基于動態檢測數據的GSM-R網絡質量綜合評價方法應用研究

楊樹忠,趙 波,酒昀洋,孟景輝

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所,北京 100081； 2.中國國家鐵路集團有限公司工電部,北京 100844； 3.北京鐵科英邁技術有限公司,北京 100081)

1 概述

GSM-R網絡是鐵路基礎設施的重要組成部分，承載鐵路調度通信、高速鐵路和重載列車運行控制信息，在保障行車安全、提高運輸效率等方面發揮著不可替代的作用[1-3]。為更好地掌握GSM-R網絡狀態，《鐵路通信維護規則》[4]要求定期進行動態檢測，以便有計劃地進行養護維修。目前，動態檢測主要通過發現場強覆蓋和服務質量檢測問題，判斷語音呼叫、越區切換、電路域和分組域數據傳輸業務等檢測項目是否達標，來發現設備故障、參數異常或網外干擾等影響GSM-R網絡正常運行的因素[5-6]，但未從整體上對GSM-R網絡質量進行評價，對鐵路局通信專業考核評價也只是選取場強檢測問題和越區切換成功率兩個檢測項目，亟需一個綜合各項測試項目的評價方法。

目前，我國鐵路工務、供電專業對基礎設施運行質量評價進行了深入研究，軌道質量指數TQI[7-9]、接觸網運行質量指數CQI[10-12]已在現場廣泛應用。通信專業也進行了初步研究，馬良徳等[13]從動態檢測、接口監測和網管數據中選取測試項目作為評價依據，采用模糊層次分析法計算權重，構建了GSM-R服務質量評價模型，但在實際運用中還存在一些不足：一是選取的測試項目較多，某些測試結果獲取較難，評價結果難以計算；二是評價模型沒有納入部分在線路特定位置發生的檢測問題，全面性不足。針對以上問題，從指標選取和評價體系方面對模型進行優化，提出以動態檢測項目和檢測問題為評價依據的GSM-R網絡質量綜合評價方法，并基于實際檢測數據對評價方法進行驗證和應用分析。

2 GSM-R網絡質量綜合評價項目及權重

2.1 選取評價項目

GSM-R網絡動態檢測項目根據線路裝備的列控系統有所不同。CTCS-3和CTCS-2級列控系統的線路均對GSM-R無線場強覆蓋、語音呼叫、越區切換、話音質量和分組域(GPRS)服務質量進行測試[14]，CTCS-3線路還對電路域(CSD)服務質量進行檢測，主要包括CSD連接建立時延、端到端數據傳輸時延、傳輸干擾時間和傳輸無差錯時間等項目進行測試。GSM-R無線場強覆蓋主要關注線路是否存在場強覆蓋不滿足要求或由于設備故障導致場強覆蓋異常；語音呼叫主要關注語音呼叫建立相關指標；越區切換主要關注切換成功率及越區切換延時；話音質量主要關注話音等級和載干比統計；GPRS服務質量主要關注UDP端到端傳輸時延和FTP上傳/下載時延及吞吐量等指標。

GSM-R網絡質量綜合評價，重點選取可表征CTCS-3和CTCS-2線路GSM-R網絡實際承載業務運用情況的測試項目作為評價項目，形成評價體系及各項目測試要求標準值，如圖1所示，其中，CTCS-3線路12項，CTCS-2線路7項。由于目前GPRS服務質量測試設備不足，無法覆蓋全部高鐵線路，因此，為保證對網絡質量評價依據的統一性，分組域測試指標暫時不納入評價結果的計算。

圖1 GSM-R網絡質量評價指標體系

2.2 評價項目權重衡定

根據各項評價項目對GSM-R網絡質量影響程度，對評價項目量化賦權。基于層次分析法[15-18]將專家調查結果形成評判矩陣，為減小專家個人的評判差異對評判結果準確性影響，采用對等共識模型[19]對專家評判矩陣進行修正，使任意兩位專家之間的一致性均滿足要求，計算任意兩位專家a和b判斷的一致性程度。

(1)

式中，ICIab值越高，一致性程度越小；n為判斷指標的數量；q為判斷標度。

接著，根據上式計算出專家團隊中所有專家相互之間的判斷一致性程度。引入專家一致性控制參數ε，對于任意兩位專家a和b，若ICIab>ε，則需對判斷矩陣Aa和Ab進行修正。

(2)

(3)

(4)

(5)

當任意ICIab≤ε時，專家矩陣一致性滿足要求，認為專家們達成了共識。通常ε取1.01。各專家權重按下式計算。

(6)

