基于GSM-R的移動通信無線信道傳輸特性分析

胡雯雯

摘要：隨著信息技術的不斷進步，高速鐵路行業也取得了顯著發展，其中GSM-R無線通信網絡的發展和應用功不可沒。隨著鐵路速度的增加，通信信道穩定性和可靠性成為一個挑戰，通信中經常出現數據傳錯、延遲和越區切換等問題。本文旨在基于GSM-R無線通信系統，分析列車在高速行駛過程中進行越區切換時，無線信道數據傳輸的可靠性，以保證高速列車的實時高質量通信。

關鍵詞：GSM-R，無線信道，越區切換，通信質量

隨著我國高鐵和無線通信技術的不斷發展，無線通信技術和高鐵的密切結合將成為經濟快速發展的新動力。在未來，隨著無線通信技術水平不斷提高，人們的需求也會隨之增大，特別是對于傳輸速率和通信質量的需求。隨著高鐵的行駛速度不斷提升，有的時速甚至達到350km以上，信道的傳輸特性也將會發生變化。因此，如何在不斷變化的信道中實現高質量傳輸成為無線通信研究領域的熱點。只有不斷提高信號在具有時變特性的信道中的穩定性，才能規劃出符合高速列車特點的無線通信系統[1]。

GSM-R是專門用于滿足高鐵通信需求的無線通信系統。在高速鐵路系統中，GSM-R是不可或缺的一部分，它解決了高鐵在通信業務方面的各種需求。但高速鐵路系統中的通信仍面臨著一些挑戰，其中數據信號在無線信道上的傳輸有效性和可靠性是關注的重點[2]，在實際應用中，越區切換阻塞等問題經常發生。這主要歸因于沿線環境的復雜性以及列車高速行駛的影響，這些因素都嚴重影響了信號在無線信道中的傳輸質量[3]。

在鐵路領域中，國際鐵路聯盟對專用調度通信有具體的要求，因此GSM-R系統為了滿足這些要求，在GSM（全球系統移動通信）的基礎上添加了通用集群和調度通信的功能。GSM-R系統基于GSM技術標準，專注于鐵路應用。在20世紀90年代，國際鐵路聯盟與歐洲電信標準組織共同提出了下一代鐵路通信系統的標準技術。

隨后，GSM-R系統成為車地之間進行信息傳遞的鐵路專用通信系統。為了滿足鐵路運輸通信和調度指揮的需求，根據國家規劃，正在建設“八橫八縱”鐵路網。在這個規劃中，GSM-R網絡被用來實現全部覆蓋，以提升鐵路網服務的全面性[4]。這意味著GSM-R系統在鐵路通信中發揮著重要的作用。

一、GSM-R移動通信系統

（一）GSM-R系統概述

GSM-R系統主要設備包括地面設備、車載設備以及車的傳輸設備。通過車載設備和地面通信站之間的信息傳遞，地面通信站可以處理覆蓋范圍內列車的信息，并將其傳輸給列車。這樣，列車就可以正常有序地運行[5]。GSM-R系統結構如圖1所示。

在GSM-R系統中，數字傳輸系統是連接各子系統的傳輸信道，其中包括為提供相關服務所需要的傳輸設備或單元，比如傳輸光纜、傳輸電纜以及其他相關傳輸設備等[6]。

在鐵路運輸中，列車在行駛過程中需要進行無線電通信，例如在固定點和移動點之間，或者移動點之間進行通信。這種通信是為了確保列車能夠進行高效可靠的信息交流，以保障列車的安全運行，并防止作業事故的發生[6]。

（二）GSM-R相關技術

1.調制技術

在無線移動通信系統中，頻率較高的信號需要采用調制技術進行有效傳輸。隨著列車速度的增加，無線傳輸信道不斷變化，即使是相鄰字符間的無線傳輸信道特性也存在差異。為了改善快速衰落特性和多普勒頻移效應，以實現最大吞吐量，通常采用高斯濾波最小頻移鍵控調制方式進行無線通信[7]。

2.交織技術

列車通常以較高的速度行駛，因此GSM-R系統無線傳輸信道具有不穩定性。盡管交織技術可以糾正一個或者少量個數的誤比特[7]，但是當無線傳輸信道受到強烈干擾并發生頻繁變化時，會導致相連的誤比特增多，此時交織技術可能無法完全糾正。

二、基于GSM-R的移動通信無線信道

（一）基于GSM-R無線信道特性分析

在高速鐵路通信系統中，無線傳輸信道與一般的固定通信網的信道存在差異。高速鐵路通信系統中的無線傳輸信道面臨更加復雜的地理環境，例如列車高速行駛時，信號的接收功率會發生一定的損耗。此外，信號在復雜多變的傳輸環境中也會發生變化，從而影響通信質量。正是由于無線傳輸信道的不確定性，使得無線通信系統的穩定性還有待提升。

