250km/h客專及城際線路GSM-R系統服務質量指標的研究

邸士萍 李 雪 李 莉

速度300～350 km/h客專線路，GSM-R系統承載CTCS-3(簡稱C3)業務，采用單網交織的網絡結構，已形成相對穩定的QoS指標體系。而速度250 km/h及以下的客專和城際線路，GSM-R系統均采用普通單網結構，要分別實現C3業務及ATO車-地雙向數據通信，其GSM-R系統能否使用現有300～350 km/h客專線路的QoS指標來評價還是未知數。為此，在分析250 km/h客專和城際線路對GSM-R網絡需求的基礎上，根據已開通300～350 km/h客專線路GSM-R系統全基站、半數基站服務質量指標實測情況，分析影響網絡服務質量指標的因素，提出250 km/h客專和城際線路GSM-R網絡指標達標的建議。

1 250 km/h客專及城際線路對GSM-R網絡的需求

1.1 客專線路

客專線路的C3列控系統，需利用GSM-R系統實現ATP與RBC的雙向數據通信。RBC根據軌道電路、聯鎖進路等信息生成行車許可，并通過GSM-R系統將行車許可、線路參數、臨時限速傳輸給C3列控系統的車載設備;同時通過GSM-R系統接收車載設備發送的位置和列車數據等信息。C3列控系統對GSM-R網絡的服務質量指標要求如表1所示。

若無線通信單元發生故障，RBC與列車中斷通信連接，列車降至CTCS-2級 (簡稱C2)系統允許速度后轉入C2列控系統工作。轉換到C2列控系統工作的列車，如果無線通信單元故障已經修復，當經過帶有與RBC建立通信連接會話命令的應答器組時，車載設備開始嘗試與RBC重新建立新的連接，連接重新建立并獲得行車許可后，自動由C2系統轉到C3系統。

表1 C3列控系統GSM-R網絡服務質量指標要求

1.2 城際鐵路

城際鐵路在C2列控系統基礎上，通過設置車載ATO設備實現列車自動駕駛;地面設置專用的精確定位應答器 (JD)實現列車精確定位，設置通信控制服務器 (CCS)實現站臺門控制和運行計劃處理。城際鐵路C2+ATO系統具備站間自動運行、車站定點停車及車站通過、折返作業、列車運行自動調整、車門/站臺門 (安全門或屏蔽門)防護及聯動控制、列車運行節能控制等自動運行相關功能。城際鐵路列控系統中，車-地通信基于GSMR系統實現，車載ATP設備控制GSM-R電臺，地面CCS控制ISDN服務器，ATP通過GSM-R電臺呼叫CCS，完成車-地雙向數據通信。

根據《城際鐵路CTCS-2+ATO列控系統總體技術方案》，城際鐵路列控系統采用GSM-R網絡電路交換數據業務實現車-地雙向通信。GSM-R系統在區間為單網設置，考慮在站內需要傳送運行計劃、開關門、定點停車、車站通過等重要信息，因此車站宜冗余覆蓋，確保可靠性。城際鐵路列控系統通過GSM-R網絡傳遞的信息主要有：車載設備向地面發送列車停準停穩、開關門命令、車型、運行計劃反饋、車載狀態等信息;地面設備向車載設備發送開關門命令確認、運行計劃、折返等信息。

GSM-R通信故障或ATO未收到有效運行計劃時，DMI進行提示。此時司機可人工駕駛，也可使用ATO自動駕駛。若使用ATO自動駕駛，運行策略按貼近ATP允許速度曲線行車，站停時間按股道精確定位應答器中存儲的內容處理，ATO不提供自動開/關門功能。ATO在執行當前運行計劃自動駕駛列車時，若未收到更新的運行計劃，繼續執行當前站間的運行計劃直至停車，并判定其他運行計劃無效。

車載設備判斷與CCS設備通信中斷后，應在5 min內持續重試連接CCS設備。若重連成功，車載設備與CCS正常通信;若重連失敗，車載設備僅在出站口應答器收到CCS呼叫信息時進行重連。

