Era-glonass緊急呼叫系統關鍵性能測試技術研究

張 悅，張 旭，丁一夫

(中國汽車技術研究中心有限公司, 天津 300300)

1 背景研究

智慧交通作為未來交通的發展趨勢，在有效利用現有交通設施的基礎上，可充分發揮物聯網優勢，保證交通安全、提高運輸效率。從各地智慧交通構建情況來看，主要集中在交通管理、交通誘導及智能公交方面，對智慧交通中的交通安全，特別是車輛發生事故后的智能化緊急救援涉及并不多[1-5]。緊急呼叫系統作為聯系車輛及智慧交通的紐帶，是應對全局道路突發事故的有效途徑，在智能網聯車輛主動安全規模化應用前，對于縮短道路救援時間、降低傷亡率、減少經濟損失具有重要作用，有助于智慧交通安全公共服務體系的建設。

俄羅斯的Era-glonass系統是目前應用較為成熟的技術。在glonass系統認證測試項目中，功能性和通訊質量作為glonass系統的關鍵性能，與系統工作的可靠性密切相關，是系統建立有效數據及語音通信的重要保證。目前，中國汽車技術研究中心有限公司作為俄羅斯國家汽車工程研究院(NAMI)在國內唯一授權的檢測機構，具備glonass系統的認證資質，但是在緊急呼叫系統功能性測試和通訊質量測試研究方面還有所欠缺。另一方面，我國的緊急呼叫系統強制性國家標準已發布立項計劃，目標是在2020年完成標準制定，但是相關的研究還處于初始階段，需要技術支撐[6]。

本文首先介紹了Era-glonass系統的技術發展背景，在分析Era-glonass系統工作原理的基礎上，對系統功能性及通訊質量測試技術進行研究，并結合現有測試平臺提出系統功能性、通訊質量兩項關鍵性能的測試方案，一方面為出口俄羅斯的車企提供規范的測試服務，為智能化交通安全的實現奠定基礎，另一方面為國內緊急呼叫系統標準的制定提供支持。

2 Era-glonass系統關鍵技術要求

俄羅斯緊急救援服務對Era-glonass緊急呼叫系統工作過程中各個環節的技術可靠性和實時性有較高要求，主要包括以下3個方面：

1) 可靠的緊急呼叫系統觸發

當車輛發生事故時，車載緊急呼叫系統可以有效地被車內傳感器信號或手動開關信號觸發，實現MSD數據傳輸。

2) 實時的車輛事故數據傳輸

在MSD數據通過移動網絡發送至救援中心的過程中，應具備較高的傳輸優先級，確保網絡擁堵狀態下搶占數據傳輸資源。數據傳輸方式應具有較好的抗干擾能力，保證數據完整無誤地傳輸，且信號時延較小。

考慮到公共救援服務的分區域特性，車載緊急呼叫系統的數據鏈路和語音鏈路應當一同路由，以保證處理的及時性。

3) 準確的車輛位置定位

在車輛事故發生后，車載緊急呼叫系統應能通過衛星定位技術獲取車輛的經緯度信息，并將該信息上傳。定位誤差應盡可能小，不影響救援事件的進行。目前可供選擇的定位技術主要有GPS、Glonass、伽利略、北斗定位技術[7]。

為確保上述3項關鍵技術的實現，俄羅斯國家標準起草機構編制了一系列技術標準驗證系統性能[7]，認證測試項目見表1。

表1 Era-glonass系統認證測試項目

在表1中，GOST R 55530和GOST R 55531包含了對系統功能性測試和通訊質量測試的主要內容，定義了緊急呼叫系統觸發、網絡注冊、MSD數據傳輸、語音呼叫、音頻質量測試等相關測試方法。這兩項測試是保證系統工作可靠性的重要測試項目。

3 Era-glonass系統原理分析

Era-glonass系統是俄羅斯聯邦提供的服務，旨在減少道路事故或其他緊急情況的響應時間。在碰撞事故或嚴重故障發生時，Era-glonass系統可以在自動模式或手動模式下，通過GSM或UMTS蜂窩網絡與公共服務應答平臺建立語音連接并發送必要的車輛信息數據，為發生緊急情況的車輛提供應急報警、救援等服務。系統工作示意圖如圖1所示。

