，这一时期除光缆建设迅速发展以外，其他数字通信建设也得到了相应的发展在交换方面大量采用程控交换设备。90 年代末全路长途交换网基本形成，在数据交换方面根据铁路运输管理信息系统 （TMIS）、客票预定和发售信息系统及铁路其他信息业务的需要，建设了铁路第一个分组交换数据网。在专用通信方面由于光数字分插设备的应用，区段通信电缆数大幅度增加，中间站通信条件大为

7、提高。调度等共线电话也推广采用了程控共线设备2。铁路无线通信系统使用的单信道模拟制式无线通信设备主要是为满足话音通信设计的，主要使用 450M 频段，共 58 对频点，固定分配给了无线列调、站调、公安等无线系统使用，各个部门间不能相互共享，造成频率资源的极大浪费，无线通信系统采用频点（信道）固定分配的方式，信道长期指配给某一系统（通常按专业划分）用户使用，当一个信道遇忙时，其它用户只能等待，往往造成该信道上的用户争抢或者出现阻塞，通信质量得不到保证2。而信道空闲时，别的系统用户也并不能利用该信道进行通信。这无疑是对频率资源的一种浪费，也制约了用户数量的进一步发展。铁路无线通信系统枢纽地区干扰严

8、重，不具备网络能力，移动终端对讲距离受限，邻站交界区易发生业务中断，各个无线通信系统分散，不能联合组网，使得各系统之间用户无法进行联络，无线、有线调度网基本独立，无法形成有机融合的整体。无线列调系统是开放系统，并未做任何鉴权加密处理，对用户无需进行身份识别，只要无线终端用户频点和调制方式与无线列调相同，便可以加入到无线列调系统内的通信。因此话音业务可以被接收或窃听，给行车安全带来极大的隐患。随着我国铁路信息化建设的不断发展，铁路数据信息业务量的多样化和高速率，使得 GSM-R 系统在国内有着广阔的发展空间，GSM-R 技术也正是顺应时代的发展，利用其固有的 GSM-R 网络特性，为铁路信息化和

9、自动化发展奠定良好的基础，利用通信的手段实现铁路移动设施和固定设施的无缝连接，确保列车平稳高速、安全地运行。第三节第三节 GSM-R 的历史及技术特点的历史及技术特点最初开发 GSM-R 的原因是无线频率的利用效率较低，铁路网络之间不同的通信系统的互操作性有限。1992 年，欧洲铁路的主管组织 UIC（国际铁路联盟）认为，GSM 正在逐渐成为移动通信的实用标准，并发现 GSM 的功能能够为铁路的新型数字通信系统提供一个理想的平台。于是，作为 EIRENE（欧洲统一铁路无线增强网络）项目的一部分，关于 GSM-R 数字无线标准规范化的工作陆续展开。1995 年，MORANE（欧洲铁路移动无线电通

10、信）项目启动，EIRENE 制定的标准得到认可，开始生效。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，针对铁路通信列车调度、列车控制、支持高速列车等特点，为铁路运营提供定制的附加功能的一种经济高效的综合无线通信系统4。从集群通信的角度来看，GSM-R 是一种数字式的集群系统，能提供无线列调、编组调车通信、应急通信、养护维修组通信等语音通信功能。GSM-R 能满足列车运行速度为 0-500km小时的无线通信要求，安全性好。GSM-R 可作为信号及列控系统的良好传输平台。第二章第二章 GSM-R 基础基础第一节第

11、一节 GSM-R 基本原理基本原理GSM-R （GSM for Railway）是在 GSM 蜂窝系统上增加了调度通信功能和适合高速环境下使用的要素组成，能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信要求的技术。由于 GSM-R 可实现跨越国界的高速和一般列车之间的通信；能将现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中，以减少集成和运行费用；而且由于 GSM-R 是由已标准化的设备改进而成，GSM 平台上已经提供了大量的业务，因而引入铁路专用的功能时只需最低限度地改动，故能保证价格低廉、性能可靠地实现和运行；在 GSM Phase 2中添加了 ASCI（增强的语音呼叫业务）特性，能灵活地提供专网中所需的语

12、音调度服务如 VBS、VGCS 和 eMLPP，因此 GSM-R 是面向未来的技术，它将从广阔的GSM 公网市场和 GSM 技术的不断演进中获益，具有巨大的发展空间。GSM-R 在欧洲取得巨大的成功，目前超过 30 个铁路公司已承诺在其国际路网中使用该技术3。GSM-R 系统很多技术借鉴了公网的 GSM 技术，保留了 GSM 的大体结构，使得从一开始 GSM-R 系统就是一个成熟可靠的系统，它的绝大多数软硬件都已在现网中得到检验。不仅如此，由于二者都可以工作在 900M 频段，因此在无线网络规划方面也是基本相同的。 GSM-R 系统的规划设计也可借助于已成熟的 GSM 系统工具，可以方便快捷地

13、为用户提供网络设计安装。GSM-R 的基本特性已在铁路网的 MORANE 试验中得到安装、测试和验证。出于众多的需要，GSM 新技术如 GPRS 已经规范化并将安装使用。向 UMTS 的演进将提供新的业务和更加强大的无线系统。GSM-R 据此可最大限度地引入新的业务。业务模型如图 2-1 所示。 图图 2-1 GSM 与与 GSM-R 的关系的关系业务模型业务模型蜂窝移动通信系统诞生于 20 世纪 80 年代，第一代的模拟蜂窝系统解决了移动电话业务中长期存在的阻塞和服务质量差的问题。随着数字通信技术的发展，模拟蜂窝系统在用了十年左右的时间就被淘汰了，新的数字移动通信系统成为移动通信的主流。本文

