時速350 km及以上高速鐵路GSM-R系統(tǒng)QoS性能研究

代 賽，費(fèi) 丹，姚欣楠，胡曉紅

GSM-R網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定,在實現(xiàn)鐵路通信數(shù)字化、機(jī)車同步操控、列車控制信息傳送、保障列車通信和運(yùn)行安全等方面發(fā)揮著重要作用。目前,京滬高鐵、京津城際已按350 km/h速度運(yùn)營,京廣高鐵也已計劃恢復(fù)350 km/h運(yùn)營速度。雖然GSM-R系統(tǒng)支持最高速度500 km/h,但是目前實際運(yùn)營線路的最大設(shè)計速度目標(biāo)值均不超過350 km/h。在相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和驗收規(guī)范中,一般將設(shè)計速度分為v≤220 km/h、220 km/h＜v≤280 km/h、v＞280 km/h 3個等級,未對v＞280 km/h做更詳細(xì)的劃分［1］。因此,有必要研究GSM-R系統(tǒng)在時速350 km及以上條件下的QoS性能。

與低速狀態(tài)相比,高速鐵路環(huán)境中無線信道最突出的問題是存在較大的多普勒頻偏,因此需認(rèn)真了解研究。

1 多普勒頻偏

由于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間存在相對運(yùn)動,接收機(jī)接收到的信號頻率將與發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號頻率之間產(chǎn)生一個差值,這個差值就是多普勒頻偏［2］。

多普勒頻偏fd計算公式：

式中：f為信號載頻；v為移動速度；c為電波傳播速度（3×108m/s）；θ是電波傳播方向和移動臺運(yùn)動方向之間的夾角。

高速鐵路場景下,多普勒頻偏示意見圖1。其中,d為基站覆蓋半徑,t為列車進(jìn)入基站覆蓋區(qū)的時間,h為基站天線到鐵路的距離。可見

圖1 多普勒頻偏示意

由式（1）和（2）可得

以d=1 500 m,v=300 km/h,h=50 m,GSM-R下行信號頻率f=930 MHz為例,單基站下多普勒頻偏（fd）隨時間（t）變化見圖2,連續(xù)基站多普勒頻偏為單基站多普勒頻偏曲線的重復(fù)。

圖2 多普勒頻偏變化示意

從圖2可見,在高速鐵路場景中,由于列車運(yùn)行速度快,多普勒頻偏明顯大于公眾移動通信網(wǎng)。同時,由于GSM-R系統(tǒng)一般采用線狀覆蓋方式,基站距鐵軌較近,當(dāng)列車通過基站時,在很短的時間內(nèi)多普勒頻偏會由正轉(zhuǎn)負(fù),變化率較高,具有快速動態(tài)變化的特點,這一點在公眾移動通信網(wǎng)中一般不會出現(xiàn)。

較大的多普勒頻偏會導(dǎo)致信號失真,通信質(zhì)量惡化；而多普勒頻偏快速動態(tài)變化則會導(dǎo)致信道呈現(xiàn)顯著地時變特性,即信道特性隨時間快速變化,使信道估計、均衡等處理算法性能惡化［3］。因此,當(dāng)列車運(yùn)行速度提高時,有必要搭建試驗環(huán)境,采用信道建模的方式,驗證不同速度等級（350,400,450,500 km/h）下高速鐵路多普勒頻移對GSM-R系統(tǒng)分組域和電路域服務(wù)質(zhì)量的影響。

2 仿真測試

2.1 仿真環(huán)境組成

高速移動半實物仿真系統(tǒng)構(gòu)成見圖3,主要包括無線信道仿真子系統(tǒng)、GSM-R網(wǎng)絡(luò)（核心網(wǎng)、BSC、BTS等）、GSM-R終端,以及QoS測試系統(tǒng)軟件、GSM-R QoS地面服務(wù)器及軟件、射頻電纜、射頻配件（如衰減器、雙工器、功分器/合路器）等［4-5］。本文采用2個小區(qū)進(jìn)行仿真,模擬GSM-R基站子系統(tǒng)采用交織單網(wǎng)的覆蓋方案,根據(jù)鐵路網(wǎng)絡(luò)覆蓋驗收要求,同頻干擾信噪比設(shè)置為最低18 dB。終端1用于電路域指標(biāo)測試,終端2用于分組域指標(biāo)測試。

圖3 高速移動半實物仿真系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 大尺度衰落仿真

高速鐵路GSM-R系統(tǒng)半實物仿真的基本原理為：通過無線信道仿真子系統(tǒng)模擬高速鐵路開放的電波傳播環(huán)境,即GSM-R測試模塊與基站之間的空中接口不通過空間傳播,而通過射頻線纜接入無線信道仿真子系統(tǒng),由無線信道仿真子系統(tǒng)通過控制和設(shè)置各項參數(shù),實現(xiàn)對不同覆蓋場強(qiáng)、不同多徑信道模型、不同列車運(yùn)行速度、不同干擾和噪聲條件下的電波傳播環(huán)境的模擬,通過射頻線纜與實際若干個GSM-R基站相連［6-7］。其中,覆蓋場強(qiáng)直接采用高速鐵路現(xiàn)場采集的場強(qiáng)數(shù)據(jù)（圖4）,經(jīng)過格式處理和歸一化后,導(dǎo)入無線信道仿真子系統(tǒng),模擬不同基站覆蓋場強(qiáng)的時間變化規(guī)律,從而模擬列車運(yùn)行到不同位置的信號強(qiáng)度所發(fā)生變化,進(jìn)而在實驗室環(huán)境下,實現(xiàn)移動臺越區(qū)切換（圖5）的全過程［8］。

