GSM-R系统服务质量和接收电平关系的分析与研究

■ 蔺伟 王学军 沈京川 蒋志勇

GSM-R系统作为我国高速铁路通信的基础装备，不仅实现了列车无线调度通信，还承载了列车运行控制的数据通信，满足包括CTCS-3级列控业务在内的铁路应用业务安全可靠性需求，成为GSM-R系统建设的关键。影响GSM-R系统承载铁路应用业务安全可靠性的关键参数主要有最小可用接收电平、电波传播特性等指标。

通过理论计算、仿真与试验测试等综合方法，以及论述高速铁路GSM-R系统服务质量和接收电平关系，提出关键参数取值，为提高GSM-R系统承载CTCS-3级列控等铁路应用业务的可靠性提供参考数据。

1 最小可用接收电平

最小可用接收电平指在GSM-R系统满足规定可靠性和服务质量指标时，机车车顶天线处的最小接收电平[1]。参照接收机的噪声门限，结合我国铁路沿线典型的电磁环境，对最小可用接收电平进行理论推算和仿真。基于300～350 km/h列车运行速度条件下的实测数据，统计分析服务质量中最为关键的接收质量（RxQua l）和CSD传输干扰率两个指标与接收电平的关系。通过理论计算仿真和实测数据统计，初步获得最小可用接收电平的取值区间。

1.1 理论计算和仿真

当接收机噪声门限（以BER的形式给出）确定时，可用接收机的噪声系数（NF）表示其接收的灵敏度Si（dBm），如公式（1）所示。

式中：S0/N0为确保BER小于噪声门限时接收机输出的信噪比；Ni为接收机输入噪声功率，Ni=k T·B，其中k=1.38×10-23J/K，是波尔兹曼常数；T为绝对温度（K）；B为噪声带宽（Hz）。

最小可用信号接收功率SRmin与接收机输出噪声比关系如公式（2）所示。

根据0.3 GM SK信号的解调原理， BER理论值Pe表示见公式（3）[2]。

可得SR0/NR0与BER的关系：

GSM-R系统最小可用接收电平的估算模型则为：

根据公式（5），载噪比C/N仿真计算参数取值如下：

（1）GSM-R调制参数。铁路GSM-R系统采用0.3 GM SK调制方式：B·T=0.3；Rb=270.833 kb/s，B=200 kHz。

（2）信道编码增益。数值仿真时设系统信道编码增益Gp=0 dB。

（3）误码率。按照UIC《GSM-R系统建设和实施指南》要求，接收信号质量（R x Q u a l）95％的结果应不大于4级。以此作为服务质量指标，计算最小接收电平。R xQual=4级时，对应的BER为1.6％～3.2％[2]。

（4）GSM-R移动终端接收机指标。接收机天馈匹配阻抗R=50Ω；NF要求在3～6 d B，仿真计算时取6 dB。

根据上述条件，利用公式（5）数值仿真计算不同误码率要求的载噪比（见图1）[3]。

根据图1的仿真结果，当NF=6 dB、Gp=0 dB时，移动终端接收机天线处输入端射频信号CNR不小于13.285 d B，即可保证系统BER≤3.2％。

G S M-R系统采用的码率尺=1/2，约束长度=5，其d∞=7，因此编码增益Gp=2.43 d B[4]。GSM-R系统所需C/N应大于或等于7.855 d B（N F=3 d B条件下）/10.855 d B（NF=6 dB条件下）。实测铁路沿线清频后的GSM-R系统电磁环境噪声Nitotal约为-92 dBm。

根据上述条件，结合C/N的指标要求，得到在铁路沿线典型电磁环境背景噪声下，GSM-R系统的最小可用接收电平为-84～-81 dBm。

1.2 测试条件

测试区段基站分布见图2，关闭与被测基站相邻有关系的其他基站。被测基站间距平均约12 km，在列车运行速度为300～350 km/h的平原区段，测试不同接收电平和服务质量的关系，以确定最小可用接收电平。

1.3 R xQual与接收电平的关系

对应不同的接收电平，将R x Q u a l分组，统计出不同接收电平条件下R xQua l≤4的分布（见图3）。

为满足国际铁路联盟（U IC）提出的在R xQual 95％概率条件下统计结果小于或等于4级的要求，根据

R xQ ua l≤4在不同接收电平条件下的分布，当列车运行速度为300～350 km/h时，最小可用接收电平取-83 dBm。

1.4 CSD传输干扰率与接收电平的关系

经过网络优化，可使基站小区切换间隔时间大于20 s。假设不是因切换造成的误包次数为m，基站小区个数为n，为满足非切换原因造成的误包次数占总误包次数的比例小于5％，则两者的关系为：