14、将从面状覆盖和线状覆盖两种覆盖方式的角度来介绍 GSM-R 工作原理10。一、面状覆盖一、面状覆盖（一）小区形状（一）小区形状在面状覆盖的服务区中，通常采用正六边形的小区形状。六边形比正方形和正三角形在半径相同的情况下，覆盖面积要多 30%100%。因此采用六边形的设计需要较少的小区，较少的发射基站。（二）频率复用（二）频率复用 在蜂窝系统中，系统会给每一个小区的基站分配一组信道，只要相隔距离足够远，相同的信道可以在另一个小区重复使用，这就是频率复用的思想。我们把由若干个使用全部频率的小区组成的集合称为一个簇，把不同簇中使用相同频率的小区称为同频小区，任意两个同频小区之间的距离称为同频复用距离

15、。为了避免同频小区之间的干扰，必须选定一个合适的同频复用距离。构成一个簇必须满足：簇的区域能彼此邻接且无空隙地覆盖整个面积；相邻簇间同频小区的距离相等且为最大。设一个簇中的小区数为,满足以上条件的的取值NN是有限的，可以通过式 2-1 确定的值。 N （2-1）22Niijj其中， ，为非零正整数。这一公式提供了寻找最近的同频小区的方法：沿某一ij小区的任意一条六边形链移动 个小区后，逆时针旋转 60 度后再移动个小区，此时ij到达的小区即为同频小区。图 2-2 为 =3，=2，=19 的情况。设两个同频小区之ijN间的同频复用距离为，小区的半径为可用下式计算DR （2-2）3DNR由 2-2

16、 式可见，小区的半径越小，同频复用距离就越小，频率利用率就越高。但是如果同频复用距离越小，同频小区之间的干扰就会越大。为了更好的表达频率复D用率与系统容量之间的关系，我们引用与的比值来作为衡量系统容量的一个重要DR参数，这一比值称为同频复用比，用来表示： Q （2-3）3DQNR可见，的值只与簇的大小有关，的值越小，系统容量越大；但是值大可以QQQ提高传播质量，因为同频干扰小。在实际的蜂窝系统设计中，要恰当的选择值，在Q容量和干扰之间进行折衷。目前常用的蜂窝网簇的结构有=12、9、7、4 和 3。N图图 2-2 寻找同频小区的方法寻找同频小区的方法（三）提高系统容量的方法（三）提高系统容量的方

17、法 随着用户数量的增长，需要不断地提高蜂窝系统的容量。实际中常使用的提高蜂窝系统容量的方法有小区分裂和划分扇区。小区分裂根据用户密度的变化，在现有小区的基础上划分更小的小区来提高频率复用率。划分扇区利用天线的方向性来控制干扰，从而提高系统容量。（四）位置理论（四）位置理论 在蜂窝网络中有以下几类与区域有关的概念： 小区：一个 BTS 所覆盖的全部或部分区域（扇区），是最小的可寻址无线区域。 位置区：移动台可以任意移动但不需要进行位置更新的区域，一个位置区可由一个或多个小区组成。当 MSC 寻找移动台时，只需要在移动台所属的位置区进行呼叫，而不需要在整个 MSC 区内呼叫移动台，如图 2-3 所

18、示。 MSC 区：一个 MSC 管辖下的所有覆盖区域，一个 MSC 区可有一个或若干个位置区组成。 服务区：移动用户可以获得服务的所有区域。 通通过过信信令令点点代代码码寻寻址址位位置置区区位位置置区区位位置置区区M MS SC C/ /V VL LR RB BS SS SB BS SS S小小区区小小区区小小区区小小区区小小区区小小区区小小区区小小区区小小区区小小区区小小区区小小区区通通过过信信令令点点代代码码寻寻址址 图图 2-3 小区和位置区小区和位置区MSC 可以通过位置区识别码（LAI）和全球小区识别码（GCI）来识别位置区和小区。位置区识别码由三部分组成：LAI = MCC+MNC

19、+LAC，全球小区识别码是在 LAI 的基础上再加上小区识别码（CI）构成的，其结构为 GCI = MCC+MNC+LAC+CI，GCI 可以全球范围内唯一地标识一个小区。 MSC 可以通过 BSC 的信令点代码（CCS7 地址）寻址一个小区，虽然在呼叫建立的过程中 MSC 不需要知道用户所在小区的位置，但是为了测量话务量 MSC 仍需要知道用户所在的小区。用户在 MSC 的 VLR 中的位置不是建立在小区的基础上的。在 VLR 中存储的是用户的位置区，即利用位置区来寻找用户。可以将一个或多个位置区唯一地分配给一个 BSC，通过 BSC 的信令点代码在所在的 MSC 中实现位置区和所有小区的地

20、址逻辑。还可以给小区分配一个位置标志码，它是一个与小区相关的完整的电话号码，可以用作 GSM 紧急呼叫的拨号信息，或者用来替代该信息，用作紧急呼叫的拨号短代码。越区切换时移动用户从一个 MSC/VLR 切换到另一个 MSC/VLR 区域中， 因此前一个 MSC 必须知道后一个 MSC 的位置区。对于一个 MSC，它不仅应该知道与它相邻的、可能发生越区切换的 MSC 的位置区，还应该知道其他的一些外部位置区。 移动用户在位置区中必须进行位置登记，移动台的位置信息储存在位置寄存器功能单元（HLR 和 VLR）中。移动台要不断地向 MSC 的 VLR 提供自己的位置信息，这一过程叫做位置更新。 位置

21、区的划分要考虑两方面的原因：登记和寻呼。如果一个位置区包括了整个 MSC 的业务域，那么它的登记的代价是最小的，即位置更新的次数最小，但是寻呼的代价是最大的，即 MSC 需要向所属的所有移动台发出寻呼信息。反之，如果一个位置区就是一个小区，那么寻呼的代价最小，登记的代价最大。二、二、 线状覆盖线状覆盖 通常面状覆盖用于城市、乡村等地域宽阔的地带，而在铁路、公路、狭长的水面上这样的呈带状的地区，往往采用线状覆盖的方式。本论文介绍的 GSM-R 系统应用于铁路，应当采用线状覆盖的方式。线状覆盖使用的蜂窝基本原理与面状覆盖类似，只是在小区频率组的分配和重叠区的问题上要单独考虑。铁路沿线的覆盖示意图如