圖1 Era-glonass系統工作示意圖

3.1 Era-glonass基礎架構

Era-glonass系統主要包括GNSS接收機、MSD(最小數據集)數據處理及調制模塊、麥克風、揚聲器、語音編碼解碼模塊及射頻模塊，如圖2所示。

GNSS接收機將衛星信號送入MSD數據處理模塊進行車輛位置信息計算，計算完成的車輛位置信息同時間、車速、車輛狀態等信息組包送入數據調制模塊。由于并非所有基站都配置有純數據通道，且考慮到語音網絡的覆蓋范圍更廣，因此MSD信息傳輸通過移動蜂窩網絡的語音通道實現，經由語音編碼模塊及射頻模塊進行無線數據傳輸。

Era-glonass系統在實現MSD數據傳輸后，還可與PSAP(公共安全應答中心)建立語音連接，用于獲取額外的信息。系統與PSAP之間的雙向語音交互通過麥克風、揚聲器、語音編碼模塊及射頻模塊實現[8]。

圖2 Era-glonass系統組成

3.2 MSD數據解析

在車輛發生事故后，Era-glonass系統會以最高優先級上報救援所需的MSD數據，以便進行事故車輛位置的確定。MSD數據涵蓋的主要信息見表2。

表2 MSD數據涵蓋的主要信息

MSD數據包含有140個字節和28個CRC校驗位，共計1 148位長度，經過前向糾錯編碼后，MSD長度為 1 380位。MSD由1個預同步幀和3個數據幀組成，各個部分之間聲音是靜音的，如圖3所示。

圖3 MSD數據結構

MSD數據是BPPM(雙極位置脈沖調制)調制方式，基本的脈沖是1個正向或反向偏移，1個符號可表示3位信息。MSD有快速和魯棒兩種模式。在魯棒模式下，每個符號的長度要比快速模式增加1倍，如圖4所示。隨著符號長度的增加，由于信道時延擴展引起的ISI減小，同時由衰落或干擾引起接收端的錯誤得以分散。為使接收機可以在外界復雜電磁環境下解析出正確的數據，MSD數據調制采用魯棒模式。

圖4 MSD數據調制模式

3.3 通訊流程說明

典型場景下，Era-glonass緊急呼叫系統與PSAP之間的通訊主要包括以下幾個步驟：

1) 當Era-glonass系統自動或手動觸發后，會通過GSM/UMTS呼叫PSAP，在呼叫過程中，系統會持續發送初始化消息。

2) PSAP解析到初始化消息，發送SEND-MSG命令給Era-glonass系統。

3) Era-glonass系統解調了SEND-MSG命令，發送SYNC幀及具體MSD信息，采用RV0版本的冗余。

4) 如果PSAP沒有正確解析RV0的MSD，返回NACK。

5) Era-glonass系統接收到PSAP返回的NACK，采用RV1版本的冗余發送MSD信息。

6) PSAP發送了AL-ACK，指示MSD消息已經完成解析，此時連接切換到語音方式，PSAP的話務員可以與車內的乘客通話。

7) 通話結束后，GSM/UMTS語音連接被釋放，通訊過程結束。

根據上述步驟建立Era-glonass系統通訊流程，如圖5所示。按照圖5進行緊急呼叫系統與PSAP間數據流解析，如圖6所示。

圖5 Era-glonass系統通訊流程

圖6 通訊數據流解析

從圖5及圖6中均可以看出Era-glonass系統與PSAP通訊數據流的時序。在實際操作過程中，可以通過監測數據流掌握系統的工作狀態。

4 Era-glonass系統關鍵性能測試方案

對Era-glonass系統進行性能測試是保證系統正常工作的前提。在Era-glonass系統的多項性能測試中，功能性測試主要考察數據及語音鏈路是否可以有效建立、系統工作時序是否符合標準要求、MSD數據信息是否全面真實等；通訊質量測試主要考察在道路環境下，Era-glonass系統與PSAP建立語音通信時的音頻質量等。上述兩項測試直接關乎緊急呼叫系統信息傳遞的有效性及緊急救援的效率，是Era-glonass系統性能測試的重要組成部分。

4.1 系統功能性測試方案

系統功能性測試主要參照GOST R 55530—2013，測試目的在于評估緊急呼叫系統與國家標準中功能要求的一致性。具體測試方案包括測試平臺的搭建、相關參數的設置及具體測試流程。

