高速铁路无线通信系统半实物仿真技术与QoS仿真分析研究

■ 熊磊

GSM-R作为铁路神经网络承载CTCS-3级列车运行控制系统（C3），直接关系到铁路运行效率与安全。因此，对高速铁路GSM-R网络的服务质量（QoS）提出了更为严格的要求[1]。

高速铁路建设中，一般选择在试验段（或先导段、先行段）上对GSM-R系统的性能进行现场测试，有力保障GSM-R系统的可靠运行。然而现场试验需要投入大量人力、物力，而且存在试验时间较为有限，环境限制因素较多，参数（如基站高度、发射功率、移动速度等）不易调整，劳动强度大，电波传播环境无法精确控制和重复等不足。

高速铁路无线通信系统半实物仿真将计算机仿真与硬件试验相结合，采用信道仿真设备模拟高速铁路现场的电波传播环境，而GSM-R网络、终端则与高速铁路现场尽可能保持一致，从而实现在实验室环境开展高速铁路GSM-R性能测试。半实物仿真准确性高，为实时仿真，可以进行设备测试，与现场试验相比，实施成本低，能够方便设定系统参数，可以保证测试的完备性；仿真环境透明、可控，而且能够精确重复，目前已在航天航空、武器设计、机械制造、电力等诸多领域广泛应用。

1 半实物仿真

高速铁路无线通信系统半实物仿真平台以信道仿真仪为核心（见图1），由QoS测试软件、移动终端、GSM-R网络、固定用户接入交换系统（FAS）、车站台、Abis接口监测系统及射频配件和射频电缆构成。除信道仿真仪以外，其他设备均与高速铁路现场保持一致。信道仿真仪能够模拟高速铁路各种典型场景（如高架桥、路堑、平原、丘陵）、移动速度、覆盖电平、噪声和干扰强度的各种无线信道，具有多个并行的仿真通道，其参数均可以独立设定。QoS测试软件可以对不同信道环境下的各项QoS指标进行测试。Abis接口监测系统对整个通信过程中Abis接口信令进行记录和统计分析，并可以直观地显示上、下行接收电平（RXLEV）、接收质量（RXQUAL）和越区切换进程。

2 高速铁路无线通信系统半实物仿真平台功能

2.1 高速铁路无线信道特性分析

列车运行速度的提高会导致信道衰落速度的加快，要保证通信的可靠性，需要合理确定接收机的最小可用接收电平。铁道部GSM-R规范中规定98％的地点覆盖电平高于-92 d Bm，这一电平在350 km/h及以上高速铁路上的性能如何，是目前关注较多的问题。高速铁路无线通信系统半实物仿真平台可方便地设定各种移动速度（如250，350，420 km/h）与接收电平，并对系统性能进行仿真。通过各种仿真条件下，对Ab is接口监测数据进行统计处理，可以分析接收电平与接收质量、速度之间的关系等，为确定350 km/h及以上高速铁路的最小可用接收电平提供数据支持和验证。

仿真实验绘制了列车运行速度为350 km/h时，当下行接收电平分别为-72，-82 ，-92 d Bm时，下行接收质量RXQUAL的分布（见图2）。由图2可知，随着接收电平的下降，接收质量会发生一定程度的下降。在-92 d Bm时，RXQUAL小于3的概率约为0.933 8，基本可以满足通信质量要求。

2.2 高速铁路QoS指标测试

由仿真平台模拟高速铁路各种无线信道环境，QoS测试系统控制移动终端进行GSM-R话音业务、电路域数据和分组域数据的QoS指标进行测试（见表1）。测试完全按照铁道部QoS测试规范进行。

QoS指标测试可以用于分析高速铁路周边环境、移动速度、覆盖电平、噪声干扰等对各项QoS指标的影响，对高速铁路GSM-R系统在各种条件下的性能进行准确分析评估，为保障GSM-R系统安全、可靠、稳定运行，合理进行GSM-R网络设计与优化提供支撑。

表1对移动速度为80，160 ，350 km/h，接收电平为50 d Bm，无同频干扰条件下话音业务呼叫建立时间进行了比较。由表1可知，随着移动速度的提高，呼叫建立时间的最大值、最小值和平均值都有一定程度的增加，但较为有限。

2.3 越区切换模拟

越区切换是GSM-R移动性管理的重要内容，当高速列车以350 km/h运行时，以现有3 km的基站间距考虑，每分钟大约发生2次越区切换，越区切换相当频繁。保证高速铁路越区切换的可靠性是当前GSM-R需要解决的重要问题之一。

越区切换见图3。平台可以独立、实时地对各基站的信号加以控制，模拟列车运行过程中处于不同位置时，各个基站场强的变化规律，从而实现在各种无线信道环境下对越区切换的仿真。依托平台，可以研究切换参数（如信号电平切换门限、信号质量切换门限、切换容限、平均窗口等）对切换性能的影响，为合理配置参数，避免乒乓效应，提高切换成功率提供技术支持。

2.4 设备高速适应性测试

仿真平台可以在实验室环境下对GSM-R通信设备（如车载8 W模块，手持移动终端等）的高速适应性进行测试。仿真平台可以方便地设定各种测试环境，从而保证测试的完备性。此外，仿真平台能够实现对仿真的精确控制与重复，可以方便地进行故障排查与定位和性能比较。目前已有多家设备厂商在仿真平台上对设备的高速性进行了测试，根据测试结果有针对性地对设备进行优化设计，提高设备的高速适应性（如多普勒校正技术）。

3 结束语

高速铁路无线通信系统半实物仿真虽然不可能完全替代现场测试，但在高速铁路无线通信技术研究、QoS分析、越区切换性能优化、设备研发等领域能够发挥较大作用，对于确保高速铁路GSM-R系统的可靠运行具有十分重要的意义。

[1] 钟章队，李旭，蒋文怡，等. 铁路综合数字移动通信系统（GSM-R）[M]. 北京：中国铁道出版社，2003