2 影響GSM-R網絡QoS的因素

GSM-R網絡電路域數據業務QoS指標，與最小可用接收電平 (或C/I)、GSM-R網絡結構 (普通單網、單網交織)、終端運行速度及數據傳輸速率等因素有關，尤其與移動速度相關。

2.1 網絡注冊時延

當GSM-R網絡信號電平相對公網信號電平較弱時，網絡注冊時延值將相應延長，在網絡設計、優化與驗收階段，需重點關注可能進行網絡注冊的區段，特別是GSM-R網絡覆蓋的邊緣，在C2向C3轉換的聯絡線區段，應適當延長GSM-R網絡向C2線路方向的覆蓋距離，以保證車載設備有足夠的時間成功注冊到網絡。在網絡覆蓋一定的前提下，網絡注冊時延指標與測試終端的速度關系不大。

2.2 連接建立時延

連接建立時延是衡量連接建立全部信令流程所需時間的一個指標。在流程基本確定、網絡設備也確定的前提下，該指標受網絡結構及測試終端的移動速度影響較小。

2.3 連接建立失敗概率

連接建立過程是在用戶成功注冊到網絡后發起的呼叫建立流程，主要包括：信令信道分配過程、MS身份識別過程、MS能力詢問過程、TMSI再分配過程、呼叫過程及業務信道分配過程等。最終結果是在MS和RBC的ISDN之間建立雙向的數據業務信道，每個子過程是否成功直接影響著連接建立能否成功。連接建立過程與SDCCH/TCH信道容量有關，在出現SDCCH或TCH擁塞的情況下，沒有可用的信道分配，連接建立過程將失敗。因此，實際應用中要根據預測的用戶容量合理配置SDCCH信道。另外，普通單網結構，大概率下信號強度弱，網絡覆蓋變差，如果網絡覆蓋電平過低或存在嚴重干擾，連接建立過程可能由于無法成功解碼而失敗。

2.4 用戶數據幀傳送時延

實驗室及現場測試表明，用戶數據幀傳送時延與網絡結構、終端移動速度沒有直接關系，高速、低速情況下均能達到指標要求。

2.5 鏈路斷開概率

鏈路斷開概率，統計累計的連接時間內連接非正常釋放的次數。由于業務用戶引起的連接丟失不在統計范圍內，因此測試結果僅與單位時間內連接丟失的數目有關，與連接數目和連接持續期無關。唯一重要的是總的測量時間，這影響測量的置信度，與無線網絡環境相關。

在普通單網結構下，大概率下信號強度弱，網絡覆蓋變差，如果網絡覆蓋電平過低或存在嚴重干擾，導致服務質量嚴重下降，也可能出現已經建立連接的用戶因無法搜尋到網絡信號而斷開鏈路的情況。

2.6 傳輸干擾率

影響傳輸干擾率的因素有外部電磁環境、內部頻率配置、網絡結構、終端速度和終端性能等。根據武廣、滬寧、滬杭和京滬等高速客專的建設經驗，引起傳輸干擾的原因可分為3種：基站間切換、網絡外部或內部頻率干擾、隨機出現的“短干擾”。

1.切換引起的傳輸干擾次數與無線網絡結構有關，單網結構由于站距明顯大于單網交織，所以切換次數明顯減少，因切換引起的傳輸干擾降低，對指標有提升作用。

2.網絡外部頻率干擾，可通過清頻得到大幅改善;網絡內部干擾，通過網絡優化可以得到抑制。對于單網和單網交織2種網絡結構，單網內部頻率配置不易發生干擾，但克服外界干擾的能力較單網交織差一些。

3.受多徑傳播和多普勒效應影響導致的“短干擾”，出現具有一定的隨機性，通常在地理位置上沒有規律性，受速度影響較大，隨著列車速度的提高出現的頻率相應提高。對于200～250 km/h線路，這類“短干擾”出現的概率較300～350 km/h線路低。