圖4 場強(qiáng)數(shù)據(jù)

圖5 越區(qū)切換模擬示意

2.3 小尺度衰落仿真

目前鐵路環(huán)境中多徑模型方面正在研究中,暫時還沒有一個公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)模型。考慮到高鐵線路以高架橋為主,高架橋環(huán)境較為開闊,多徑相對較少,時延擴(kuò)展較弱,仿真時采用COST 207 Rural Area 6徑模型（RAx6）作為信道模型,如表1所示［9-10］。

表1 GSM_RAx6信道模型

3 性能測試

為研究GSM-R高速移動場景下的性能,本文分別對越區(qū)切換場景的GPRS業(yè)務(wù)性能（UDP時延、丟包率）和單小區(qū)下的下行接收性能進(jìn)行了測試。其中,“越區(qū)切換場景”是指仿真列車在高速運(yùn)行的情況下,進(jìn)行連續(xù)的越區(qū)切換/小區(qū)重選,終端模塊在每個小區(qū)駐留20～30 s,同時進(jìn)行UDP數(shù)據(jù)傳輸。前者用于研究分析網(wǎng)絡(luò)的整體性能,后者用于研究分析具體的影響因素。

由于高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)在車地信息傳輸部分與CTCS-3級系統(tǒng)的差別,主要是增加了臨時限速服務(wù)器與無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口。臨時限速服務(wù)器通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)采用GPRS技術(shù),實現(xiàn)與自動駕駛系統(tǒng)車載設(shè)備雙向通信,每條無線消息的長度不超過500字節(jié),故本文對越區(qū)切換場景下的GPRS業(yè)務(wù)性能仿真時,選取500字節(jié)包長度。

3.1 越區(qū)切換場景性能仿真

越區(qū)切換場景下,不同速度的UDP傳輸平均時延及丟包率分別見圖6和圖7。隨著列車運(yùn)行速度的增加,UDP傳輸時延和丟包率均呈現(xiàn)明顯增長。

圖6 UDP傳輸平均時延

圖7 UDP丟包率

3.2 單小區(qū)下行接收性能仿真

GSM-R系統(tǒng)中,當(dāng)下行接收質(zhì)量（RxQual）在4級及以下（95%）時,CSD數(shù)據(jù)傳輸誤碼能夠被糾錯。因此,本文對不同列車運(yùn)行速度在滿足RxQual≤4（95%）條件下,所需下行最小可用接收電平進(jìn)行了對比測試。

由于列車運(yùn)行速度為500 km/h時,接收電平調(diào)節(jié)至-70 dBm也無法達(dá)到所需的接收質(zhì)量,故最小可用接收電平僅對列車運(yùn)行速度為350 km/h、400 km/h、450 km/h進(jìn)行對比測試。同時,在列車運(yùn)行速度為500 km/h時,專門對接收電平固定為-70 dBm條件下,多徑數(shù)量對下行接收質(zhì)量的影響進(jìn)行了測試。

RxQual≤4（95%）條件下,單小區(qū)不同速度下行最小可用接收電平見圖8。該條件下,不同列車運(yùn)行速度所需最小接收電平和列車運(yùn)行速度有關(guān)。當(dāng)列車運(yùn)行速度提高時,滿足RxQual≤4（95%）條件下的所需最小可用接收電平明顯提高。

圖8 單小區(qū)下行最小可用接收電平（RxQual≤4（95%））

500 km/h速度下,不同多徑數(shù)量時接收質(zhì)量≤4的百分比（電平條件為-70 dBm）見圖9。僅當(dāng)信道徑數(shù)減少至2時,才能滿足RxQual≤4（95%）的要求。因此,當(dāng)列車運(yùn)行速度為500 km/h時,隨著高速仿真模型信道徑數(shù)減少,下行接收質(zhì)量明顯提高。

圖9 500 km/h速度下，不同多徑數(shù)量時接收質(zhì)量≤4的百分比

4 結(jié)束語

本文針對GSM-R系統(tǒng)在350 km以上時速的高速適應(yīng)性進(jìn)行了研究,利用無線信道仿真儀及GSM-R網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備,基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)信道模型,搭建了高速鐵路場景下的半實物仿真系統(tǒng)；對高鐵場景下的多普勒特征進(jìn)行了分析,得到了高速鐵路切換條件下的多普勒變化特征；在此基礎(chǔ)上開展了GSM-R QoS性能測試,得到了越區(qū)切換場景下的UDP傳輸平均時延和丟包率的測試結(jié)果,直接反映了速度對以上指標(biāo)的影響；為了研究具體的影響因素,進(jìn)一步分析了不同列車運(yùn)行速度下的下行最小可用接收電平要求,給出了單小區(qū)的下行接收質(zhì)量測試結(jié)果,并分析了列車運(yùn)行速度為500 km/h時,多徑效應(yīng)對接收質(zhì)量的影響。