22、图2-4 所示。图图 2-4 铁路沿线的覆盖示意铁路沿线的覆盖示意（一）频率的分配（一）频率的分配 在线状覆盖中，一般以圆形小区为模型来进行分析和设计，如图 2-5 所示。沿着覆盖区域的分布按照 n 个小区为一组的间隔可以进行频率复用，n 的取值要考虑到频率利用率、同频干扰和建网成本，一般可以取 2、3、4。 f f1 1f fn nf f1 1f f2 2f f2 2f fn n图图 2-5 线状覆盖的频率复用线状覆盖的频率复用（二）重叠区的确定（二）重叠区的确定 在铁路或公路的覆盖中，移动台往往处于高速移动状态，信号的场强变化复杂，很难确定相邻小区的覆盖边界，通常从场强的平均变化这一意义上

23、来理解覆盖区域。为了保证在覆盖区域尽可能不出现弱场区，要保证相邻小区间有一定的重叠范围。确定重叠区的大小是一个很复杂的问题，如果重叠区太小，可能会出现弱场区；重叠区太大同频干扰增大，越区切换时间太长，不易控制，因此要恰当设计重叠区域的大小。图图 2-6 线状覆盖的同频干扰线状覆盖的同频干扰在图 2-6 中，假设移动台位于小区 A 的边界 P 点，小区半径为 R，路径损耗指数为 4。采用两小区、三小区、小区的频率复用方案得到的移动台接收 C/I 值分别为:n1）两小区复用 （2-4）40log()32CRdBIRa 2）三小区复用 (2-5）40log()53CRdBIRa 3）小区复用 （2-

24、6）n40log()(21)CRdBInRna 因此，可以根据式 2-6 和的设计要求，求出重叠区的宽度。S Ia（三）平衡设计（三）平衡设计 线性覆盖在线性区域的两侧应该是对称的，在高速移动的环境中要尽量使小区的数目最小，中继效率最大，每个小区的信道都可以为两个方向的用户服务，这就要求较高的基站发射功率。但是基站的高发射功率可能会造成上下行链路的不平衡，结果上行链路会因为噪声太大而无法使用。平衡的设计保证上下行链路具有同等的强度，使得任意小区的双向用户都有较好的接收质量。平衡设计的关键是要在四面建立天线群系统。两个发射天线和两个接收天线分别指向道路两边，下行链路的信号从小区沿着道路向两个方向

25、辐射。两个接收天线按同样的方式朝向两个方向。每个天线与一个多路耦合器连接，多路耦合器由预选滤波器、放大器和分离器组成。两个接收机的多路耦合器连接一个接入信道和所有的话音信道。美国的农村服务区高速公路系统采用的就是这种方案。（四）（四） 小区分层小区分层 根据覆盖地区的人口密度和移动台移动速度的要求，可以按照覆盖范围的大小将小区分为以下四种类型： 扩展小区：半径 35km120km，主要用于沿海地区海域的覆盖。 宏小区：半径 1km35km，用于高速公路和人口较稠密的地区。要求具有高的抗干扰灵敏度和安全的频率复用模型。 微小区：半径 0.1km1km，用于城市繁华地段。要求用高的干扰隔离度，使用

26、少量频率就可以实现密集频率复用。 微微小区：半径小于 0.1km，用于室内环境，如商场、会议中心、办公楼等。根据小区的大小不同，天线假设的高度也不一样。一般来讲，宏小区的天线架设在建筑物的顶部，微小区的天线低于建筑物，微微小区的天线一般安装在室内。在进行实际的覆盖设计时，可以根据实际的地形环境和业务密度将集中小区结合使用。这里介绍分层小区的覆盖。分层小区主要用于高速公路和城市主干道覆盖，它解决了用户的切换和大业务密度之间的矛盾。常采用的是两层的结构。第二节第二节 GSM-R 网络结构和功能网络结构和功能GSM-R 陆地移动网络是由一个管理者或专门的机构组织建立并执行操作的，它的目的是为铁路提供

27、陆地移动通信的各种业务。GSM-R 陆地网络可以看作是某个固定网络的扩展，如 ISDN；或者是一个采用统一编号方案的 MSC 的集合。MSC 作为陆地移动网络和固定网络的接入单元。作为铁路专用的网络，GSM-R 可以有限地、有条件地与地面的公众或专用网络进行互连。 一个 GSM-R 陆地移动系统由若干个功能实体组成，这些功能实体所实现的功能的集合就是网络能够提供给用户的所有基本业务和补充业务，以及对于用户数据和移动性的操作和管理。GSM-R 陆地移动网络由三个子系统组成，其基本结构如图 2-7 所示。移动台是接入 GSM-R 网络的用户设备，包括移动终端（ME）和终端设备（TE），或通过终端适

28、配器与 ME 连接的 TE。移动台除了具有通过无线接口（Um）接入到 GSM-R 系统的一般处理功能外，还为移动用户提供了人机接口8。 基站子系统（BSS）由一个基站控制器（BSC）和若干个基站收发信机（BTS）组成，BTS 主要负责与一定覆盖区域内的移动台（MS）进行通信，并对空中接口进行管理。BSC 用来管理 BTS 与 MSC 之间的信息流。BTS 与 BSC 之间通过 Abis 接口通信。BSS 中还可能存在编码速率适配单元（TRAU），它实现了 GSM-R 编码速率向标准的 PSTN 或 ISDN 速率的转换。TRAU 与 BSC 通过 Ater 接口连接。P PS ST TN N、