测试数据是在列车运行速度300～350 km/h的条件下获得，平均列车运行速度为330 km/h。目前，CTCS-3级列控区段的基站平均间距为3 km，切换间隔的平均时间约32.7 s。测试CSD数据传输干扰率采用4.8 kb/s 40字节数据包测试，数据包的发送间隔10 m s，发送一帧数据的平均时间为40×8/4 800+10=76 m s。由于模块需要一定的处理时间，实测数据统计表明，发送一帧数据的平均时间约85 m s。两次切换之间平均可发送约385个数据包。分析和统计非切换误包的测试数据，在每次发生非切换引起的CSD干扰时，数据连续误包数集中在2～4包，平均为3包。因此，为达到传输无差错时间＞20 s（95％）的指标要求[5]，非切换引起的CSD数据误包率应不超过：BLER=3/385×5.26％=0.041％。对测试数据统计可得，CSD数据传输全部样本的误包率为2.3％。

CSD误码与接收电平分布见图4。当R x Le v≥-8 2 d B m时，C S D误包数占误包样本总数的比例小于1.36％，对应的误包率为2.3％×1.36％=0.031％，满足小于0.041％的要求。

1.5 取值

在列车运行速度300～350 km/h条件下，为满足列控业务服务质量要求，建议最小可用接收电平取-82 d Bm。建议开展测试接收电平为-82 d Bm条件下服务质量的特性研究，积累足够的测试样本，确定科学合理的最小可用接收电平。

2 电波传播特性

通过研究高速铁路沿线电波传播大尺度损耗特性和小尺度衰落特性，在合理的最小可用接收电平取值条件下，为GSM-R系统场强预测和工程设计提供参考数据。

2.1 大尺度路径损耗指数

在天线高度30 m、天线增益17 dBi，以及不同速度条件下，使用测量接收机锁定被测基站频点，测得95％地点和时间概率条件下的接收电平分布。速度300～350 km/h和速度小于160 km/h的准平原区段接收电平分布（见图5，图6）。

统计分析不同速度条件下的无线覆盖测试数据，在电波大尺度传播模型中的路径损耗指数与列车速度无关，与地形关系见表1。

表1 路径损耗指数与列车速度及地形关系

2.2 小尺度衰落余量

列车运行速度为160 km/h和300～350 km/h条件下，测得平原地区的衰落余量。两组不同速度条件下的衰落余量见图7。

统计分析结果表明，虽然列车运行速度不断提高，但相同地形条件下的衰落余量基本相同，与速度无关。对不同地形测试数据进行分类统计，得到铁路沿线电波传播小尺度衰落余量分布（见图8）。

直放站加漏缆覆盖地区的衰落余量最小，平原地区居中，山区衰落余量最大。因此，建议工程设计时根据不同地形考虑不同的衰落余量，以确保可靠的无线覆盖。不同地形条件下的衰落余量统计值见表2。

表2 不同地形条件下衰落余量统计值

3 结论

（1）为保证300～350 km/h列车运行条件下，GSM-R承载CTCS-3级列控等铁路应用业务服务质量满足标准要求，建议最小接收电平取值-82 dBm。

（2）在最高速度为350 km/h条件下，电波大尺度传播模型中的路径损耗指数和小尺度衰落余量与列车速度无明显关联，与地形有关。

[1] 铁道部运输局. 铁路GSM—R数字移动通信系统最小可用接收电平测量方法（V1.0）[S]，2005

[2] Vijay K Ga rg，Joseph E W ilkes. Prin c ip les and App lications o f GSM[M]. Upper Sadd le River，New Jersey[J]. USA：Prentice Hall PTR，1999

[3] 张遥，王群. 基于M ATLAB的GM SK和基带信号功率谱密度仿真实验开发[J]. 南京：电气电子教学学报，2006，28(2)

[4] Theodore S，RAPPAPORT. 无线通信原理与应用[M].北京：电子工业出版社，1999

[5] GSM-R QoS W orking Group. O-2475 ERTMS/GSM-R Quality o f Service Test Specification. Paris：UIC，2006