GSM-R网络用户数据帧传送时延研究

李 莉 郭少磊 邸士萍

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

举世瞩目的京沪高速铁路于2011年6月30日开通，它采用了大量的世界先进技术，其中，列车控制系统采用CTCS-3级列控系统，借助GSM-R网络传递大容量车地信息。GSM-R网络的质量直接影响CTCS-3级列控系统的运行状况，目前已开通的GSM-R线路上，均采用《GSM-R无线网络覆盖和服务质量（QoS）测试方法（V1.0）》测试各项QoS指标，并依据测试结果优化GSM-R网络。

GSM-R网络QoS指标众多，本文针对用户数据帧传送时延指标展开研究，该指标是衡量数据传输有效性的重要指标。对于CTCS-3级列控系统而言，GSM-R系统较短的数据传输时延意义重大，能更为快捷、有效地传递车地信息。在不同的网络应用速率、数据长度和终端模块下，用户数据传送时延是否会产生变化，如何更好地满足列控系统的需求，目前的测试方法是否科学合理，都需要进行深入研究。

2 理论分析

2.1 指标定义

用户数据帧传送时延是GSM-R网络电路域数据业务的一项QoS指标，指移动终端数据帧发起传送请求到该移动终端数据帧成功接收之间的时间间隔，其中，用户数据帧是指测试数据帧，长度为30 Byte。在《CTCS-3级列控系统GSM-R网络需求规范（V1.0）》中，对该指标的要求是“用户数据帧（30 Byte）传送时延应满足 ：≤ 0.5 s （99％）。”

2.2 时延分解

数据传送时延一般包括发送端设备、中间设备和接收端设备的处理时延；数据信号通过媒质的传播时延等。具体到基于GSM-R系统的数据帧传送，其时延包括数据发送时延、移动终端和GSM-R网络的处理时延、中继设备和传输设备的处理时延及信号的传播时延。

2.2.1 数据发送时延

数据终端采用GSM-R系统通信时，可以选择不同的应用速率，电路域数据业务主要包含2.4、4.8、9.6 kbit/s 三种速率。对应不同的速率，在数据终端和GSM-R移动终端之间的接口上，数据发送时延不同，数据发送时延=数据长度/应用速率。相同长度的数据发送时延：2.4 kbit/s＞4.8 kbit/s＞ 9.6 kbit/s。数据长度相同时，应用速率越大，数据发送时延越短。

2.2.2 GSM-R系统处理时延

根据3GPP协议03.05《系统技术指标》，GSM-R系统的处理时延主要包括数据帧长度引起的时延；比特/字符转换时间；异步/同步转换时延；数据帧缓存时延；无线信道编解码时延；交织解交织时延；终端适配的处理时延；协议处理的时延等。

在GSM-R系统处理时延中，交织解交织时延占据主要位置。交织技术是为了对抗因衰落和干扰引起的突发连续误码而引入的，即在不增加系统传输开销的情况下，采用时间分集的手段，将原本连续传输的数据码段分散到不同的时间进行传送，以降低离散的随机误码和突发连续误码对译码器正确解码的影响，提高系统的可靠性，但由于数据的分散，造成较大时延。03.05协议中给出最坏情况下交织/解交织时延，如表1所示。

表1 交织/解交织时延参考值

同时，3种速率下其他处理过程引起的时延相当，因此由于交织/解交织时延的差异，可得出仅考虑GSM-R系统处理时延情况下，3种速率的传输时延大小关系 ：4.8 kbit/s ＞9.6 kbit/s ＞ 2.4 kbit/s。2.2.3 其他时延

在实际承载CTCS-3级列控系统的GSM-R网络中，会产生各种中间设备引起的时延，比如传输设备、中继MSC引起的时延，以及设备之间长距离传输引起的传播时延等。表2中给出了各种设备的时延参考值。

表2 各种传输或处理系统对时延的影响

结合具体的网络结构，包括中间设备、设备之间的距离等，可计算出由此引起的传输时延。

2.3 小结

以上分析了影响用户数据传送时延的各个部分，从中可以看出，不同的网络应用速率（代表了系统不同的处理过程）、不同的模块（代表了不同的设备处理能力）、不同的数据长度（代表了不同的发送要求）都对数据传送时延产生影响。

同时，基于对不同应用速率下数据传送时延的分析，主要是数据发送时延和GSM-R系统传输时延的比较。综合来看，9.6 kbit/s速率下传送时延最小，4.8 kbit/s和 2.4 kbit/s速率下传送时延相当。这可为GSM-R网络应用速率选择提供一定的技术依据。

3 实验室测试

为了进一步验证理论分析结果，获得不同应用速率、不同数据帧长度、不同厂家模块情况下传输时延取值，根据《GSM-R无线网络覆盖和服务质量（QoS）测试方法（V1.0）》进行实验室和京沪先导段现场测试。

