CSD數據傳輸時延測試持續丟幀問題分析

邢小琴 王惠生 楊樹忠 郭一鵬

在綜合檢測列車GSM-R網絡電路交換數據CSD(Circuit-Switched Data，)傳輸時延測試中，常常發現持續丟幀/誤幀現象，有時甚至超過10 km，這樣的現象在多個高鐵線路上頻繁發生。該問題直接導致:①無法確定出現該現象的區段網絡是否真存在問題;②如果網絡沒有問題，而是測試軟件的問題，則會影響線路的正常測試。針對這一現象，對問題原因、產生原理進行詳細分析，并在此基礎上提出測試方法的改進建議。

1 問題現象及原理分析

《GSM-R無線網絡覆蓋和服務質量 (QoS)測試方法》中，對CSD傳輸時延定義為:移動終端從發起數據幀傳送請求，到該移動終端成功接收并返回數據幀之間的時間間隔。采用環回測試方式，移動測試終端在測試開始時，發起電路域數據呼叫，連接建立后開始向地面固定測試終端發送測試數據幀，地面固定測試終端將收到的數據環回轉發給發送端，發送端對接收到的返回數據幀進行校驗，對校驗正確的數據幀計算傳輸時延。用所測時間間隔的一半作為用戶數據幀的傳送時延。測試數據幀長度采用30字節 (實際測試采用40字節)，且要求99%以上的統計值應小于500 ms。

在CSD傳輸時延測試中，正常情況下，車載端發送40字節數據后，在600～1000 ms之間將收到地面端原樣返回的數據。車載端發出數據后，測試系統啟動定時器等待8s，若在等待過程中收到錯誤的數據或直到定時器超時也沒有收到返回的數據，則記為幀丟失 (或幀錯誤)，開始發送下一個測試數據。

案例，2013年11月26日，采用CRH2-150C綜合檢測列車，對京廣高鐵武漢至廣州南段下行線路進行了GSM-R網絡通信檢測，此次測試中采用A和B車載8W通信模塊同時進行CSD數據傳輸時延測試，對出現的長時間持續幀錯誤或丟失的情況進行了統計，見表1。

從表1可以看出，若不考慮測試模塊的不同，則可將持續幀錯誤/丟失的現象分為2類。

第Ⅰ類，持續時間長，影響測試距離長，但影響的測試幀數少。見表1備注欄標記有“▲”的行。在車載測試記錄中表現為發出測試幀后，沒有收到地面返回的數據，等到系統設定的定時器(8 s)超時后才將該測試幀標記為“幀丟失”，同時開始發送下一個測試幀。在地面服務器測試記錄中觀察到，對于車載測試記錄中的大面積標記為“幀丟失”的數據，在地面有接收記錄，但在發送測試數據后沒有返回，從而導致車載測試系統等待超時。

表1 持續幀錯誤/丟失現象統計

第Ⅱ類，持續時間比第一類稍短，相同速度條件下，影響測試距離也較短，但影響的測試幀數較多。見表1中備注欄標記有“△”的行。

對車載測試記錄進行分析發現，這類現象中連續2個記錄的時間間隔小于一個測試幀從車載端發出到接收到地面返回該測試幀所需的正常時間，而按照間隔一個記錄來算，2個時間之差卻正好是一個測試幀的正常測試時間。

舉例說明:圖1右側記錄中 (對應表中B模塊測試的第8行)，按照測試記錄規則，第“13401”行與第“13400”的時間差值即為第“13400”測試幀的測試時間，將記錄中相應的時間相減得為141 ms。而此次測試中40字節的測試幀從車載端發出到接收到地面返回的數據所需時間最小應為297×2=594 ms，平均時間為380×2=760 ms(參考表2中傳輸時延測試統計結果)。141 ms遠小于594 ms，也就是說，此時收到的數據并非等待的第“13400”幀。而第“13402”與第“13400”的時間差值為750 ms，接近平均值水平。由此可以推斷，車載測試系統應該是將接收到的網絡干擾數據 (切換或是其他環境造成的干擾信號)當成正在等待的數據幀接收，并做出幀校驗錯誤的判斷，從而導致了后續多個數據的錯位。

圖1 干擾數據導致的幀錯位

表2 2013年11月26日CSD傳輸時延測試結果統計

這類現象可以通過圖1中左側的時序圖來說明。車載端發送第N個測試幀后，在較短的時間內收到一個來自網絡的干擾數據，測試系統將該干擾數據當做地面返回的第N個幀接收，經過幀校驗錯誤后記為幀丟失 (現有測試系統將幀丟失和幀錯誤統一標記為幀丟失)。同時開始發送第N+1個測試幀。在等待第N+1測試幀返回的時候，收到了地面返回的第N個數據幀，測試系統將其與第N+1幀比較，雖然幀校驗結果正確，但序號不一致，因而第N+1個測試幀的測試結果被判斷為幀丟失，實際上此時的第N+1幀還在傳輸途中。依此循序往復，直到在某次切換或干擾發生時，第N+m+1幀在傳輸中完全丟失后，從第N+m幀開始測試才會恢復正常。

2013年2月、3月、5月、8月、11月采用B模塊對京廣高鐵進行了傳輸時延測試，并對CSD傳輸時延測試中的持續丟幀現象進行統計。統計結果:2月16次，3月12次，5月17次，8月21次，11月8次，總共發生了74次持續丟幀現象，其中第Ⅰ類現象所占比例為58%，第Ⅱ類現象所占比例為42%。在2013年8月的測試中總共出現21次持續丟幀現象，為各月測試中出現次數最多的一回。表3是對京廣高鐵測試中，每月發生的持續丟幀/錯誤現象總時間、持續丟幀/錯誤的總幀數，以及總共影響的測試距離的統計。可以看到，在2013年8月的測試中，這類現象影響測試距離累計達150 km。這樣的現象在其他線路、用其他型號的測試終端也時有發生。這樣的丟幀/錯幀現象如果出現在C3列控系統應用中，必然會嚴重影響車-地通信。如果這類現象不是線路本身的原因，而是測試系統的原因，則會影響所測線路部分區段的測試。總之，這類現象應該得到解決。