1.同頻干擾

頻率復用是一種常用的無線通信技術，但它也會引發同頻干擾問題。當有用信號和干擾信號共用同一頻率時，它們在放大和調頻過程中可能混淆在一起，導致接收機性能下降，阻塞或降低接收靈敏度，以及通信質量下降等嚴重后果[8]。為了提高GSM-R系統的頻率利用率，人們必須在考慮同頻干擾的情況下，合理調整同頻小區之間的間隔。

2.通話質量和傳輸干擾

衡量無線移動通信傳輸的有效標準是通話質量，它能夠直接反映無線移動通信系統的水平。通話質量通過計算信道編碼前的錯誤比特率的平均值來衡量，因此它直接影響通信質量的好壞，并且可用作評估傳輸干擾程度和信號在無線信道中可靠傳輸的標準之一。在GSM-R系統中，RxQual用于表示接收端接收到的通信數據的期望值，取值范圍為0至7[8]，如表1所示。

根據表1中的數據，當通話質量達到4級及以上時，誤比特率超過1.6%，平均值為2.26%。這表明存在較大的傳輸干擾。因此，可以得出結論：誤比特率越高，傳輸干擾就越大。但通話質量的好壞不僅僅由傳輸干擾因素決定，還受到其他不同的干擾因素的影響。因此，僅僅通過改善誤比特率并不能直接改善通話質量或用于實際的信號傳輸控制。在研究信號傳輸干擾時，人們需要綜合考慮不同的干擾因素的影響。

（二）基于GSM-R無線通信的越區切換分析

GSM-R無線通信網絡是高速鐵路運行的基礎和保障。它主要沿著鐵路線逐步擴大網絡覆蓋范圍，形成一個穩定且獨特的網絡結構。這種網絡結構可以有效支持高速列車在更高的速度下完成高質量的通信。由于網絡分布的特點，GSM-R無線通信網絡采用線狀覆蓋的方式（如圖2所示），這種覆蓋形式不僅降低了相鄰小區之間的距離和數量，還為小區的最優選擇和高效切換提供了有力的保障。

越區切換是指高速列車從一個網絡區切換到另一個網絡區的過程，或者是語音信號從一個信道切換到另一個信道的過程。這種切換是為了保持語音信號的正常傳輸，以應對網絡覆蓋范圍的變化或信道質量的變差。

為了保證語音通信信號傳輸的穩定性，一種常見的做法是將語音傳輸信道連接到新的空閑語音信道上，以避免受到其他通信或干擾源的影響，提高語音傳輸的質量和可靠性。對于無線通信系統來說，越區切換失敗、切換位置錯誤以及切換頻繁等問題都可能導致性能變差。在實際應用中，GSM-R系統的越區切換成功率通常較高，但仍然存在切換頻繁甚至不合理的情況。

針對這一問題，在鐵路數字移動無線通信系統GSM-R中，可以通過調整越區切換的兩個小區切換時間和切換距離來科學進行控制，以控制無線通信網絡的覆蓋范圍。通過這樣的調整，即使發生越區切換失敗，列車仍有足夠的時間和距離去進行第二次越區切換[9]。另外，在保證鐵路數字移動通信系統GSM-R符合350km/h的運行速度要求[10]的前提下，還可以提高越區切換的效率，并將前后兩次越區切換的時間控制在10秒以內。這樣一來，可以提高越區切換的效率和效果，同時提高通信的有效性和可靠性。

三、GSM-R越區切換模型及仿真分析

在GSM-R模型中，越區切換的信息處理時間平均值為0.5s，圖3為GSM-R越區切換的Petri網模型。

在GSM-R系統中，時延要求分別為0.5s（95％）、1.2s（99％）和2.4s（99.99％）。在Time NET中進行仿真分析，P1為越區切換的概率，P2為切換后狀態概率，P3為RBC處理后狀態概率。

圖4是GSM-R發生越區切換的仿真概率曲線，運行時間為10秒。從圖可以看出，越區切換的概率在0.4%～0.8%之間波動，也就是GSM-R越區切換發生的平均值在0.6%左右。當時間趨于無窮大時，其概率為0.589%，仿真結果與GSM-R技術標準接近。

從圖P2和P3中，在t=0時刻時，此時P2的概率為100%，同樣在t=0時刻，P3對應的概率為0。通過圖5和圖6分析得到：P2和P3的概率和為定值，即說明了進行越區切換的P為定值，基于GSM-R切換時通信的穩定性得到了保障。

四、結束語

綜上所述，通過對基于GSM-R的通信系統中的無線信道進行優化，可以提升通信的穩定性和質量，從而保證信號傳輸的可靠性。通過調整越區切換的小區切換時間和切換距離，以及控制無線通信網絡的覆蓋距離，可以提高通信系統的性能，減少切換頻率和錯誤，進一步提升通信的有效性和可靠性。這樣的優化措施確保了在GSM-R通信系統中的信號傳輸具有較高的可靠性，為用戶提供了更為穩定的通信質量和服務。