29、I IS ST TN N、P PS SD DN N信信令令系系统统N NO O. .7 7S SS S7 7G GC CR RG GM MS SC CV VL LR RH HL LR R- -A AU UC CE EI IR RM MS SC CV VL LR RO OM MN N接接口口M MS ST TR RA AU UB BS SC CB BT TS SB BT TS SA A接接口口A At te er r接接口口B BS SS S基基站站子子系系统统U Um m接接口口O OM MC C- -R R O OM MC C- -R RO OS SS S操操作作和和维维护护子子系系统统图图

30、 2-7 GSM-R 陆地移动网络的基本结构陆地移动网络的基本结构网络子系统（NSS）建立在移动交换中心（MSC）上，负责端到端的呼叫、用户数据管理、移动性管理和与固定网络的连接。NSS 通过 A 接口连接 BSS，与固定网络的接口决定于互联网络的类型。 操作和维护子系统（OSS）是相对独立的子系统，为 GSM-R 网络提供管理和维护功能。它的具体功能由操作维护中心（OMC）来完成，其中 OMC-R 负责管理BSS，OMC-S 负责管理 NSS。OSS 主要提供移动用户管理、移动设备管理、网络操作和控制三类功能。 任何 GSM-R 陆地移动通信网络都必须与固定网络连接，一同完成移动用户与移动用

31、户之间、移动用户与固定用户之间的通信。 组成 GSM-R 网络的各个子系统之间、BSS 与移动台之间、与固定网络之间的互连都提供了标准的接口。网络中的不同设备可以通过标准的接口来实现移动业务的本地和国际互连。GSM-R 网络的信令系统采用 NO.7 信令网传送呼叫控制信息和其他信令信息。 GSM-R 网络为支持基本业务提供以下功能： 呼叫处理用户身份的鉴权 紧急呼叫 语音组呼和语音广播 短消息业务 信令信息的加密 除此之外，GSM-R 网络还为支持各种补充业务提供了相应的功能。 为支持蜂窝系统的操作提供以下功能： 位置登记 切换 呼叫重新建立 GSM-R 网络还具有网络管理功能和一些附加功能，

32、如呼叫处理的排队、安全功能、不连续发送和接收（DTX/DTR）等。与 GSM 网追求最大用户系统容量不同，GSM-R系统更侧重于系统的有效性，这是铁路特殊的需求，因此 GSM-R 在网络覆盖上有更多的重叠，网络设施也采用冗余备份。可选择将 GSM 系统的MSC、VLR、EIR、GCR、SSP、HLR、AUC 置于一个网元中，且随着网络的增长而分散到多个网元中，这样可以形成一个经济、便于维护的网络结构。典型的基于GSM/GSM-R 的铁路通信网与普通的 GSM PLMN 并无大的区别，在其网络的网元、标准接口和连接的扩展上也无大的区别。在公网的基础上引入一系列的新技术，即可用于铁路部门。铁路网与

33、公网的主要区别在于由铁路网特殊需求引起的网络结构和规划上的区别。一、一、BSS 结构和功能结构和功能 BSS 是 GSM-R 系统网络中最基本的组成部分。它有两种基本组成设备，分别是基站收发信机（BTS）和基站控制器（BSC）。一台 BSC 可以管理多达几十个 BTS。此外，还有一种可选择设备速率适配单元（TRAU）3 。BSS 的总体结构如图 2-8 所示：GSM-R 系统的网络子系统（NSS）提供了处理建立、维持和清除呼叫的所有信令协 议的功能，以及为移动环境下通信提供的特定功能。NSS 提供的主要功能如下： 为用户移动特征提供的特定功能，如寻呼 呼叫过程中对无线资源的管理 管理与 BSS

34、 之间的信令协议 位置登记，即 VLR 之间的互连 切换过程 查询 HLR 获得 MS 的漫游号码 与其他的移动功能实体交换信令信息 管理语音组呼、语音广播、增强多优先级与强拆的呼叫建立 用户的鉴权 图图 2-8 BSS 的总体结构的总体结构二、二、NSS 结构和功能结构和功能基本的 NSS 由六个功能实体组成，分别是：移动交换中心（MSC），归属位置寄存器（HLR），拜访位置寄存器（VLR），设备识别寄存器（EIR）和互连功能单元（IWF） 。另外，NSS 中还可以有实现语音组呼和语音广播的实体（GCR），用于短消息业务的短消息服务中心（SMS-SC）和统计服务器，这些功能实体可以根据具体的

35、需要进行选择。结构如图 2-9 所示。图图 2-9 NSS 结构和接口结构和接口三、三、OSS 结构和功能结构和功能 OSS 可以分为两部分：对应 BSS 的操作与维护中心（OMC-R）和对应 NSS 的操作与维护中心（OMC-S）。OMC-R 与 BSC 的连接有两种途径：一种是直接通过 X.25数据网络与 BSC 相连；另一种是 BSC 先与 TRAU 相连，然后通过 MSC 再与 OMC-R连接。OMC-S 通过 OMN 接口与 MSC 相连。 OSS 是操作人员与系统设备之间的中介，它实现了系统的集中操作与维护，完成了包括移动用户管理、移动设备管理及网络操作维护等功能。它的一侧与设备相

36、连（不包括 BTS，对 BTS 的操作维护是经过 BSC 进行管理），另一侧是作为人机接口的计算机工作站。这些专门用于操作维护的设备被称为操作维护中心 OMC。系统的每个组成部分都可以通过特有的网络连接至 OMC，从而实现集中维护。第三章第三章 GSM-R 在铁路无线通信中的应用在铁路无线通信中的应用第一节第一节 功能寻址功能寻址在铁路应用中，功能号码用来表示一个工作岗位（如火车司机）而不是一个用户MSISDN 号码。当前在岗的人员通过将自己的 MSISDN 登记到该功能号码上，建立起功能号码和真实用户之间的联系。调度台通过呼叫功能号码对当前在岗的真实用户进行调度和指挥。在功能寻址业务中，每个