4.1.1功能性測試平臺搭建

結合試驗室現有設備進行測試平臺搭建，如圖7所示。其中，CMW500綜測儀用于模擬2G/3G網絡，通過射頻線纜的連接，Era-glonass緊急呼叫系統可以與儀器之間建立語音通話。SMBV用于提供緊急呼叫系統導航使用的定位信息。安裝在PC上的KA094軟件可用于進行PSAP的模擬，且可以遠程控制CMW和SMBV，進行相應測試參數的設置。

圖7 Era-glonass系統功能性測試平臺

GSM/UMTS連接中的聲音信號通過CMW的數字SPDIF接口和外部聲卡之間的通路進行交互。Era-glonass系統的協議和MSD的傳輸都是通過CMW和系統之前的語音連接進行。這種端到端的測試是在PC上的PSAP和緊急呼叫系統之間進行的。

4.1.2測試參數設置

在測試平臺搭建完成的基礎上，進行相應測試參數的設置。啟動KA094軟件，進入PSAP界面，如圖8所示。圖8界面包括概覽、控制及通知3個界面，通過對其中控制界面相關按鍵的操作，系統可實現如圖5所示的通訊過程。

圖8 PSAP界面

利用PSAP遠程控制功能設置CMW500的GSM/UMTS小區信號輸出端口(與射頻線纜連接端口對應)及信號輸入輸出線損(可按照線纜損耗標定值進行設置)。在CMW500設置完成后，通過PSAP設置SMBV相應參數，主要包括通訊時限，可設置為4 s。

4.1.3功能性測試流程

結合圖8的PSAP界面進行功能性測試相關操作。按照本文的通訊時序，操作流程如圖9所示，其中各個按鍵實現的具體功能為[9]：

圖9 PSAP操作流程

1) Initial config：根據設置的參數進行CMW和SMBV的初始化，初始化完成后系統狀態從Idle變為Configured。

2) Simulation On：PSAP、GNSS、GSM的模擬環境工作觸發，模擬成功后，系統工作狀態從Configured變為Simulation Running。

3) Call IVS：向緊急呼叫系統發送信息，系統成功注冊到2G/3G小區后，系統狀態會顯示為已經注冊(synchronized)。

在PSAP概覽及控制界面下，可以進行Era-glonass系統呼叫流程的監控。表3為緊急呼叫系統、2G/3G網絡、PSAP及控制狀態的對應關系。

表3 測試狀態對應關系

按照上述方法在實驗室內進行測試平臺搭建及測試參數的設置。如圖10所示，在CMW模擬的基站信號及SMBV模擬的衛星信號環境下，Era-glonass系統可以成功連接至網絡，并可實現MSD數據傳輸，測試結果如圖11所示。

圖10 功能性測試布置圖

從圖11中可以看出，MSD數據中包含的信息符合表1要求，Era-glonass系統在虛擬環境中成功實現了緊急呼叫的功能。后續可依據GOST R 55530標準，按照功能性測試列表進行緊急呼叫系統的功能性測試。

圖11 測試結果

4.2 系統通訊質量測試方案

Era-glonass系統通訊質量測試參照GOST R 55531—2013標準，主要目的是測試緊急呼叫系統與PSAP間語音通訊的質量，確保有效通話的實現。

4.2.1系統通訊質量測試原理

由于Era-glonass系統可能在車輛運行或嘈雜的交通噪聲環境中使用，因此通訊質量測試應在車內駕駛室模擬噪音聲場下進行。

緊急呼叫系統與揚聲器通訊質量保證有關的2個接口是聲音接口和無線電接口，均支持移動通訊系統。當使用聲音接口連接緊急呼叫系統進行近端用戶模擬時，該模擬使用包含人工耳及人造嘴的HATS人體模型。當使用無線電接口連接緊急呼叫系統進行遠端用戶模擬時，該模擬使用適用于緊急呼叫系統移動通訊標準的通訊系統模擬器[9]。通訊質量測試原理如圖12所示。

圖12 通訊質量測試原理

從圖12中可以看出，在測試過程中，需要噪音回放系統進行車內背景噪聲的模擬。在噪音環境下，實現緊急呼叫系統與PSAP的通訊，包括遠端用戶到近端用戶的信號傳輸和近端用戶到遠端用戶的信號傳輸兩種。