結合模糊數學思想，將評價矩陣轉換為三角模糊判斷矩陣后計算得到初始權重，再將初始權重去模糊化后得到各項指標最終權重，結果如表1所示。

表1 評價指標權重

3 GSM-R網絡質量綜合評價方法

3.1 單項指標評價函數設計

利用功效函數Logsig函數[20]對不同量綱的GSM-R網絡測試項目進行歸一化處理，將各項測試項目結果范圍統一至[0，10]，且以評價結果為0表示參數達到理想狀態。按測試項目特點，可將參評指標劃分為2類，第1類指標取值越大越接近理想狀態，第2類指標取值越小越滿足測試規范，表1中的參評指標除越區切換平均時延、呼叫建立失敗概率和CSD連接建立失敗概率屬于第2類指標外，其他均為第1類指標。按照此特點可將這2類指標分別表示為式(7)、式(8)。

(7)

(8)

式中，score(xi)為每項測試項目評價函數計算得分；α和β為特定參數，依據測試項目的取值范圍、規范要求及分布規律設定參數，可使評價函數符合測試項目自身特征，從而實現單項評價。

評價函數score(xi)值域為[0，10]，為便于對線路GSM-R網絡質量規范化管理，將單個指標得到的評價函數計算各指標項換算為百分制，從而得到最終得分SCORE(xi)。

3.2 GSM-R網絡質量綜合評價模型構建

GSM-R網絡質量綜合評價指標體系涉及語音呼叫、越區切換、話音質量和CSD數據傳輸等4個方面業務，從指標中可體現線路語音質差和切換失敗等檢測問題的發生情況，但無法表征場強覆蓋不合格、場強覆蓋異常和掉話等3類檢測問題。場強覆蓋不合格問題是指線路中存在覆蓋電平不滿足線路最小可用接收電平要求，CTCS-3線路最小可用接收電平要求不低于-92 dBm，CTCS-2線路最小可用接收電平要求不低于-98 dBm[21]。若線路覆蓋電平滿足要求，但由于設備工作異常等原因導致某位置電平產生異常變化，則判定為場強覆蓋異常問題。掉話是指在語音呼叫中異常釋放。因此，對三類問題設立單獨扣分制，按各類問題對CTCS-3或CTCS-2線路GSM-R網絡質量影響的嚴重程度設定相應的分值，具體扣分規則如表2所示。線路累計扣分上限為2分，即當一條線路服務質量問題扣分總數≥2分時，均扣2分。

表2 檢測問題扣分規則

結合對GSM-R網絡評價體系中各項指標評分加權以及針對檢測問題的單獨扣分，最終GSM-R網絡質量評價指數(GQI)計算公式為

(9)

式中，N為測試指標個數，CTCS-3線路值為12，CTCS-2線路值為7；wi為指標權重值；SCORE(xi)為本線路在第xi個指標上的百分制最終基礎得分。P(X)為三類GSM-R網絡檢測問題扣分。

若因檢測設備異常等原因漏檢，導致部分測試指標缺失，可按照表1中權重比例對剩余有效指標權重進行重新劃分，保證在有個別指標缺失的情況下仍能對線路GSM-R網絡質量進行評價。但若CTCS-3線路缺失指標超過5項，或CTCS-2線路缺失指標超過3項，則判定該線路GQI計算結果無效，不予計算。

除評價鐵路全線GSM-R網絡狀態外，GQI也可按照鐵路局管轄范圍對線路進行評估，從而實現評價全局管轄所有GSM-R網絡的整體狀況。根據各路局不同線路里程長度，加權計算各路局每月平均GQI，具體計算公式為

(10)

式中，N為路局C管轄線路總數量；GQI(n) 為該路局管內第n條線路GQI值；L(n)為該路局管內第n條線路里程長度；GQIC為路局C最終平均GQI。

全路路局總平均GQI按路局數量進行平均，具體計算公式為

(11)

式中，M為參與計算的路局數量；GQI(m)為第m個路局的GQI值；GQIaverage為全路路局總平均GQI。

4 評價方法應用

選取6條CTCS-3線路實際通信動態檢測數據，驗證GSM-R網絡質量綜合評價模型的合理性、有效性和準確性。對各線路的切換成功率、連接建立時間<5 s(10 s)概率、連接建立失敗概率等12項測試指標分別進行評價，每條線路單項指標評價結果分布如圖2所示，線路參評項目評分見表3。