37、 MSISDN 可以建立与多个功能号码的映射关系，但是一个功能号码一次只能指定给一个用户。授权用户可以通过 USSD（非结构化补充业务数据）操作将 MSISDN 登记到某一个功能号码上，或者通过 USSD 操作注销该MSISDN 已经登记的功能号码。也可以由管理员修改 MSISDN 与功能号码的对应关系。功能寻址业务分为语音呼叫功能寻址和短消息功能寻址。按照 EIRENE 规范，MSC 通过 MAP 操作 SRI（SendRoutingInfo）从FFN（Follow-Me Function Node）查询到与功能号码对应 MSISDN，该过程与标准GSM 网络当中 MSC 通过 SRI 操作

38、从 HLR 查询漫游号码的流程完全相同，同时 HLR 强大的数据库功能也能够方便、可靠地管理功能号码与 MSISDN 之间的对应关系5。例如，列车 1234 在运行过程中机车可能会更换，在机车更换过程中需要注册或注销列车司机功能号对应的机车司机号码，以便可以依据列车 1234 司机功能号码呼叫到正在为列车 1234 服务的机车司机。第二节第二节 调度通信调度通信调度通信系统的组网如图 3-1 所示。图图 3-1 调度通信系统的组网示意图调度通信系统的组网示意图通过无线列调系统，可以进行以下通信：一、点对点呼叫一、点对点呼叫调度员通过调度台，使用功能号码可以直接呼叫其调度区域内指定列车的机车移动

39、台，从而建立双工的话音通道。司机可以通过短号呼叫机车所在区域的调度员，也可以通过按紧急呼叫按钮向所属区间的调度员发起高优先级的紧急呼叫，该紧急呼叫被调度台终端优先接入或排队等待处理6。车站值班员、司机、运转车长之间均可进行点对点的语音呼叫。相邻车站值班员之间也可以进行点对点的语音呼叫。二、组呼二、组呼调度员利用 VGCS/VBS 可以向其调度区域的所有司机发起语音组呼或语音广播。司机利用 VGCS/VBS 可以向其所属区域的所有司机和调度员发起语音组呼或语音广播。VGCS/VBS 呼叫结束后，可由 AC（确认中心）保存相应的组呼呼叫记录。简单地说，VGCS 就是要实现多个人可以讲话（至多 6

40、个讲者），更多的人可以作为听者（听者数量无限制）的业务。参与 VGCS 呼叫的成员包括两类：调度员和业务用户。调度员：每个 VGCS 呼叫中最多可以有 5 个调度员，调度员可以是固定用户或移动用户，通过网络为其建立的专用通道参与组呼的话音通信；业务用户：签约 VGCS 业务的移动用户，如机车司机，被叫业务用户通过组呼区域内的组呼通道参与组呼的话音通信。VGCS 业务呼叫在任何时刻只准许 1 个业务用户及至多 5 个调度员同时讲话。处于听状态的业务用户可以通过抢上行的操作（按 PTT（Push To Talk）键）获得讲话权参与讲话，抢上行的操作按照“先到先得”的方式进行，谁先抢到谁说话，其他业

41、务用户只有当上行空闲时才可以继续抢上行的操作。调度员由于具有自己的专用通道，所以无需要抢上行的操作，随时可以参与讲话。VGCS 允许用户建立到属于某一指定服务区和组识别号（Group ID）的一组用户的呼叫，呼叫期间所有的调度员都可以发言，但是所有的业务用户抢占一个上行通道。服务区可由若干属于同一 MSC 或不同 MSC 的小区组成，呼叫时每个相关小区有一个组呼通道，其中上行链路仅供当前讲者使用（组发射模式），所有听者守侯在下行链路上（组接收模式），有关组呼的通知消息在通知信道 NCH（Notification Channel）上广播7。组呼建立时间小于 2 秒。第三节第三节 基于位置的路由基

42、于位置的路由在铁路通信实际应用中，用户可以用同一个短号码表示多个职责相同但调度区域不同的调度员。作业人员在与当时所在地调度员联系时可以拨打统一的短号码，系统利用依赖位置寻址业务将当前呼叫路由到合适的调度员。基于位置的路由是指网络根据用户所拔打的短号和用户自身位置确定目标地址的路由。该业务用于机车司机通过短号呼叫机车所在区域的调度员。如列车司机在 A 区域拨打调度员号码 1234 则接续到 A 区域的调度员 A，而在 B 区域拨打同一号码 1234 则接续到 B 区域的调度员 B。在当前 EIRENE 规范框架内，该位置信息是基于 GSM 网络当中的小区 ID，MSC完全可以解析呼叫建立消息当中

43、的小区 ID 信息，并根据小区 ID 信息与短号从 MSC 内置数据库查询得到合适调度员的号码并将呼叫路由到合适的调度员。这种解决方案可在 MSC 内部实现，不牵涉其它网元，与不同供应商设备之间的兼容性好，同时由于这种翻译关系是从内置数据库中查询得到，避免网元间信息交互，呼叫处理速度快1。功能寻址与基于位置的路由的 MSC 实现方式与智能网实现方式相比有以下几个特点： 兼容性好； 呼叫处理速度快；节省智能网投资。第四节第四节 增强多级优先和强占业务（增强多级优先和强占业务（eMLPP）eMLPP（Enhanced Multi-Level Precedence and Pre-emption）业

