GSM-R系統與GSM系統兼容性測試方法的研究

高建平　周 鵬

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路軌道交通運行控制系統工程技術研究中心，北京 100073）

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GSM-R系統與GSM系統兼容性測試方法的研究

高建平1，2周 鵬1，2

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路軌道交通運行控制系統工程技術研究中心，北京 100073）

高速鐵路建成后，運營商為了解決由于CRH車體密封性好、損耗高，列車速度快等原因，車廂內通信質量明顯下降而進行了高鐵專網覆蓋。為保障高速鐵路通信網GSM-R系統的穩定，研究GSM-R系統與GSM系統兼容性測試的辦法。

GSM-R；GSM；系統兼容測試方法

1　概述

GSM-R是鐵路專用通信系統，作為保障鐵路運輸安全的調度指揮及行車控制系統，GSM-R數據傳輸的可靠性和實時性對無線網絡質量有很高的要求。

鐵路提速后，由于CRH車體密封性好、損耗大、運行速度快等原因，導致車廂內公網通信質量明顯下降，列車內公網通信成為移動通信網絡中急需要解決的問題，傳統的網絡規劃、網絡建設和優化思路已經不能滿足在高速移動場景下的通信需要。運營商綜合分析高速列車對網絡質量需求，通過大量測試和研究，分析了影響網絡質量的主要因素，參照GSM-R網絡覆蓋在高鐵沿線建立了專門覆蓋高速鐵路的移動高鐵專網系統。

由于GSM-R網絡由GSM發展而來，并且兩系統所用頻率相鄰，為保障GSM-R網絡安全的同時能夠為旅客提供優質的移動網絡服務，保證GSM-R與GSM網絡不相互產生干擾，對開通的GSM-R系統與GSM系統的兼容性測試顯得尤為必要。

2　相關技術分析

CTCS-3級列控系統對GSM-R網絡業務和QoS需求如下。

為了滿足CTCS-3的需求，UIC規范中規定了GSM-R網絡作為承載列控系統的網絡時需要滿足的QoS性能指標與ETCS 2對GSM-R的要求基本相同。

1）移動臺發起的連接建立時間：即連接建立請求到成功建立連接之間的時間，必須滿足＜8.5 s（95%），≤10 s（100%），當連接建立時間大于10 s時，認為連接建立失敗。

2）連接建立失敗概率：在連接建立嘗試中，不成功次數與總次數的比值。CTCS-3要求連接建立的失敗概率＜10-2。而為了達到CTCS-3所要求的＜10-4，網絡允許進行兩次連續的建立嘗試。

3）最大端到端傳輸時延：發送方開始傳輸用戶數據塊的第一個比特到接收方接收到此數據塊最后一個比特的時延，對大小為30 Byte用戶數據塊，要求≤0.5 s（99%）。

4）連接丟失概率：一定時間內連接無故釋放的次數，要求滿足≤10-2/h。

5）傳輸干擾時間：建立連接后，在數據傳輸過程中存在別的載波干擾時間，用Tn表示，要求滿足＜0.8 s（95%），＜1 s（99%）。

6）傳輸無差錯時間（傳輸恢復時間）：即一個傳輸干擾時間之后跟隨著一個傳輸無差錯時間，用TREC表示，用于重傳錯誤或丟失的數據及等待傳輸的數據，要求TREC＞20 s（95%），＞7 s（99%）。

3　測試系統及測試方法

為降低工程造價，提高測試效率，GSM-R與GSM共建兼容測試方法，可從3個方面進行測試：靜態測試、動態測試、測試驗證。

1） 靜態測試

靜態測試系統搭建由頻譜儀、頻譜分析軟件和配套設施（50 dB衰減器、30 dB衰減器、10 dB衰減器、饋線、轉接頭等）組成。靜態測試系統示意如圖1所示。

測試時，在GSM-R機房與GSM機房，斷開BTS合路器與饋線連接。通過饋線轉接頭按“靜態測試系統示意圖”連接設備，衰減器首先選擇50 dB衰減器，依次遞減，使得最大信號控制在30 dBm（1 W）以下。

在GSM-R系統BTS合路器測試時，頻譜儀測試頻段首先使用930～934 MHz，校核基站使用頻點，確認移動基站各載頻均已開啟；然后選擇GSM系統頻段934～954 MHz/889～909 MHz，查看GSM-R系統是否存在帶外信號落在GSM頻段內。

在GSM系統BTS合路器測試時，頻譜儀測試頻段首先使用934～954 MHz，校核基站使用頻點，確認移動基站各載頻均已開啟；然后選擇GSM-R系統頻段930～934 MHz/885～889 MHz，查看GSM系統是否存在帶外信號落在GSM-R頻段內。

