CTCS-3級列車運行控制系統對GSM-R網絡主要需求的探討

張擎紅

（中國鐵路成都局集團有限公司，成都 610081）

1 概述

隨著國內高速鐵路信號與通信技術的發展，鐵路信號控制技術與無線通信技術的聯系越來越緊密。特別是在應用于350 km/h 高速鐵路的CTCS-3 級列車運行控制系統（以下簡稱C3 列控系統）中，采用了GSM-R 網絡為其安全數據傳輸提供車—地雙向數據傳輸通道。GSM-R 網絡設計、建設、維護的質量，直接影響到C3 列控系統的運用質量，從而影響高速鐵路的運營服務質量。因此，鐵路信號設計、建設、維護人員進一步了解GSM-R 系統，與鐵路通信專業技術人員共同研究并優化C3 列控系統對GSM-R 網絡的需求，已經成為大勢所趨。

2 列控系統對無線通信傳輸的需求

2.1 C3列控系統車地信息傳輸系統的組成與通信傳輸過程

基于GSM-R 網絡的C3 列控系統車地信息傳送系統由無線閉塞中心（RBC）、GSM-R 網絡、C3列控車載設備等組成。C3 列控系統車地信息傳輸的過程和內容如下 。

1）RBC 通過分析信號子系統（列控中心、計算機聯鎖系統、調度集中系統、臨時限速服務器等）狀態，計算出行車許可、臨時限速命令等，通過GSM-R 網絡傳輸至列控車載設備。

2）列控車載設備將動車位置、動車最大速度和長度等信息，通過GSM-R 網絡傳輸至RBC 后，RBC 進一步計算并調整行車許可，通過GSM-R 網絡傳輸至列控車載設備。

2.2 C3列控系統對GSM-R網絡需求的特點分析

C3 列控系統車地通信傳輸質量直接影響動車是否能夠連續在C3 條件下正常運行，其對GSM-R 網絡的主要需求特點如下。

雙向性。列控系統車與地、地與車之間通過GSM-R 網絡實現雙向信息傳輸。

連續性。RBC 與列控車載設備之間通過GSM-R 不間斷的車地信息傳輸，不斷調整行車許可，從而控制動車運行直至到達終點。

敏感性。當RBC 或列控車載設備在規定時間內沒有收到對方發送的信息，則會因“無線超時”觸發制動，導致C3 降級。

真實性。C3 車載臺設備接收到無線信息后將進行一致性和有效性檢查，如發現消息錯誤，會拒絕并向RBC 報告，以確保信息傳輸的真實性。例如，從RBC 收到的信息時間戳與車載設備的時間差大于規定的數值，則認為無線超時，車載設備觸發最大常規制動。無線超時后，車載設備會釋放當前連接，然后重新發起建立通信會話。若一直未收到新的有效消息，將根據條件轉入C2 系統。

由此可見，C3 列控系統車地信息傳輸，既需要GSM-R 網絡的無線覆蓋性能滿足其雙向性、連續性要求，同時還需要GSM-R 系統網絡服務質量（QoS）滿足其敏感性、真實性要求。

3 C3列控系統對GSM-R無線覆蓋及QoS的需求分析

3.1 無線覆蓋指標（最小可用接收電平）分析

列控車載臺最小可用接收電平應從設備性能、安全保護兩個方面考慮以下幾個參數。

1）移動終端設備的接收靈敏度。GSM-R 系統 采 用900 MHz 工 作 頻 段。根 據GSM 規 范，900 MHz 頻段的移動終端接收靈敏度為-104 dBm。

2）機車臺饋線及接頭損耗：3 dB。

3）設備老化余量3 dB。

4）安全保護余量3 dB。考慮到列控系統對網絡服務質量要求高，增加3 dB 列控安全數據保護余量。

5) 高速保護余量3 dB。隨著動車運行速度的提高，無線信道變化快。當速度高于280 km/h，另外增加3 dB 的高速保護余量。

因此，當動車速度大于280 km/h 時，列控車載臺的最小可用接收電平=-104 dBm -（-3 dB-3 dB）-（-3 dB）-（-3 dB） = -92 dBm。

目前，國內對于8 W 的列控車載臺，無線覆蓋指標應滿足在95%時間、地點統計概率下，最小可用接收電平，如表1 所示。

表1 列控線路車載臺的最小可用接收電平Tab 1 The lowest receiving level of train control line vehicle station

實際上，要保證列控車地安全信息真實可靠傳送，僅僅滿足覆蓋電平要求是遠遠不夠的，GSM-R網絡需要提供列控安全數據傳輸所需要的QoS，才能保障列控業務。

3.2 QoS指標要求

C3 無線通信過程如下。

1) 在車載設備上電、接收到地面設備的命令后或任務開始時，命令GSM-R 車載電臺注冊到GSM-R 網絡。

2) 當任務開始且線路等級為C3、收到與RBC建立通信會話命令或收到RBC 切換命令，車載設備立即發起建立通信會話請求，不斷重復請求，直到安全連接建立成功或超過規定次數。

3) 車載電臺與RBC 進行會話通信，如RBC 向車載設備發送行車許可（MA），車載設備周期性向RBC 發送位置報告。

4) 通信會話建立后，如果安全連接中斷，但地面設備未發出斷開連接的命令，車載設備應重復嘗試建立另一個新的安全連接。

5) 車載電臺在收到終止通信會話命令、檢測到終止通信會話的錯誤條件或發送信息一定次數，未收到RBC 回復的期望信息就會終止通信會話。

通過分析C3 列控系統無線通信過程可見，列控系統對GSM-R 的主要QoS 需求指標與其傳輸的列控數據直接相關。常見的列控數據如MA 延伸、進入列控任務、喚醒/開啟任務、RBC 切換、通信丟失等分別與相應的QoS 指標相關。例如：MA 延伸與最大端到端時延、傳輸干擾時間、傳輸無差錯時間（傳輸恢復時間）3項指標密切相關。這也是比較苛刻的關鍵指標，它們直接關系到列控系統數據的可用性，而且這些指標也影響GSM-R網絡建設方案與成本。QoS 主要指標如下。