44、务允许网络根据用户的不同优先级在网络资源被占用的情况下实施不同的策略：排队和抢占，另外还可采用不同的呼叫建立和指配过程以满足不同优先级呼叫对时延的要求11。eMLPP 作为一种补充业务既适用点对点话音或数据呼叫，也适用于广播呼叫和组呼。在增强多级优先和强占业务（eMLPP）中，每个 GSM 用户被分配一个或多个特定的优先级权限，用户可以在自己的权限内选择每个特定呼叫使用的优先级，不同优先级的呼叫占用网络资源的优先级别不同。另外，每个优先级的呼叫还可以选择不同的呼叫建立方式。eMLPP 业务包含两个部分：快速呼叫建立、排队和抢占。快速呼叫建立是指对于每个优先级的呼叫，可以选择是否采用快速呼叫建立

45、流程。排队和抢占是指在缺乏网络资源（包括处理能力、信令信道和业务信道）的情况下，高优先级的呼叫不会释放，可以优先排队，甚至可以抢占低优先级呼叫的资源。eMLPP 业务可以提供多至 7 级（A、B、0、1、2、3、4、5）其中最高的两个优先级（A 和 B）供网络运营者内部使用，例如用于紧急呼叫或特殊的 VGCS/VBS 呼叫，这两级仅供本地使用，即在一个 MSC/VLR 范围内有效，在本 MSC/VLR 之外被作为 0级对待。其它 5 级供用户使用，这 5 级可以在所有支持 eMLPP 业务的地方使用，可以和提供 MLPP 业务的 ISDN 网络互通。第五节第五节 呼叫矩阵业务呼叫矩阵业务呼叫矩

46、阵业务仅应用于点对点呼叫，VGCS/VBS 呼叫不在本业务的应用范围内。铁路运营中，不同身份的用户拥有不同的功能号码。通过定义呼叫矩阵表，根据主、被叫的身份进行呼叫裁决，判断是否允许呼叫继续。从而定义 GSM-R 网络中主叫方与被叫方的接入关系9。第六节第六节 铁路紧急呼叫铁路紧急呼叫铁路紧急呼叫为具有最高优先级的语音广播呼叫，包括列车紧急呼叫和调车紧急呼叫两种呼叫。呼叫的类别由基于移动台的操作模式自动确定：移动台在调车模式时按动紧急呼叫按钮发起的呼叫为调车紧急呼叫，其他情况下的紧急呼叫即为列车紧急呼叫。紧急呼叫建立时间小于 1 秒。 列车紧急呼叫列车紧急呼叫应在预定的区域内发送给所有司机及调

47、度员，应通知适当的RBC（无线区域中心）某地发起了一个列车紧急呼叫2。 调车紧急呼叫调车紧急呼叫应发送给在调车区域内涉及调车操作的所有用 2、3、4 的优先级划分。第四章第四章 GSM-R 在呼和浩特局铁路通信中应用的设计在呼和浩特局铁路通信中应用的设计呼和浩特铁路局位于内蒙古自治区中西部。管内大部分线路北傍阴山，南沿黄河，由西向东穿越自治区二盟（阿拉善、锡林郭勒）、六市（呼和浩特、包头、乌海、鄂尔多斯、巴彦淖尔、乌兰察布），是连接西北、华北物资运输的主要通道，集二线又是通往蒙古国、俄罗斯及东欧的国际干线。管界东起京包线（北京包头）的古店站与孤山站间 K380+500 处与太原局毗邻；西至包兰

48、线（包头东兰州）的落石滩站与惠农站间 K423+000 处与兰州局相连；北到集二线的二连站至蒙古国扎门乌德站间 K335+601 处与蒙古国接壤。呼局管辖干线 8 条：京包线、包兰线、集二线、临策线、包西线、集张线、临哈线、集通线。支线 9 条（含一条环线）：包满线、包石线、包环线、乌吉线、海公线、郭查线、包神线、呼准线、锡多线。管内线路总延展长 3801.675 公里，其中准轨正线2540 公里，宽轨正线 5.3 公里。双线长度 902.4 公里，营业里程 1630.6 公里，全部实现内燃机车牵引。道岔总计 4049 组，其中准轨正线道岔 1352 组，宽轨线路道岔 104组。桥梁 1451

49、 座 38138 延长米。隧道 9 座 3937 延长米，涵渠 1423 座 30755 延长米。 车站 133 个，其中，一等站 8 个、二等站 6 个。配属机车 545 台，其中，内燃机车 495 台、蒸汽机车 51 台。配属客车 1192 辆，其中硬座车 346 辆，硬卧车 456 辆，软卧车 97 辆，餐车 49 辆，软座车 4 辆，双层客车 28 辆，发电车 29 辆。 信号设备总计 1641.4 公里，其中复线 883 公里；继电集中车站 75 个，计算机联锁站 59 个；驼峰编组场 6 个，自动闭塞 488.9 公里，半自动闭塞 1154 公里；一体化机车信号 202 台，通用式

50、机车信号 318 台，道口信号 18 处；联锁道岔 3602 组，无联锁道岔 254 组，全局设备换算道岔 45196 组。固定资产 1122035 万元。 我国铁路移动通信从20世纪的60年代开始,设备不断发展,制式不断完善,至今已形成铁路全网的规模,成为保障铁路运输安全生产的重要手段。截至2002年底，我国铁路营运里程已达71500km,位居世界第三位。预计到2020年,全国铁路营业里程达到90000km左右。在这样庞大的铁路交通运输网中,要想大幅度提高铁路复线率、电气化率、自动闭塞比重, 实现主要繁忙干线客货分线运输,原有铁路模拟通信制式已经远远不能满足需要,选择一种新的铁路数字移动通信