表3 京廣高鐵采用B模塊測試按月統計

2 實驗驗證

2.1 第Ⅰ類現象

提取2013年11月26日，采用A和B模塊同時進行CSD數據傳輸時延測試時的地面數據傳輸記錄，發現地面測試系統存在收到車載端發送的數據后不返回的情況，正是造成車載測試端出現成片“幀丟失”現象的原因。將地面測試軟件更換為其他相同功能軟件后，在2013年12月多個高鐵線路的測試中，均沒有發生此類現象。由此可確定為地面測試軟件有問題。

2.2 第Ⅱ類現象

為了證實對第Ⅱ類現象產生原因分析的正確性，在車載端測試軟件中增加了數據接收記錄功能來觀察數據接收情況。測試時開啟該項記錄功能，對數據接收過程進行跟蹤。圖2所示為車載測試系統接收到干擾數據的情況:①表示車載測試系統經A模塊向地面發送大小為40字節的第95號測試幀(倒數第3、第4位表示幀號)。②表示車載測試系統經A模塊收到地面服務器返回的測試幀，幀校驗錯誤表明該數據在傳輸過程中受到了干擾。③表示車載測試系統經A模塊向地面發送第96號測試幀。④表示車載測試系統經A模塊收到一個干擾數據，因其幀頭為7E(7E為測試幀的幀頭)，所以測試系統將其當成地面返回的第96號測試幀，CRC校驗錯誤表明該幀與發送的96號幀不完全相同。此時距③中的發送時間間隔僅為32 ms。在測試記錄中已將第96號測試幀記為“幀丟失”。⑤表示車載測試系統經A模塊向地面發送第97號測試幀。⑥表示車載測試系統經A模塊收到地面返回的第96號測試幀，校驗正確，但與當前等待的第97號測試幀不相同，因此在測試記錄中將第97號測試幀記為“幀丟失”。

之后的數據依此類推，即發生了測試數據大面積持續丟幀的現象。在車載測試記錄中可以看到，持續丟幀結束的時候往往發生在某次切換之后。也就是說，在切換的時候，某個幀的幀頭丟失或整個幀完全丟失時正好結束了幀錯位現象，使得測試恢復正常。

以上實驗證實了第Ⅱ類現象的發生確實與車載測試系統干擾數據的處理方式有關，并且產生的條件是干擾數據中有“7E”。

3 測試方法改進建議

圖2 車載測試系統接收到干擾數據

由于第Ⅱ類現象出現的原因與車載測試系統對測試中偶然收到的包含“7E”的干擾數據的處理方式有關。為了避免這類現象的發生，可以考慮采用以下2個方案:

1.車載測試系統發出一個測試幀后，若在小于的時間內收到一個數據幀，則直接丟棄，繼續等待當前測試幀。根據經驗△t推薦值為400 ms。

2.車載測試系統若收到CRC校驗結果正確的幀，但是與當前等待幀的幀號不同，則直接丟棄，繼續等待當前測試幀。試驗中，采用這種歸避方法，消除了第Ⅱ類現象的發生。

《GSM-R無線網絡覆蓋和服務質量 (QoS)測試方法》中對CSD數據傳輸時延測試說明:

用戶數據傳輸時延的定義為移動終端數據幀發起傳送請求到該移動終端數據幀成功接收的時間間隔;地面固定測試端將收到的數據幀環回轉發給發送端，其轉發反應時間應盡可能小甚至可以忽略;在Igsm(t)接口，用開始傳送移動測試終端數據幀 (發送數據幀的第一比特)到接收完從固定測試終端返回來的同一數據幀 (接收完數據幀的最后一個比特)的時間間隔的一半作為用戶數據幀的傳送時延;只統計成功接收到的數據幀的傳送時延。

對于上述規范內容，在實際開發測試系統時會有不同的理解，會做出不同的處理。從測試記錄數據中可以看出，現在綜合檢測列車采用的測試系統對于地面服務器返回測試數據的處理方法是，地面測試服務器軟件將接收到的、來自車載端的任何數據不做任何處理、無延遲地立即返回。如果一個測試數據在地面端分兩段甚至多段接收到，也會將多次接收到的數據分別返回。也就是說，地面測試服務器不分辨接收到的數據片段是數據還是干擾，如果接收到來自網絡的干擾數據也會返回給車載端。地面測試服務器如果接收到錯誤的測試數據也會返回給車載端。地面測試服務器沒有完整接收數據并校驗的過程。

若先不考慮單程的話，用戶數據傳送時延，應該是發送端從開始發送第一個字節數據到地面端接收到最后一個字節數據的時間間隔。由于車載和地面測試系統時間不統一，不能從地面測試系統計算數據傳輸時延，所以需要考慮環回測試的方法。地面測試服務器等接收到完整測試數據，再將校驗正確的數據返回到車載測試系統，車載測試系統計算的時延則是單程測試的2倍。這樣的方式更符合測試要求，也減少了車載測試系統接收到干擾數據的幾率。

4 小結

本文針對高速檢測列車GSM-R網絡CSD傳輸時延測試中的持續丟幀問題，將測試原理與實際測試中的問題數據相結合進行深入分析，找出了持續丟幀問題的根本原因，并對分析結果進行實驗驗證。進而對現有GSM-R網絡通信檢測系統中的缺陷提出了改進建議。

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