1) 最大端到端時延

最大端對端時延是指長度為40 Bytes 的 數據 包從RBC 中 心到車載終端間的收發時延，包括GSM-R 收發設備處理時延、無線網絡和有線網絡傳輸時延。

從理論上來說，端到端的時延越小越好。因為時延越短， MA 的更新越快，列車控制越及時，將有助于提高鐵路的運行能力。但是考慮GSM-R 網絡的網元較多，而且還要經過較長物理距離，固定網絡也要占用時間，參考GSM-R 語音通信對網絡的時延要求，一般不大于0.5 s。

C3 列控系統需要GSM-R 網絡傳輸的控制信息，主要為地面發送給列車的MA 和列車發送給地面的列車位置報告。由于列車位置報告長度固定，由兩個信息幀組成，且頻繁發送，一次位置報告的延時或者丟失不會對列車控制造成影響。因此，重點分析列控系統中行車許可消息。C3 系統對列車速度的控制，具體是通過MA 來實現的。端對端時延主要考慮MA 傳輸和處理的端對端延遲時間。

MA 應用層數據最大長度限制為1 023 Bytes，經過安全協議層、傳輸業務層和傳輸協議層、網絡協議層以及數據鏈路（HDLC）層的封裝，最后為1 384 Bytes，如圖1 所示。

MA 傳輸和處理的端對端延遲時間，表示從聯鎖系統和RBC 之間的接口到C3 車載電臺和司機之間接口的傳輸時延。這部分時延由以下幾部分組成。

Tt：聯鎖系統到RBC 的時延，UNISIG 協議規定最大為1.05 s。

圖1 用戶數據大于114 Bytes時數據的打包與封裝Fig.1 Packaging and encapsulation of user data greater than 114 bytes

Td：RBC 到車載單元之間時延，最大為0.5 s（含40 Bytes 傳送）。

T0：車載電臺至車載應用的時延，UNISIG 協議規定最大為1.5 s。

△T：數據傳送總時延，按4.8 kbit/s 傳輸速率計算，1 384 扣除40 Bytes 傳送時間（Td中包含了40 Bytes 的傳送時延），時間長度約2.29 s。

因此，一個 1 023 Bytes MA 的傳送時間約需要5.29 s。

2) 傳輸干擾時間

傳輸干擾發生時，需要強拆低優先級用戶的呼叫，發起切換請求。強拆一個低優先級用戶需要的時間約600 ms，實際的切換的時延約300 ms，因此最大的傳輸干擾時間為1 s。

3) 傳輸無差錯時間（傳輸恢復時間）

一 個1 023 Bytes MA 的 傳 送 時 間 約 需 要5.29 s，考慮了最大1 s 的傳輸干擾時間，出現1 s干擾后重傳，最壞情況傳送一個1 023 Bytes 的最大數據幀，需要時間為6.29 s。無差錯傳輸時間需要大于7 s（99%），就是為了保證絕大部分最大MA 能不受干擾的傳送完成。

目前，列控系統對GSM-R 的主要QoS 要求如表2 所示。

表2 列控數據傳輸主要QoSTab 2 Main QoS of train control data transmission

4 C3列控系統對GSM-R工程建設和運營維護的建議

為了提高基于GSM-R 網絡傳輸C3 列控數據的可用性和可靠性，確保在GSM-R 系統部分設備故障的情況下仍能為列控系統提供雙向、連續、真實的安全數據傳輸， GSM-R 系統建設和運營維護中應考慮以下措施。

1) 關鍵板件與設備冗余

GSM-R 設備除了自身采用高可靠性元器件設計和生產之外，其主要板件應采用冗余方式配置，確保單機也具備極高的可靠性。此外，為了防范自然災害和與地理有關的非設備故障，目前中國鐵路GSM-R 核心網中的關鍵設備已經采用雙套異地容災方案。

2) 無線覆蓋冗余

通常采用單層網絡交織覆蓋方案實現無線覆蓋冗余。即在單網兩個連續基站之間增設一個基站，相當于基站加密，兩相鄰基站的場強相互覆蓋到對方站址，可保證在非連續基站故障的情況下，GSM-R 網絡能夠提供服務。

3) 基站間距與天線掛高合理

一是考慮單個基站故障時，基站間距既能滿足最小接收電平和二次切換的要求。二是考慮過小的基站間距造成頻繁切換，對列控系統產生影響。三是考慮天線掛高過大造成越區覆蓋，引起同頻干擾。

4) 干擾控制

結合網絡測試及工程經驗，通過無線網絡優化、調整等措施，達到GSM-R 設計規范要求的干擾指標。

5 結束語

C3 列控系統是高速鐵路列車運行安全的重要保障。承載列控系統車—地信息雙向傳輸的GSM-R網絡運用質量直接影響C3 列控系統的運用質量。設備質量、運用環境、數據傳輸的密集性等多種因素均將影響GSM-R 網絡質量。因此，在高速鐵路信號與通信系統的設計、建設和維護工作中，信號、通信專業技術人員應加強溝通，根據實際情況研究確定C3 列控系統的需求，優化GSM-R 網絡，確保C3 列控系統正常運行。