鐵路GSM-R系統高速適應性測試及分析

田 園，梁軼群，3，4，蔣 韻，3，高尚勇，3，李岸寧，李 德

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,北京 100081; 2.北京華鐵信息技術有限公司,北京 100081; 3.國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心,北京 100081; 4.中國鐵道科學研究院研究生部,北京 100081)

引言

鐵路技術水平的不斷提高助推了高速鐵路向更高速度、更安全舒適、更高標準的方向發展[1]:日本的ALFA-X高速試驗車最高試驗速度已經達到400 km/h,預計運營速度為360 km/h[2];英國政府于2017年計劃建設最高設計速度400 km/h的高速鐵路;意大利于2015年研制出測試速度達到390 km/h的高速列車[3],投入運營前在意大利佛羅倫薩、捷克Velim環形試驗線開展了400 km/h的走行動力性能、受電弓性能、線路、空氣動力學和氣流噪聲等試驗;2015年6月,中鐵二院中標了400 km/h的俄羅斯莫斯科—喀山高速鐵路設計項目[4]。我國復興號CR400系列高速動車組已經達到350 km/h的運營速度[5],高速列車技術發展成熟,較為先進,已具備向更高速度提速的潛力,需要對鐵路GSM-R系統高速適應性相關指標進行測試及分析。

GSM-R系統是專用于鐵路的綜合數字無線通信系統,為保證列車運行的安全性和可靠性,定期開展GSM-R系統全面檢測工作及高速條件下GSM-R系統適應性研究具有重要意義[6]。于曉泉[7]等針對列車運營速度提升至400 km/h的需求,對現有信號系統進行高速適應性分析,針對存在的主要問題提出適配性修改方案;張大林等[8]基于TRDP協議構建服務質量參數實時檢測平臺,對最大時延抖動、丟包情況、亂序情況、吞吐量等參數進行實時檢測及統計性分析,對列車車載網絡的安全性和可靠性加以驗證;代賽等[9]研究GSM-R系統在列車運營速度超過350 km/h的高速適應性,通過搭建半實物仿真系統開展QoS測試,分析越區切換場景下速度對服務質量的影響;劉樹楷[10]提出需要建立全路數據共享平臺以便各個部門及時得到數據,在數據共享平臺基礎上搭建數據檢測/監測平臺,對數據進行分析,可用于評估網絡質量,最后提出了構建該平臺需要解決的關鍵技術;DU等[11]通過分析、訓練瞬時頻率直方圖在時域的統計特征,提出了一種GSM-R網絡帶內干擾檢測與預警的新方法,并且通過實驗證明了在實際應用中該方法的有效性;CAO等[12]使用確定性和隨機Petri網(DSPN)對單MT、冗余熱備的MT和列車前后有2個冗余的MT 3種場景進行仿真,得出在所有情況下,傳輸延遲都能滿足標準要求的結論,尤其是對于冗余的MT和網絡,其概率結果大于99.996%。因此,CTCS-3中的傳輸延遲標準有必要得到改進。

國內外已經對350 km/h以上速度級列車進行了研究,但尚無400 km/h成熟運營的高速列車。國內既有的GSM-R評價指標及標準、評價技術可能無法完全滿足未來更高運營速度的要求,國外也沒有成熟的技術體系可以參考借鑒,所以鐵路GSM-R系統高速適應性指標的分析研究顯得尤為重要。通過對試驗數據的相關分析,可以幫助我們對高速鐵路GSM-R系統的關鍵參數進行研究,從而為中國高速鐵路的不斷發展以及實施中國高鐵"走出去"的戰略提供理論依據與科技保障[13]。

1 高速鐵路GSM-R系統動態檢測方案

1.1 測試環境搭建

1.1.1 測試方案

本文測試環境選在高速列車車廂內,使用場強測量接收機連接車頂天線,對GSM-R系統網絡覆蓋情況進行測試。PC端安裝測試軟件控制各儀表,獲取接收電平、CSD連接建立時延和失敗率、CSD數據傳輸端到端時延和丟包率、CSD連接丟失率、GPRS傳輸延時、丟包率、峰值吞吐量、平均吞吐量等數據。測試設備連接示意見圖1。

