高速環境下GSM-R網絡服務質量測試體系的研究及應用

王 欣

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

近幾年中國鐵路大規模建設，列車速度不斷提升，武廣、京滬、哈大等客運專線時速都將達到300 km。GSM-R網絡承載CTCS-3級列控系統，其服務質量的好壞直接影響到列車的行駛安全，因此，在網絡建成后需要多次調整才能使網絡達到最佳狀態，網絡優化已成為系統集成中的關鍵技術之一。

在每一次網絡參數調整后，都需要一套測試系統對網絡服務質量進行檢測，并希望能從測試過程中找到現行網絡的不足之處，對下一輪的網絡優化起到指導作用。但目前市場上的測試系統并不能滿足這些需求，而且并不適用于高速環境。

本文將主要研究高速環境下的GSM-R網絡服務質量測試體系，使其在滿足檢測GSM-R網絡服務質量是否達標的同時，結合列車在高速環境下的特點，對獲取的數據進行多角度的分析，從而對網絡優化起到輔助作用。

2 體系結構設計

為了完成QoS指標測試，并同時為輔助網絡優化提供支持，綜合考慮系統可靠性、可用性、擴展性及兼容性，將本體系分為自動路測系統、地面模擬系統、路測綜合分析系統以及后臺分析系統4部分，整體結構如圖1所示。

自動路測系統與地面模擬系統是整個測試體系的主體與基礎，分別作為移動端與固定端進行通信，通過傳輸數據的存儲、比較、統計、分析，以及其他外接設備的信息提取，完成QoS指標測試、基礎數據提取等功能。通信原理如圖2所示。

自動路測系統（移動端）通過串口控制發射功率為8 W的測試模塊，利用Um接口與GSM-R網絡進行數據傳輸，GSM-R網絡與ISDN網絡相連，再利用接入ISDN網絡的ISDN板卡，實現地面模擬系統（固定端）與移動端的通信。

基礎數據的獲取包括時間、列車速度、位置（公里標和經緯度）、AT指令、Um接口信令、測試數據及測試結果等信息。其中，列車速度與公里標需要從計距裝置中提取，經緯度信息需要從GPS中提取。由此可知，自動路測系統由測試模塊、GPS、計距裝置及自動路測服務器組成；地面模擬系統由ISDN板卡及地面模擬服務器組成。

路測綜合分析系統與后臺分析系統分別實現在線及離線的列車跟蹤、數據分析與統計等功能。路測綜合分析系統通過TCP/IP協議實現與自動路測系統的數據交互，實時跟蹤列車速度、位置，繪制下行及臨小區電平值曲線、下行通信質量曲線，顯示Um接口網絡信令等。對于在車載端測試的人員，可通過路測綜合分析系統查看列車當前信息、網絡通信狀態。同時，根據上述信息還可發現測試的異常，以及實時分析網絡異常原因等；后臺分析系統可根據不同的組合條件查詢并統計各個QoS指標，另外，還可根據相應的基礎數據分析統計，不但能為系統集成提供網絡優化的幫助，還可在以后的網絡運行維護中，起到趨勢分析、網絡預警等作用。

3 關鍵技術分析

1）多個指標合并測試

在本文2中，我們看到QoS指標對測試樣本數要求很高，如果每趟列車只測試一個指標，會大大提高測試成本，降低測試效率，甚至不能在預計時間內完成指標測試。所以經過對QoS指標測試方法的分析，將連接建立時延與連接建立失敗概率、鏈路斷開（失效）概率與用戶數據幀傳送時延合并測試，對測試結果分開統計，使測試效率得到提升。

2）固定端測試業務自適應

地面模擬系統作為測試的固定端，通常部署在核心網機房，而自動路測系統則是在列車上，所以當要測試某個業務時，車地間保持業務的統一成為測試的關鍵。為了節約人力，避免人員誤操作，自動路測系統與地面模擬系統增加業務識別接口，后者同時增加業務識別與處理模塊，使車載人員使用自動路測系統開始測試某個業務時，地面模擬系統自動識別當前進行的是哪個測試，然后與之匹配，從而可實現地面模擬系統無人值守的智能測試。

3）在線與離線的信令分析

在測試過程中，通過8 W模塊可以得到Um接口的信令，這些信令完整地描述一次呼叫流程，當呼叫出現問題時，通過分析信令流程以及信令中的參數，可以輔助找到問題所在。路測綜合分析系統實時顯示當前信令，并通過解析部分關鍵信令（如切換、測量報告等）實時繪制曲線圖，如圖3所示。

后臺分析系統顯示某一次呼叫的信令流程，并以列表和流程圖兩種方式呈現，如圖4所示。在列表中，點擊某條信令，會出現參數詳細解析，幫助網絡優化人員分析信令中參數的含義。

4）下行測量報告分布統計與趨勢分析

為了在網絡優化過程中，快速定位哪些小區通信質量不好，在后臺分析系統中按照時間段統計下行測量報告的分布，并制作相關圖表。

其中下行電平值、下行通信質量均為小區內該級別測量報告數與總測量報告數的百分比。當某級別的百分比高于或低于閥值時，用特殊顏色標注，表示該小區可能存在異常，需要相關人員檢查。