51、技术势在必行。我国从1994年就开始对专用移动通信技术跟踪研究,当时的重点是对GSM-R和TETRA(陆上集群无线电通信)系统进行比较,经过专家们的论证认为GSM-R具有更适应铁路运输特点的功能优势, 更成熟的技术优势以及更符合通信信号一体化技术发展的需要,更重要的是GSM-R支持铁路移动通信的可持续发展6。2002 年 10 月 26 日,铁道部在北京交通大学投资建成了第一个正式的 GSM-R 科研实验室GSM-R 研究与应用模拟系统实验室,实验室由北京交通大学和西门子联合萨基姆、Kapsch、中铁等公司共同建设和研究,并得到国家教育部的全力支持。此实验室负责对既有线提速、客运专线、青藏线建

52、设和高速铁路等各种无线通信需求的研究。实验室成立至今,已经开发出功能寻址、基于位置的寻址、无线列车调度通信(包括“大三角”通信和“小三角”通信)、区间移动通信、尾部风压检测、车次号传递、列车位置跟踪、短消息业务、高速传真、接近连续式的无线机车信号等。目前已经完成CTCS(中国铁路控制系统)三级的研究,以及通信协议软件,GSM-R 无线网络测试系统,机车同步操控系统等的开发。经过实验室的验证和研究证明,中国铁路采用 GSM-R 系统完全符合发展需要。铁道部非常重视 GSM-R 网络的建设,目前已在青藏线、大秦线、胶济线等运用了 GSM-R 技术3。GSM-R 目前在我国铁路通信中的应用主要有：调

53、度通信功能、车次号传输与列车停稳信息的传送功能、调度命令传送功能、列车尾部装置信息传送功能、调车机车信号和监控信息系统传输功能以及列车控制数据传输功能。本章将对 GSM-R 的部分功能在呼局铁路通信中的应用进行设计。第一节第一节 GSM-R 功能寻址的实现功能寻址的实现功能寻址是指用户可以由它们当时所担当的功能角色，GSM-R 系统从某个角度也可以看做是在一定数量的物理终端上运行的一系列应用和功能。每一个应用和功能利用了最基本的电信业务（承载业务或终端业务）。一个物理终端可以是一个移动终端或移动终端的支持实体。功能号识别的是用户的功能，而不是终端号码。以下将对GSM-R 的功能寻址在呼局铁路通

54、信中的应用进行设计。一、功能寻址的过程一、功能寻址的过程功能寻址分为两个阶段：初始化数据结构以允许进行功能寻址的过程（Follow Me 过程）呼叫过程使用这些数据结构对功能寻址进行处理（无条件呼叫前转过程）FM 是一个补充业务，它允许把用户的功能同激活该功能的移动台的 MSISDN 号码关联起来。为了处理 Follow Me，将要执行下面的用户过程：Follow Me 注册在功能号和 MSISDN 号间建立关联；Follow Me 注销删除先前建立的关联；Follow Me 查询查询用户签约文档。那些发起过 Follow Me 注册的用户可以进行 Follow Me 注销操作，另外，其他的授

55、权用户也可以执行强制注销。在第二种情况下，应该给注册了该功能的用户（MSISDN）发出通知，以便告知移动台其状态已经发生了改变，同时也触发移动台的相关操作。所有的 Follow Me 过程都使用 USSD（Unstructured Supplementary Service Data，无结构补充业务数据）补充业务，以便在网络上携带信息。所有的 USSD 请求信息都有一个 USSD 响应信息，其中可能包含了请求数据。FM 业务是由 FMm 和 FMf 功能联合提供的。这些功能位于两个不同的逻辑设备上（也可能位于不同的物理设备）：FMm 位于 HLR，FMf 位于 FFN（Follow Me 功能

56、节点）。由 Follow Me 补充业务来管理的功能号类型包括列车功能号、维护业务功能号以及车号。1.Follow Me 注册Follow Me 注册过程在功能号和 MSISDN 号之间建立了临时的关联。用户要为其终端支持的每个功能进行注册。网络应该将注册的结果送回移动台。如果注册失败，结果中还应包含失败的原因。移动台可以在同一时刻最多注册 3 个不同的功能号组，但每一条命令（即每个USSD 请求）只能注册一个功能号。如图 4-1 所示，移动台通过第 3 层信令向 HLR 发送 USSD 请求，HLR 对该请求进行验证，然后继续向 FFN 发送请求。FFN 的主体是一个大型的数据库，当其收到

57、HLR发来的注册请求后，它添加一条包含功能号和 MSISDN 号对应关系的记录。MSBSSMSC/VLR IMSI MSISDN功能号 MSISDNHLRFFN1. USSD RequestA*214*SC*FN*#2. USSD RequestA 3. USSD RequestB用户数据用户数据图图 4-1 FM 注册过程示意图注册过程示意图（1）移动台里的过程当触发注册时，每个移动台都要提供下面的数据：过程类型标识（注册）；用于 Follow Me 业务的业务代码（SC）；功能号（FN）。功能号（FN）的格式如下：FN=RAC+RSN=RAC+FUNCTIONAL NUMBER TYPE+

58、ROOT+BRANCH其中，RAC 为铁路接入码；RSN 为铁路用户号码。功能寻址接口规范中包含了特定串的结构。如果成功，上面的数据都会存储在SIM 卡上。（2）MSC 中的过程 信息无改变地通过 MSC。（3）VLR 中的过程 信息无改变地通过 VLR。（4）HLR 中的 FMm 过程当触发注册过程时，HLR 必须要求 FFN 为接收到的功能号激活呼叫前转。FMm功能(位于 HLR 中，并从移动台接收数据)要执行下面所列出的操作：执行对签约数据和功能的校验，以验证移动台有资格请求该过程，另外，它也检查消息中的分支部分；负责获得相应承载业务（BS）的 MSISDN，而来自 IMSI 的注册请求