圖1 GSM-R系統動態測試環境示意Fig.1 GSM-R system dynamic test environment schematics

1.1.2 試驗系統參數

測試中沿線基站數量、平均站間距及設備參數具體如表1所示。

表1 試驗系統參數Table 1 Test system parameters

1.2 速度級的選取原則

國家鐵路局將高速鐵路新建設計時速定義為250 km(含)至350 km(含)[14]。國家發改委將中國高速鐵路定義為時速250 km及以上的新線或既有線鐵路[15]。250 km/h一般為受到高鐵線路標準制約的高鐵時速,例如昌九高鐵、青榮高鐵、南廣高鐵等。300 km/h和350 km/h為高鐵的典型運營速度。380 km/h是以350 km/h的10%上浮計算的高鐵驗收速度。400 km/h及以上速度等級為高速鐵路下一步逐級提速后的目標速度。因此,依照以上內容,測試數據分別選取250,300,350,380 km/h以及400 km/h五個等級。

2 不同速度級GSM-R系統的指標測試及適用性分析

本文選擇搭載高速動車組在列車最高試驗速度為420 km/h條件下進行試驗,試驗關鍵指標如下。

(1)GSM-R系統最小可用接收電平。

(2)GSM-R列控類電路數據傳輸特性。

(3)不同傳輸速率CSD傳輸特性。

(4)GPRS數據傳輸特性。

通過對試驗數據的進一步分析得到更高速度下GSM-R系統關鍵技術參數。

2.1 最小可用接收電平數據分析

通過對試驗數據進行分析,按不同速度等級對接收電平與通話質量RxQual的關系進行統計,結果如圖2所示。

圖2 接收電平與通話質量RxQual的關系Fig.2 The relationship between receiving level and call quality RxQual

對統計結果進行匯總,可得到:當滿足RxQual≤4級要求時,不同運行速度條件下的最小可用接收電平見表2。

表2 RxQual≤4(95%)時最小可用接收電平統計Table 2 Minimum available receiving level statistics when RxQual≤4(95%)

從表2可以看出,當列車運行速度等級為380 km/h時,實際測試得到的系統最小可用接收電平最佳,這與測試段的GSM-R網絡主要針對列車運行速度380 km/h進行了網絡優化有關。這也從一個側面表明,通過網絡優化和相關參數的調整,GSM-R系統能更好適應不同運營速度等級的需求。

為避免網絡優化對GSM-R網絡服務質量結果產生影響,本文給出最小接收電平不同速度的建議取值要求如下:250～380 km/h時,選擇最小可用接收電平的最差情況-81 dBm;400 km/h時,最小可用接收電平取為-79 dBm。

針對GSM-R無線覆蓋和服務質量情況,國際鐵路聯盟UIC制定了相關標準和技術規范[16],其中要求列車運行速度高于280 km/h條件下滿足列控類CSD數據傳輸要求的GSM-R系統最小可用接收電平為不低于-92 dBm。UIC制定的標準要求環境底噪電平最小不小于-105 dBm,而我國由于通信系統較多導致在實際情況下電磁底噪偏高,所以UIC標準不能直接作為我國鐵路測試標準。根據實際測試結果,我國鐵路沿線GSM-R頻段內的電磁環境底噪一般高達-90～-95 dBm。圖3為試驗段實際測試的某個基站范圍內GSM-R頻段電磁環境頻譜圖。

圖3 試驗段基站GSM-R頻段電磁環境頻譜Fig.3 Test section base station GSM-R band electromagnetic environment spectrum

如果按GSM-R頻段內的電磁環境平均底噪電平為-95 dBm計算,試驗得到的最小可用接收電平-81,-79 dBm所對應的C/I(載波/干擾)分別為14,16 dB,剛好能滿足GSM-R網絡中“同頻道干擾保護比:C/I(載波/干擾)≥12 dB”的要求[17]。因此,通過試驗數據統計得到的GSM-R系統最小接收電平取為-81 dBm(380 km/h速度等級)、-79 dBm(400 km/h速度等級)符合我國高速鐵路沿線電磁環境底噪聲較高的現狀。

2.2 列控類電路數據傳輸特性數據分析

GSM-R系統列控類電路數據傳輸特性的試驗包括以下5項指標[18-19]。

(1)CSD連接建立時延和失敗率。

(2)CSD數據傳輸端到端時延和丟包率。

(3)CSD連接丟失率。

(4)CSD傳輸干擾時間。

(5)CSD傳輸無差錯時間。

試驗中CSD連接建立時延和失敗率的測試數據如表3所示。

表3 CSD連接建立時延和失敗率試驗數據Table 3 CSD connection establishment delay and failure rate test data