另一方面，當GSM-R網絡系統運行一段時間后，可根據電平值和通信質量百分比的變化趨勢，預測網絡設備故障或老化等問題，每個小區按照時間-百分比繪制二維坐標曲線圖，當曲線起伏很大，或呈上升（下降）趨勢時，應該檢查網絡設備狀態，盡早預防網絡故障。如圖5所示。

5）非正常切換的原因分析

移動端與固定端建立連接后，在數據幀傳輸過程中，總會出現丟幀、誤幀等現象，而其中一個主要因素就是切換，錯誤的切換點和非正常切換（非功率預算切換、乒乓切換等）都會影響服務質量，所以想要提高網絡服務質量，及時調整切換點和避免非正常切換都成為重要手段。為了輔助分析切換原因，結合地形、基站位置、切換方向、切換結果（成功或失敗）、下行電平值信息等，為網絡優化人員提供直觀的分析途徑。

6）支持多速率、變長度數據包

我國CTCS-3級列控系統剛剛應用，什么樣的網絡環境可以使服務質量最優還有待研究，所以本測試體系支持9.6 kb/s、4.8 kb/s以及2.4 kb/s的傳輸速率，并且支持數據幀長度為30 byte和40 byte兩種格式。通過對測試結果的比對分析，提供探究網絡最優的手段。

7）多格式數據存儲

本體系中的各系統物理部署分散，且后臺分析系統以客戶端的形式，可安裝在不同電腦上，所以數據存儲及共享的兼容性要求很高。數據庫檢索方便，但需要可以連接到數據庫的網絡環境，移動不便；文件可隨時拷貝、移動，但可讀性差，檢索效率低。綜合考慮各系統間的數據流向和應用，每個系統支持文件形式和數據庫形式的數據存儲和讀取，其中文件類型包括：文本文檔、XML、EXCEL。這樣，系統間數據接口靈活，且可隨時移動、應用。

4 實際中的成功應用

1）多種組合、靈活應用

考慮到測試人員不固定，水平參差不齊，并且可能事先未經過正規的培訓等因素，本測試體系為用戶提供了友好的界面，測試前只需簡單配置幾個參數，就可以開始測試。并且針對不同水平和需求的人員，可以提供多種組合方式，靈活應用。下面簡單列舉幾種組合方式。

組合一：測試人員對網絡優化了解不深，只需知道測試指標是否達標

在這種情況下，車載端只需打開自動路測系統，選擇需要測試的指標，開始測試。當測試結束時，界面上會自動顯示測試結果，測試人員填寫測試記錄就可完成。

組合二：在組合一的前提下，網絡優化人員需要通過測試數據分析網絡狀態

測試過程中，自動路測系統會將測試過程數據、信令信息等數據存儲在相應路徑下。測試結束時，測試人員將這些數據拷貝或發送給網絡優化人員。網絡優化人員通過在本機安裝的后臺分析系統，導入這些數據，然后統計分析不同指標或趨勢，輔助分析網絡狀態。

組合三：測試人員承擔著網絡優化的職責，希望實時分析網絡狀態

在車載端，將路測綜合分析系統接入自動路測系統，測試時，路測綜合分析系統會實時處理得到的各類數據，繪制測量報告曲線圖，顯示并解析信令信息，描繪列車行駛軌跡、切換位置及結果等，使網絡優化人員可以對網絡進行在線分析。同時，由于在線和離線分析的角度有所不同，測試結束后，可參照組合二中描述的方法，離線分析網絡狀態。

2）成功案例

2007年底，鐵道部正式啟動了武廣CTCS-3級技術攻關工作，GSM-R網絡系統集成、網絡優化等工作是全新的，需要探索的。在沒有任何經驗的前提下，我們自主研發GSM-R網絡服務質量測試體系，結合網絡優化的經驗，不斷提出新的思路和需求，及時改進再投入應用，力爭使每一次測試的利用率達到最高。最終GSM-R網絡服務質量全部達標，武廣客運專線正式開通。同時，我們利用該測試體系積累了大量的數據，加以分析統計，為網絡優化提供了數據保障。

此外，滬寧、滬杭等客運專線也成功的利用本測試體系完成網絡優化工作。

5 結束語

中國鐵路正在高速發展，技術加快更新，人們對GSM-R網絡的研究與應用也是愈發深入，所以GSM-R網絡服務質量測試體系也需要根據需求的變化不斷完善。在現有基礎上，如何做到智能分析網絡故障、搭建網絡優化知識庫、根據每次測試結果提出網絡優化的建議等，都將是我們下一階段需要繼續探討的課題。

[1] 韓斌杰，杜新顏，張建斌．GSM原理及其網絡優化[M]．2版．北京：機械工業出版社．2009．

[2] 鐘章隊，李旭，蔣文怡．鐵路綜合數字移動通信系統（GSM-R）[M]．北京：中國鐵道出版社，2003．

[3] ERTMS/GSM-R Quality of Service Test Specification[S]. QoS Working Group. 30th October 2006.

[4] 3GPP TS 04.08 V7.21.0 (2003-12) [S]．