由圖2和表3可知，線路A連接建立失敗概率為1.57%，不滿足指標要求(不高于1%)，因此，CSDPCEF評分較低，僅為84.29，導致CSD測試項目評分為98.02。線路B越區切換平均延時為246 ms，與全路平均值相比偏高，因此，AHODLY評分略低，僅為94.76，導致最終越區切換項目分數為98.46。線路C傳輸干擾時間<1.0 s的概率為98.81%，不滿足指標要求(不低于99%)，因此，指標TTI1評分僅為85.25，導致CSD測試項目評分為97.17。線路D傳輸無差錯時間>20 s的概率為94.06%，傳輸無差錯時間>7 s的概率95.41%，TREC20和TREC7兩項指標均不滿足指標要求(不低于95%、不低于99%)，因此，評分分別為87.91和84，導致CSD測試項目評分為94.71。線路E越區切換平均延時為246 ms，與全路平均值相比偏高，AHODLY指標評分為94.76，C/I≥12的百分比為95.65%，低于全路平均值，CI指標評分為95.82，導致該線路越區切換、話音質量測試項目評分分別為98.46和98.01；此外，線路E的CSD傳輸干擾時間和傳輸無差錯時間在部分線路里程位置出現異常，如圖3所示，最終全線傳輸干擾時間<0.8 s的概率為95.8%，傳輸干擾時間<1.0 s的概率為97.6%，傳輸無差錯時間>20 s的概率為93.4%，傳輸無差錯時間>7 s的概率為94.6%，均不滿足指標要求，最終導致CSD測試項目評分僅為90.65。線路F各項目評分較高，測試指標結果均良好，未發現異常。

圖2 CTCS-3線路指標評價分布

圖3 線路E CSD傳輸干擾率指標分布

依據各測試項目所占權重，計算6條CTCS-3線路最終GQI分別為98.86，99.7，98.34，96.92，94.05，99.97，見表3。

表3 CTCS-3線路參評項目評分

選取6條CTCS-2線路，對各線路的切換成功率、呼叫建立失敗概率、話音等級≤4級的百分比等7項測試指標分別進行評價，每條線路單項指標評價結果分布如圖4所示，線路參評項目評分見表4。

圖4 CTCS-2線路指標評價分布

由圖4和表4可知，線路G切換成功率為94.12%，不滿足指標要求(不低于99.5%)，HOSR指標評價得分僅為88.13，導致越區切換項目評分為91.51。線路H呼叫建立失敗概率為2.27%，不符合指標要求(不高于1%)，PCEF指標評價得分為84，導致語音呼叫項目評分為92.9。線路I連接建立時間<7.5 s(15 s)的概率為98.99%，略低于指標要求(不低于99%)，因此，PTCE7.5指標得分91.48，導致該項目總體得分為97.74。線路J載干比C/I≥12的百分比為95.21%，低于全路平均值，CI指標得分93.33，最終導致話音質量項目評分為96.80。線路K各項測試指標均無異常，但檢測發現一處場強覆蓋異常問題，因此，在線路GQI中扣除0.2分。線路L切換成功率為82.35%，遠低于指標要求，導致越區切換項目評分僅為88.14；在線路L下行檢測中，載干比持續低于12，話音等級多處超過4級，導致語音質差，如圖5所示，因此，線路C/I≥12的百分比為81.19%，話音等級≤4級的百分比為91.17%，導致話音質量項目最終評分僅為84.1。

按照各測試項目所占權重，計算6條CTCS-2線路最終GQI分別為97.2，97.53，99.24，98.92，99.72，90.64，見表4。

表4 CTCS-2線路參評項目評分

圖5 線路L話音等級及載干比分布

GSM-R網絡質量綜合評價方法除可以對線路進行整體評價外，還可對同一條線路的不同路局管轄范圍內的區間段分別作GQI評價。選取某CTCS-3級線路及其管轄的3個路局動態檢測數據計算GQI，分布如圖6所示。從圖6可以看出，各路局在越區切換、語音呼叫和話音質量等3個項目測試評分均接近100，而在CSD數據傳輸測試項目方面，路局a和b均存在不滿足指標要求的情況，導致該測試項目評分分別為94.19和96.47，而路局c由于指標均合格評分為99.98，最終3個路局GQI評分分別為96.66，97.97，99.98，分數及排序符合預期。

圖6 某線路區分管轄路局GQI分布

5 結語

基于現有GSM-R服務質量評價模型基礎上對其進行優化，提出了更易于實現、評價依據更加合理的GSM-R網絡質量綜合評價方法。本評價方法基于動態檢測項目和檢測問題，實現了對不同列控等級線路的GSM-R網絡質量的綜合評價。結合實際CTCS-3線路和CTCS-2線路動態檢測數據，對評價方法進行應用，并對結果進行了驗證分析。

通過評價結果分析可知，GSM-R網絡質量綜合評價方法綜合語音呼叫、越區切換、話音質量和CSD數據傳輸等項目測試結果，以及無線場強覆蓋和掉話問題發生情況，可以合理、直觀地描述線路GSM-R網絡整體運行狀態，并可對各測試項目單獨進行定量評價和分析。通過計算分析各鐵路線路GQI，為GSM-R動態檢測數據趨勢分析、GSM-R網絡質量影響因素分析和GSM-R無線網絡管理決策提供支持。