在列車高速運行條件下,CSD連接建立時延和失敗率指標滿足相關標準的要求[20]。

試驗中CSD數據傳輸端到端時延和丟包率的測試數據見表4。

表4 CSD數據傳輸端到端時延和丟包率試驗數據Table 4 CSD data transmission end-to-end delay and packet loss rate test data

在列車高速運行條件下,CSD數據傳輸端到端時延指標滿足相關標準的要求。

試驗中CSD連接丟失率的測試數據見表5。

表5 CSD連接丟失率試驗數據Table 5 CSD connection loss rate test data

在列車高速運行條件下,CSD連接丟失率指標滿足相關標準的要求。

試驗中CSD傳輸干擾時間的測試數據見表6。

表6 CSD傳輸干擾時間試驗數據Table 6 CSD transmission interference time test data

在列車高速運行條件下,CSD傳輸干擾時間指標滿足相關標準的要求。

試驗中CSD傳輸無差錯時間的測試數據見表7。

表7 CSD傳輸無差錯時間試驗數據Table 7 CSD transmits error-free time test data

在列車高速運行條件下,CSD傳輸無差錯時間指標滿足相關標準的要求。

列車運行速度300～420 km/h時, GSM-R系統列控類CSD服務質量滿足標準要求。

對統計結果進行匯總,得到不同速度級別下CSD傳輸連接建立時延及失敗率的變化情況,結果如圖4所示;不同速度級別下CSD數據傳輸端到端時延的變化情況,結果如圖5所示;不同速度級別下傳輸干擾時間的變化情況,結果如圖6所示。

圖4 CSD傳輸連接建立時延及失敗率與速度的關系統計結果Fig.4 Statistical results of the relationship between CSD transmission connection establishment delay and failure rate and speed

圖5 CSD數據傳輸端到端時延與速度的關系統計結果Fig.5 Statistical results of the relationship between end-to-end delay and speed of CSD data transmission

圖6 CSD傳輸干擾時間試驗數據Fig.6 CSD transmission interference time test data

不同速度等級條件下,CSD傳輸連接建立時延及失敗率與速度沒有明顯的關系,速度對CSD傳輸連接建立時延及失敗率幾乎沒有影響。

不同速度等級條件下的CSD數據傳輸端到端時延99%統計值約為420 ms,差值<7 ms。CSD數據傳輸端到端時延與列車運行速度沒有關系。

對于CSD傳輸干擾率而言,CSD傳輸干擾時間是關注的重點。這里重點對CSD傳輸干擾時間與速度的關系進行分析。

不同速度等級條件下的CSD傳輸干擾時間95%統計值相差不大,變化不明顯。速度對CSD傳輸干擾時間的影響較小,可以認為基本沒有影響。

列車運行速度300～420 km/h條件下,速度對列控類電路數據傳輸特性基本沒有影響。

2.3 GPRS數據傳輸特性分析

試驗中進行了GPRS數據傳輸特性的測試,包括傳輸延時、丟包率、峰值吞吐量、平均吞吐量等[21]。

2.3.1 GPRS傳輸延時

GPRS傳輸延時及丟包率試驗數據見表8。

表8 GPRS傳輸延時測試數據Table 8 GPRS transmission delay test data

與行車相關的業務對GPRS時延要求較高,根據GPRS時延等級的評價標準[22],需達到1級。綜合表8測試結果,實際測試中,GPRS傳輸延時達到1級,符合標準要求。

按不同延時等級對GPRS傳輸延時試驗數據進行分類統計,結果見表9。

表9 GPRS傳輸延時分類統計數據Table 9 GPRS transmission delay classification statistical data

按照CTCS-3級列控系統對數據傳輸延時的要求,CSD數據端到端傳輸延時(40字節數據包)的99%統計值應小于500 ms。表8中,128字節數據包GPRS傳輸延時的99%統計值為475 ms,達到小于500 ms的要求。表9中,傳輸延時小于500 ms的比例為99.27%,達到高于99%的要求。試驗中使用的是128字節的數據包,若使用40字節的列控數據包,傳輸時延還會減小。從試驗結果看, GPRS數據傳輸方式可以滿足列控系統端到端傳輸延時99%小于500 ms的要求。

