GSM-R高速网络无线性能提升技术及验证系统

■ 李少楠 张勋

作为信号及列控系统的传输平台，GSM-R需要满足列车运行速度从0～500 km/h的无线通信要求，这对网络质量和可靠性提出了很高的要求。多普勒效应与多径传播会导致接收信号失真，使接收信号的频谱发生扩展，所以对GSM-R系统来说，如何在列车高速运行（大于220 km/h）的条件下保证无线链路的稳定是一个非常关键的问题。为此，提出GSM-R高速性能解决方案，解决多普勒频偏和快速切换控制等难题，可有效提升高速下的网络服务质量。

1 无线性能提升关键技术

1.1 自动频率校正技术（AFC）

在高速移动状态下，受多普勒效应影响，移动台频率信息会产生偏移，如果GSM-R通信系统不采取预防措施，当列车时速高于220 km时，无线通信可能会出现中断。

目前，高速铁路列车时速已达到350 km甚至更高，传统移动通信系统已不能满足高速铁路要求。采用AFC技术纠正高速下的多普勒频率偏移问题，其解调门限可达到1 000 Hz，即AFC可适应时速500 km范围内的多普勒频移。与此同时，将AFC创新应用于GPRS，保证高速情况下，GPRS业务性能不受影响。

1.2 快速切换算法

当移动终端在已建立呼叫的状态下从一个基站移动到另一个基站时，它将执行切换以实现无线信道资源的改变，列车会快速地从一个基站到达另一个基站的覆盖区。如果采用传统切换算法，列车上的移动台将没有足够时间改变无线信道，从而造成通信链路中断。

快速切换算法是专为高速铁路而设计，可确保高速状态下切换的实时性和可靠性（见图1）。（1）多普勒频移切换算法是基于自动频率校正功能的一种加快切换判决的切换算法。在高速移动应用场合，通过缩短切换判决时间，达到缩短切换带、提升小区间切换性能的目的。（2）快速PBGT切换算法是一种基于路径损耗的切换。在移动台快速移动条件下，迅速切换至更好小区获得服务，保持通信连接，提升小区间切换性能；同时，使移动台在高速移动条件下，在有限切换带内一次切换失败后进行第二次切换成为可能。

1.3 链型小区切换

充分利用铁路近线型覆盖的特点，形成链型邻区，通过对移动台运动方向的预测和判断，使用户在链型小区间移动，提高切换成功率，提升网络质量，链型邻区更充分地保障了小区间切换的可靠性。

1.4 多站点共小区技术

多站点共小区技术即多个不同位置点的射频拉远模块（RRU）设备配置相同的频率组，通过基带处理单元（BBU）控制实现多个RRU 的同步收发。逻辑上这几个不同位置点的RRU属于同一小区，铁路终端从一个位置点移动到另一个位置点时就无需切换。采用共小区技术后，一方面可减少切换次数，提升网络性能；另一方面，频率的复用距离增加，在相同的信噪比下，频率规划变得简单易行。

1.5 增强的NACC提升数据业务性能

网络辅助的小区重选（NACC）可有效加快小区重选速度，缩短由于切换所引起的数据中断时间，使正在进行的分组业务中断时间由几秒降低为300～700 m s。

图1 快速切换算法

1.6 合理的GSM-R网络规划和覆盖设计

GSM-R网络覆盖有其特殊性，为保证高可靠性和无线网络性能，合理的网络规划将从基站的选址、合理的切换区域设计、天馈的增益和方位角、有针对性的站型及特殊区域特殊考虑5个方面入手，最大程度提升无线网络的性能。

2 高速无线性能仿真验证系统

2.1 性能验证系统框架

高速仿真验证系统的目标是通过无线信道建模，在实验室内尽量真实地模拟GSM-R高速无线信道。实验室高速性能仿真验证系统主要分为2个部分：无线信道建模和算法/网络级验证（见图2）。

无线信道建模过程中，对GSM-R典型覆盖和应用场景进行分析，获得符合高铁特点的信道级无线信道模型；在此基础上，通过高速仿真平台模拟高铁无线信道，对GSM-R设备特定条件下的算法级和网络级高速性能指标进行验证，获得不同列车运行速度和组网解决方案下的性能基线数据。

2.2 高速无线信道建模

信道建模需要定义GSM-R高铁信道径数、每径功率、衰落带宽、Ric ian K因子等信道特征，目前高速仿真验证系统中使用的信道模型既包括符合3GPP协议规定的TU市区（低速）、RA郊区（高速）、HT山区地形信道模型（高速），也包括特定站点工参下的高速切换场景。某个典型的高速切换电平和频偏变化基线见图3。

2.3 高速仿真验证平台

高速仿真验证平台的核心部件为2台高性能的2×2通道无线信道仿真仪、GSM-R QoS测试工具。该平台的实验室组网结构见图4。

RFI为无线射频接口，设备通过射频线连接，保证器件间的射频隔离度。无线信道仿真仪在被测小区的上下行链路上实现双向信道模型，用于精确模拟高铁信道特征。GSM-R QoS测试工具的作用是根据自动化脚本发起GSM-R语音和列控业务，对服务质量（QoS）数据进行统计并生成统计报表，进行快速业务验证。

3 结束语

对于GSM-R高速铁路无线传播模型的认识始终是无线性能算法设计和验证的基础，因此，对高速无线信道进行实地测量，获得高速条件下的GSM-R信道特征具有非常重要的意义。在信道测量的基础上，基于高速仿真验证平台，甚至可以在实验室内真实再现实际线路的无线信号覆盖。

图2 GSM-R无线性能仿真验证总体框架

图3 切换下的覆盖电平和频偏曲线

图4 高速仿真验证平台结构

[1] 钟章队，李旭，蒋文怡，等. 铁路GSM-R数字移动通信系统[M]. 北京：中国铁道出版社，2007

[2] L Poutas. ERTM S/GSM-R Quality o f Service Test Specification[S]，2006