可以看出，普通單網結構下基站間距變大，切換次數減少，由于切換引起的傳輸干擾相應減少;普通單網結構下大概率下信號強度變弱，網絡覆蓋變差，抗外部干擾能力變差;終端速度降低，短干擾減少。該指標還與數據傳輸速率的選取有關系，速率越高，指標越差。因此移動速度、網絡結構變化以及數據傳輸速率對傳輸干擾率指標的綜合影響還需深入研究，應結合測試情況得出結論。綜上所述，GSM-R網絡的電路域服務質量指標受多方面因素的影響，每個指標相關的影響因素分析結果如表2所示。

表2 影響C3列控系統GSM-R網絡服務質量指標的因素

3 普通單網結構對QoS的影響

GSM-R普通單網結構與交織單網結構相比，同樣長度的線路上基站間距增大，基站數量減少，當某一個BTS故障時，由其提供覆蓋的區域將出現盲區;而單網交織結構下，網絡覆蓋考慮了冗余，當某一個BTS故障時，相鄰BTS將覆蓋故障BTS服務的區域，避免出現覆蓋盲區。因此普通單網結構的網絡可靠性和可用性都低于單網交織結構的網絡。

而且普通單網結構站間距增大，小區半徑增大，從而導致大概率下信號強度變弱，網絡覆蓋變差。在干擾水平相同的條件下，C/I降低，對連接建立失敗概率、鏈路斷開概率和傳輸干擾率等指標均有影響。

3.1 降低最低接收電平

根據鐵道科學研究院的研究報告《高速鐵路GSM-R系統最小可用接收電平與相關服務質量標準的研究》，有以下二項重要結論：

1.在列車速度為300～350 km/h條件下，當接收電平≥-82 dBm時，可保證RxQual和CSD數據傳輸性能滿足UIC標準要求。

2.測試表明，通信質量RxQual隨速度降低而變好。

因此，在200～250 km/h條件下，當接收電平≥-82 dBm時，RxQual和CSD數據傳輸性能滿足UIC標準要求，且通信質量RxQual變好。

3.2 減少切換次數

GSM-R單網結構與單網交織結構相比，站間距增大，切換次數顯著減少。在切換執行期間，由于TCH被偷幀變為FACCH，用于傳送切換信令，會造成CSD數據傳輸誤包和丟包，傳輸干擾增加。因此，單網結構下切換次數減少，可以減少切換引起的傳輸差錯，提高服務質量。

3.3 增大頻率復用距離

GSM-R單網結構與單網交織結構相比，小區半徑增大，頻率規劃簡單，同一頻率復用距離增大，網內干擾減小。從這個角度看，能夠提升網絡服務質量。

以上分析可以得出：在時速250 km及以下的線路上使用GSM-R普通單網，當接收電平≥-82 dBm時，能滿足 C3系統 GSM-R網絡 QoS要求。

4 C3列控系統GSM-R網絡QoS測試情況

在鄭西、杭甬、寧杭、哈大等客專線路聯調聯試期間，對C3列控系統GSM-R網絡服務質量指標進行了大量測試，測試情況見表3—表6，對全數站和半數站的指標情況進行對比。

測試結果表明：半數基站條件下各項系統服務質量指標合格，并且大部分測試中半數基站條件下的傳輸干擾率指標優于全基站打開的情況，同樣印證了在普通單網結構下各項服務質量指標均能達標。

表3 鄭西客專C3系統GSM-R網絡QoS指標測試情況

表4 杭甬客專C3系統GSM-R網絡QoS指標測試情況

表5 寧杭客專C3系統GSM-R網絡QoS指標測試情況

表6 哈大客專 (沈局)C3系統GSM-R網絡QoS指標測試情況

5 GSM-R網絡克服干擾方法的研究

根據上述理論分析及實測數據，在普通單網結構下由于C/I的降低，對QoS指標有惡化的影響，為保證指標達標，可在網絡抗干擾方面采取一些措施，可以從網絡部署、系統和終端設備硬件優化、調整頻率三個方面入手。

1.網絡部署，主要是增加GSM-R基站數量和固定中繼單元等來提高GSM-R場強，而公網和GSM-R基站的協同布站、公網減少EIRP等措施，可使公網基站在鐵路軌道上的場強不超過限定的最大值。