59、中的功能号指示了这些承载业务；构造从 HLR 发送到 FFN 的 USSD 请求消息。该消息将激活 FMf（位于由 RAC识别的 FFN 中）。消息中将包含所有为激活呼叫前转所需的数据（如功能号和获得的MSISDN）；等待 FMf 的响应消息（由 FFN 传送到 HLR）。FMm（HLR）将来自 FMf（FFN）的响应消息中继到移动台。USSD 串要么包含成功的结果代码，要么包含由于 Follow Me 错误导致的失败结果代码。（5）FFN 中的 FMf 过程位于 FFN 中的 FMf 功能获得功能号码（RAC、功能号码类型、root 和 branch），并将它作为用户号码来使用。FMf 要确

60、保当前没有任何在该号码上激活的呼叫前转。在校验了功能号后，FMf 激活与该功能号相关的所有业务的呼叫前转。FMf（FFN）向 FMm（HLR）返回接受请求或拒绝请求（仅当发生 Follow Me 错误时）的通知。该通知可以有选择地包含前转的号码。完成该通知要使用包含 USSD串的 USSD 响应消息。USSD 串由成功结果代码或由 Follow Me 错误而导致的失败结果代码组成。2. Follow Me 注销Follow Me 注销过程解除功能号和 MSISDN 号之间的关联，即解除对该功能号的呼叫前转激活。注销的结果是解除了功能号上的 Follow Me 业务的激活，其中前转号码即为 MS

61、ISDN 号码，它标识了不再激活该功能号所代表的功能的移动台。可以使用下列两种方法将先前的注册操作注销：用户或 FM 业务监督者使用适当的控制过程能够特定地注销先前的注册操作；所有的信息都将随着补充业务的取消（管理处理）而消失。FM 的注销过程如图 4-2 所示。MSBSSMSC/VLR IMSI MSISDN功能号 MSISDNHLRFFN1. USSD RequestA*#214*SC*FN*#2. USSD RequestA 3. USSD RequestB用户数据用户数据图图 4-2 FM 注销示意图注销示意图（1） 移动台中的过程移动台触发注销时，要提供下列数据：过程类型标识（注销）

62、；用于 Follow Me 业务的业务代码（SC）；功能号（FN）；监督指示符（用于强制注销）和要注销的 MSISDN。功能号应该为下面的格式：FN=RAC+RSN=RAC+FUNCTIONAL NUMBER TYPE+ROOT+BRANCH执行完成后，保存在 SIM 卡上的数据将相应地进行更新。（2） MSC 中的过程信息无改变地通过 MSC。（3）VLR 中的过程 信息无改变地通过 VLR。（4）HLR 中的 FMm 过程当触发注销过程时，HLR 必须请求 FFN 去激活其收到的功能号的呼叫前转功能。HLR 应该执行下列由 FMm 功能（位于 HLR 中，并从移动台接收数据）执行的操作：执

63、行对签约数据和功能的校验，以验证移动台有资格请求该过程，另外，它也检查消息中的分支部分；负责获得相应承载业务（BS）的 MSISDN，而来自 IMSI 的注册请求中的功能号指示了这些承载业务；构造从 HLR 发送到 FFN 的 USSD 请求消息。该消息将激活 FMf（位于由 RAC识别的 FFN 中）。消息中将包含所有为解除呼叫前转所需的数据（如功能号和获得的MSISDN）；等待 FMf 的响应消息（由 FFN 传送到 HLR）。FMm（HLR）将来自 FMf（FFN）的 USSD 响应消息中继到移动台。USSD 串要么包含成功的结果代码，要么包含由于 Follow Me 错误导致的失败结果

64、代码。（5）FFN 中的 FMf 过程位于 FFN 中的 FMf 功能获得功能号码（RAC、功能号码类型、root 和 branch），并将它作为用户号码来使用。FMf 要确保 HLR 收到的 MSISDN 正是在该功能号上激活的呼叫前转的前转号码。然后，FMf 去激活与该功能号的呼叫前转。FMf（FFN）向 FMm（HLR）返回接受请求或拒绝请求（仅当发生 Follow Me 错误时）的通知。该通知可以有选择地包含前转的号码。完成该通知要使用包含 USSD串的 USSD 响应消息。USSD 串由成功结果代码或由于 Follow Me 错误而导致的失败结果代码组成。3. Follow Me 查

65、询FM 查询过程使得移动用户可以获得有关 GSM-R 中存储的数据信息。HLR 处理FM 查询，并向移动台返回请求的信息。如果 Follow Me 业务已经激活，查询过程的响应中包括了 MSISDN 号，即“前转号码”。移动台应该总是检查 Follow Me 查询的结果，看是否与保存在 SIM 卡上的功能号列表一致。如果需要，终端应该更新其功能号列表以保持与网络的同步。FM 的查询过程如同 4-3 所示:MSBSSMSC/VLR IMSI MSISDN功能号 MSISDNHLRFFN1. USSD RequestA#214*SC*FN*#2. USSD RequestA 3. USSD Req

66、uestB用户数据用户数据图图 4-3 FM 查询示意图查询示意图4. Follow Me 终端通知在某些特定的情况下比如强制注销，一个授权用户可以改变另一个用户在 FFN 中的 Follow Me 注册。很显然，当提供了到 FFN 的接口时，操作员也能够进行上述操作。当上述情况发生时，用户终端中存储的功能号列表就不再与 FFN 中存储的功能号列表保持一致。为了克服上述问题，以确保在网络和终端之间的 Follow Me 数据能够正确地保持同步，专门定义了一个向 Follow Me 终端进行通知的过程。网络中的 FFN 通过启动USSD 消息进行通知。在收到通知后，移动台应该对通知的功能号执行一次 FM 查询1。FM 的终端通知过程如同 4-4 所示：MSBSSMSC/VLR IMSI MSISDN功能号 MSISDNHLRFFN1. USSD NotifyA2. USSD NotifyA 3. USSD NotifyA用户数据用户数据图图 4-4 FM 终端通知示意图终端通知示意图二、二、USSDUSSD 串格式串格式1.移动台到 HLR 的消息（USSD 串格式 1），如表 4-1