2） 動態測試系統及方法

動態測試系統搭建由頻譜儀、頻譜分析軟件、標準天線（GSM頻段全向和測向）和配套設施（測試車、饋線、天線支架）等組成。動態測試系統示意如圖2所示。

測試方法，到達預定的測試點，記錄測試時間、測試點周邊環境（遮擋情況、公網基站情況、GSM-R基站使用情況）、天線距離鐵路軌面及地面高度等基本信息。

測試公網基站對GSM-R基站干擾情況時，首先確認（通過測試手機或天線+頻譜儀）公網基站處于開啟/關閉狀態，采用全向天線對GSM-R頻段進行全頻段、全方位掃描；測試GSM-R基站對公網干擾情況時，同樣先確認GSM-R基站使用狀態，采用全向天線對GSM頻段進行全頻段、全方位掃描。

測試時頻譜儀檢波方式選用峰值檢波，trace采用最大保持、平均、實時等方式，記錄被測頻段信號，測試10～20 min，存儲頻譜圖。測試期間若瞬間全頻段底噪明顯抬升，則重新設置儀表參數進行測試。

利用信令識別設備進行測試，判斷測試點周邊是否存在TCH使用GSM-R頻點，未采用跳頻序列的小區，還需使用信令識別設備多次撥打測試，檢測所有未參與跳頻序列的頻點。使用信令識別設備的FORCING FUNCTION（強制功能）中SET BCCH（鎖定BCCH）功能測試各小區的TCH信道進行撥打測試。并記錄LAI、BSIC、CGI、BCCH、TCH等信令數據，結合信令數據分析測試頻譜圖各頻點信號判斷信號類型。利用信令識別設備通過注冊GSM-R基站BCCH或占用數據/話務信道，測試GSM-R基站各頻點的C/I，分析各信道的干擾程度，可通過比對移動基站開啟/關閉情況下GSM-R各載頻（BCCH、TCH）C/I變化，判斷是否存在同頻干擾。干擾信號具有GSM頻譜特征且無信令時根據信號特征適當擴展頻率掃描范圍，進一步分析與其他信號的關系，計算測試點周邊各小區信道的互調信號是否落在GSM-R頻段內。分別對開啟和關閉的基站進行上述測試并進行頻譜圖和數據的比較。

3） 測試驗證

測試驗證系統搭建主要由車載天線、車載測試模塊及分析軟件和配套設施（如筆記本電腦、GPS）等組成。測試驗證系統示意如圖3所示。

測試驗證時，按示意圖接好測試設備，啟動測試軟件，待列車啟動后用軟件記錄測試結果，將采集數據與標準進行對比分析。

其中，GSM-R系統的測試驗證使用列車車頂天線，公網系統驗證使用車內天線。

4　載干比數據處理方法的研究

1）載干比

載干比是指加到接收天線輸入端的有用信號功率（C）與干擾信號（I）功率的比值。載干比通常反映信號在空間傳播過程中，接收端接收到信號的優劣。為了提高頻譜利用效率，在無線通信系統中，通常會采用頻率復用技術。即如果蜂窩布局不好，干擾源將會增多，載干比將會下降。每簇中小區數目越多，載干比C/I越大，網絡質量越好。

2）測試中載干比的數據

靜態測試中，通過測試設備收集的一組采樣數據，收集到的數據顯示均小于20。為了得到更精確數據來評估現場情況，我們對數據進行了分析處理。

3）數據分析

由于數據測量具有一定的隨機性，因此，數據存在一定偏差，為了能夠得到更加可信的數據，我們通過對數據進行了統計上的分析。

我們將接收到的數據首先進行歸納排序。

根據正態分布：

得到正態分布曲線，那么得到的正態分布曲線按照工程上的C/I大于12 dBm要求作為判別標準，當μ±3σ≥12 dBm時，我們認為取得的數據有99.7%大于12 dBm，可以作為合理可信的數據。

例如測試中，我們采集到的一組C/I數據，那么將數據首先進行正態分布的計算：其中假設數據有10個（n1，n2……n10），其中μ0=16，σ=0.5。

得到的正態分布如圖4所示。

那么在這一段時間之內C/I的取值數為μ±3σ。

5　結束語

隨著技術的發展和社會的進步，高鐵線路會越來越多的出現，公共移動通信網和鐵路專用GSM-R網絡之間的交織也會越來越密集，為了能夠保障乘客安全出行的前提下給旅客提供更好更優質的通信網絡，網絡兼容性測試的方法也會不斷提高和完善。

High-speed railways should be covered with private networks to increase the communication quality inside cars due to CRH high-speed trains with well sealed car body， high signal loss and high speed. In order to ensure the stability of GSM-R systems of high-speed railway communication networks， this paper studies a test method of system compatibility between GSM-R system and GSM system.

GSM-R； GSM； test method of system compatibility

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.02.013

2013-03-12）