2.系統和終端設備硬件優化，可以改進公網基站發射機的濾波器以減少無用發射，更改UMTS基站接收機濾波器可對公網下行功率控制，在GSM-R終端增加濾波器可提高對公網信號的衰減能力。目前，國內廣鐵集團聯合桑達公司進行了在CIR終端加裝濾波器，減小干擾的試驗，試驗結果表明：通信質量明顯改善，誤包率、傳輸干擾時間和傳輸無差錯時間等關鍵指標均有大幅度提升，在不采用其他改進措施的情況下，已基本滿足CTCS-3級列控業務通信的嚴苛要求;乒乓切換和誤切換次數明顯降低，通信質量劣化導致的乒乓切換、非順序切換數量大為減少，不到原來的十分之一，同時通信中掉線情況完全消除;通信質量劣化區域大為減少，下降為原來的十分之一左右，剩余的個別劣化區間也可通過特殊技術手段加以解決。這說明終端加裝濾波器的確可以改善通信質量。

3.頻率調整就是協調GSM-R與公網的頻率。

以上解決措施并沒有在經濟成本和使用效率上進行優化，而是為了達到雙贏，即參與各方均能實現各自的義務。

6 小結

對于250 km/h及以下的客專線路和城際線路GSM-R網絡，可繼續使用300～350 km/h客專線路GSM-R服務質量指標體系對其進行評價，但要注意以下幾點：①用戶數據幀傳送時延與終端的移動速度、GSM-R無線網絡結構無關，能夠滿足指標要求;②網絡注冊時延、連接建立時延、連接建立失敗概率這三個指標，與網絡的C/I或者說網絡的最小覆蓋電平及電磁環境有關，在做好清頻及網絡設計及優化的情況下，可以達標;③傳輸干擾率指標不僅與網絡的C/I有關，還與終端的移動速度、數據業務傳輸速率有關，由于250 km/h客專和城際線路較300～350 km/h速度降低，在數據傳輸速率確定采用4.8 kb/s、做好清頻及網絡優化的前提下，結合現場實測分析，可以達標;④鏈路斷開概率受網絡結構影響較大，在單網情況下，整網的覆蓋電平降低，抗外網干擾能力變差，但網內干擾的概率也降低了，因此該指標是否選擇原來的10-2/h，還需要測試數據的支撐。

較單網交織，單網結構的可靠性和可用性均有所降低，在出現單點設備故障未恢復的時間段內，無法避免地對經過該覆蓋范圍的業務產生影響，造成C3信息及重要ATO車-地信息的傳輸中斷，需要C3和C2+ATO系統采取一定的措施，盡量減少對行車和運輸效率的影響。

基于以上結論，對250 km/h及以下的客專線路和城際線路GSM-R網絡建設提出以下建議：

1.在低于250 km/h的線路上使用GSM-R普通單網，應綜合考慮沿線的電磁環境，滿足C/I要求，綜合考慮全路的電磁環境，最小接收電平可在現有設計規范的基礎上適當提高。

2.研究通過在車載終端加裝濾波器的方法進一步提高服務質量。

3.通過在BTS上配置冗余載波板或BTS支持，當BCCH載波板故障后可自動倒換到TCH載波板，并將其重新設置為BCCH載波等方式，可極大地提高單基站的可用性。

4.對城際線路，為保證站內重要ATO信息的傳送，可在車站覆蓋區采用無線冗余覆蓋方案，提高局部網絡可靠性。

［1］ CTCS-3級列控系統總體技術方案［R］.科技運〔2008〕34號，2008.

［2］ CTCS-3級列控系統GSM-R網絡需求規范［S］.科技運〔2008〕168號，2008.

［3］ UIC 《REPORT ON INTERFERENCES TO GSM-R(V2.0)》(2012.5.30)(GSM-R干擾報告(V2.0))［R］.2012.

［4］ 鐵總科技(2013)79號.城際CTCTS-2+ATO暫行總體技術要求［R］.2013.

［5］ 鐘章隊，吳昊，李翠然，胡曉紅，陳霞.鐵路數字移動通信系統(GSM-R)無線網絡規劃與優化［M］.北京：清華大學出版社，北京交通大學出版社.2012(2).