遠端用戶到近端用戶的信號傳輸路徑為：通訊系統模擬器向Era-glonass系統發送電測試信號，該電測試信號被緊急呼叫系統接收后，通過揚聲器形成聲音信號在車內回放，該聲音信號被HATS人工耳接收后，送入軟件進行分析。近端用戶到遠端用戶的信號傳輸路徑為：HATS人嘴發出聲音信號，該聲音信號經過麥克風形成電測試信號，該電測試信號通過緊急呼叫系統進行發送，被通訊系統模擬器接收后，送入軟件進行分析[10]。

4.2.2通訊質量測試平臺搭建

結合實驗室測試資源進行通訊質量測試平臺搭建，如圖13所示。該測試平臺主要包括Era-glonass緊急呼叫系統、HATS人體模型、車內背景噪聲回放系統及音頻質量測試系統4大組成部分。

圖13所示的通訊質量測試平臺可以實現語音質量的測試，具體工作原理為：

1) 發送方向(模擬近端用戶到遠端用戶)：電聲性能分析軟件ACQUA發出數字測試信號，通過USB線傳給電聲分析儀Lab core，由Lab core進行數模轉換后傳給HATS人體模型的人工嘴發聲；Era-glonass緊急呼叫系統接到聲音后編碼，傳給類基站，由類基站傳送給Lab core，經Lab core進行模數轉換后通過USB線傳回ACQUA進行音頻質量分析。

圖13 通訊質量測試平臺架構

2) 接收方向(模擬遠端用戶到近端用戶)：電聲性能分析軟件ACQUA發出數字測試信號，通過USB線傳給電聲分析儀Lab core，由Lab core進行數模轉換后傳送給類基站；類基站將接收到的信號編碼并通過構建的GSM網絡傳給Era-glonass緊急呼叫系統發聲，HATS人體模型的人工耳接收到聲音信息后將聲音信號傳回Lab core，經Lab core模數轉換后通過USB線傳回ACQUA進行音頻質量分析。

在發送方向及接收方向通訊質量測試過程中，車內背景噪聲回放系統可進行車內路噪和風噪模擬，背景噪聲模擬系統HAE-car和均衡系統LabBGN通過PSB III電子脈沖分配器同步背景噪聲回放及電聲性能分析，將錄制好的車內噪聲通過車內的5個揚聲器進行播放。為保證車內噪聲的均衡性、指向性，車內的5個揚聲器均與LabBGN均衡系統進行連接，以實現車內噪聲的真實復現[11]。

4.2.3通訊質量測試平臺主要功能

基于圖13所示測試平臺，可實現Era-glonass系統與PSAP之間的語音通訊質量測試。測試參數主要包括麥克風靈敏度、麥克風頻率響應、麥克風失真、最大聲壓級、緊急呼叫系統接收延時及發送延時、不同音量的接收響度及接收失真、正常音量的自動增益控制、正常音量的接收頻響、接收空閑信道噪聲、接收方向的帶內及帶外信號、接收方向的激活特性、接收方向的衰減特性、主駕駛位置/副駕駛位置的發送方向響度、背景噪聲收斂、背景噪聲聲壓級、遠近端背景噪聲、緊急呼叫系統性能等。鑒于GOST R 55531中主要規定了表4所示測試項目對音頻質量進行客觀評價，因此該通訊質量測試平臺可以完全滿足GOST R 55531的測試要求。

表4 GOST R 55531通訊質量測試項目

5 結束語

功能性和通訊質量作為Era-glonass緊急呼叫系統的關鍵性能，是影響系統工作可靠性的重要因素，直接決定了緊急救援事件的效率及智能化交通安全的實現。本文在分析緊急呼叫系統技術背景及工作原理的基礎上，從測試平臺搭建、測試參數設置及測試流程等方面進行了測試技術的研究，提出了符合Era-glonass認證測試要求的系統功能性測試及通訊質量測試方案。該方案一方面支撐中國汽車技術研究中心有限公司緊急呼叫系統測試認證業務的開展，為出口俄羅斯的車企提供全面、規范的服務，促進智能交通的建設，另一方面也可以為國內緊急呼叫強制性國家標準的制定提供技術支持。