2.3.2 GPRS數據吞吐量

GPRS數據吞吐量試驗數據見表10。進行下行GPRS數據吞吐量測試時的動車組最高運行速度約為421 km/h,進行上行GPRS數據吞吐量測試時的動車組最高運行速度則約為416 km/h。

表10 GPRS數據吞吐量測試數據Table 10 GPRS data throughput test data

根據GPRS數據吞吐量級別的評價標準,在列車高速運行條件下,GPRS數據傳輸指標均能滿足標準中對GPRS業務QoS指標的要求,具體等級對應情況見表11。

表11 GPRS數據傳輸指標等級對應Table 11 GPRS data transmission index level corresponding

2.3.3 GPRS傳輸延時與速度關系

對GPRS傳輸延時的測試數據按照不同速度級別進行分類分析和統計,結果見表12。

表12 GPRS傳輸延時不同速度級別統計結果Table 12 GPRS transmission delay statistical results of different speed levels

從表12可知,不同速度等級下GPRS傳輸平均延時在173～181 ms之間,差距不大,與速度沒有明顯的相關性。

對GPRS傳輸95%延時測試數據的統計結果按照不同速度等級繪制變化趨勢圖,結果見圖7。

圖7 GPRS傳輸95%延時實驗數據統計結果Fig.7 GPRS 95% transmission delay experimental data statistics results

從圖7可以看出,不同速度等級下GPRS傳輸95%延時在188～257 ms之間,變化范圍略大。其中,在列車速度為300～330 km/h及高于390 km/h時GPRS傳輸95%延時值略大,為257 ms,可能與這兩個速度級別下樣本數略少影響95%統計值有關。如果排除這2個樣本點,可以看出隨著速度的增加,GPRS傳輸95%延時略有增加,但增加值較小,速度對GPRS傳輸95%延時值的影響較小。

2.3.4 GPRS數據吞吐量與速度關系

對不同速度等級下的GPRS下行和上行數據傳輸吞吐量測試數據進行統計,結果分別見表13和表14。

表13 GPRS數據吞吐量(下行)不同速度級別統計結果Table 13 Statistical results of data throughput (downlink) at different speed levels

表14 GPRS數據吞吐量(上行)不同速度級別統計結果Table 14 Statistical results of data throughput (uplink) at different speed levels

從表14中可以看出,隨著速度的增加, GPRS數據傳輸平均吞吐量未見明顯下降。理論上,隨著速度的增加產生快衰落,終端接收到的信號較弱,導致誤碼率增加,丟包率和重傳次數增多,吞吐量降低。但實際測試中,終端接收信號大部分保持在-70 dBm以上,高于-81 dBm(380 km/h等級)、-79 dBm(400 km/h等級),滿足最小可用接收電平要求,即使移動終端出現瞬時較深的衰落,實際接收信號也遠好于其接收靈敏度,不會影響GPRS數據的傳輸,所以GPRS數據傳輸吞吐量沒有明顯變化。

3 結論

我國目前已建成了現代化的鐵路網以及發達的高鐵網,正在加快推進交通強國鐵路先行規劃綱要。400 km/h的高速鐵路是未來世界鐵路的發展趨勢,列車速度的提高需要各系統保持健康的服役狀態,因此,各系統在高速環境下適應性的測試與研究尤為重要。

GSM-R系統多年來在鐵路的運輸中發揮了重要作用。本文對不同速度級GSM-R系統指標的測試結果進行了研究分析,得出更高速度下GSM-R系統關鍵技術參數的適應性結論如下。

(1)更高速度下,建議根據我國高速鐵路沿線電磁環境底噪聲較高的現狀和實測數據將GSM-R系統最小接收電平要求從目前的-92 dBm按照速度等級不同分別修改為-81 dBm(380 km/h)、-79 dBm(400 km/h)。

(2)列車運行速度為300～420 km/h時,速度對列控類電路數據傳輸特性指標基本沒有影響,GSM-R系統列控類CSD服務質量具有良好的高速適應性。

(3)列車運行速度為300～420 km/h時,GSM-R系統GPRS數據傳輸特性高速適應性較好。在接收電平較好的條件下,速度對GPRS傳輸延時、吞吐量等關鍵指標沒有明顯影響。

綜上,本文對GSM-R系統在高速條件下的適應性進行了評價,為我國實現開通更高速度鐵路提供了技術參考,并為我國實現更高水平高速鐵路技術的引領提供了技術支撐。