3.1 测试设备

测试依托于北京全路通信信号研究设计院有限公司GSM-R实验室，系统设备为华为GSM-R设备，包括1套软交换MSC（含MSC Server及MGW）、VLR、HLR等在内的移动交换子系统，1套BSC/TRAU设备，1套BTS3012宏基站设备，1套DBS3900分布式基站设备以及1套M2000网管系统。测试设备采用北京全路通信信号研究设计院有限公司GSM-R网络服务质量测试设备，包含1套移动测试终端、3套移动设备（MT）、1套地面固定测试终端。各设备的具体情况如表3所示。

表3 实验室系统设备和测试设备列表

3.2 测试方法

测试采用图1所示的网络结构，测试点在Igsm-r接口，移动测试终端控制MT模块向地面固定测试终端发起一定速率的数据呼叫，呼叫建立后，开始发送30/40 Byte的数据帧。地面固定测试终端收到数据帧后，将其环回转发给移动测试终端。移动测试终端收到环回的数据帧后发送下一个数据帧，并在Igsm-r接口进行计算，用开始传送数据帧（发送数据帧的第一个比特）到接收完从固定测试终端返回的同一数据帧（接收数据帧的最后一个比特）时间间隔的一半作为端到端数据传输时延。

与测试方法规定不同，本次测试在30 Byte用户数据帧传送时延基础上，引入40 Byte数据帧的测试，原因在于CTCS-3级列控系统中大量数据接近40 Byte，故采用40 Byte用户数据帧进行测试，与实际情况更相符。

测试仅对成功收到的数据帧（即接收到的数据帧信息单元带正确的CRC校验）进行统计，统计指标为“端到端数据传输时延≤0.5 s的百分比”（=成功传送的端到端传输时延≤0.5 s的数据帧数/成功传输的数据帧总数）。

3.3 测试内容

根据数据呼叫速率、数据帧长度、MT模块的不同进行组合测试，以确定呼叫速率、数据帧长度及MT模块对数据传送时延的影响，具体的测试内容如下。

Selex 模块在 30/40 Byte，2.4、4.8、9.6 kbit/s速率下测 试 ；Funkwerk 模块在 30/40 Byte，2.4、4.8、9.6 kbit/s速率下测试；Sagem模块在30/40 Byte，2.4、4.8、9.6 kbit/s速率下测试。

3.4 测试结果

经过测试及统计分析，得到表4、5所示的各模块传输时延小于等于0.5 s的百分比、平均值和最大、最小值。

表4 用户数据帧传送时延实测结果

表5 用户数据帧传送时延统计

从传输时延平均值的统计结果来看，可以得到以下结论。

1）2.4、4.8 及 9.6 kbit/s 三种应用速率下数据传送时延均满足QoS指标要求。

同一个MT模块，同一数据帧长度下，9.6 kbit/s速率下端到端数据传输时延最小，2.4 kbit/s速率其次，4.8 kbit/s速率下端到端数据传输时延最大，但与2.4 kbit/s差距不大，与理论分析相符。

2）不同数据帧长度（30/40 Byte）下测试结果均满足要求。

同一个MT模块，在3种应用速率情况下，40 Byte和30 Byte数据帧数据传输时延均能满足99％的样本数不大于0.5 s的指标要求，40 Byte数据帧传送时延大于30 Byte数据帧，与理论分析相符。

3）不同厂家模块下测试结果存在细微差异，但均能满足指标要求。

同一网络速率、同一数据帧长度下，用不同厂家的模块进行用户数据帧传送时延测试，其结果存在细微差异。这反映出不同模块处理时延的不同，但几家模块均能满足QoS指标的要求。

4 京沪先导段测试

4.1 测试设备

现场测试在京沪先导段进行，京沪先导段为京沪正线枣庄—蚌埠区段，跨济南局和上海局，全长222 km，共69个基站，其中13个基站接入到济南BSC及济南MSC，56个基站接入到南京BSC和上海虹桥MSC，均为诺西公司设备，BSC设备版本均为BR10。

测试采用北京全路通信信号研究设计院有限公司自主研发的GSM-R网络服务质量测试设备，包含移动测试终端、测试模块、地面固定测试服务器终端。地面固定测试服务器为两台，分别测试2.4 kbit/s速率和4.8kbit/s速率的各项QoS指标，终端侧从同一车顶天线经功分器接入到各模块进行测试，保证无线环境基本相同。服务器均放置在上海虹桥核心网机房，设备的具体情况如表6所示。

表6 现场测试设备列表

4.2 测试方法

采用本文3.2中相同的测试方法。

4.3 测试内容

由于测试条件有限，本次测试进行的是全基站覆盖条件，400 km/h以上速度时，2.4 kbit/s和4.8 kbit/s两种应用速率情况下用户数据帧传送时延指标。

4.4 测试结果

经过测试及统计分析，得到表7、8所示的各模块传输时延小于等于0.5 s的百分比、平均值和最大值、最小值。

表7 用户数据帧传送时延京沪先导段测试结果（部分）

表8 京沪先导段用户数据帧传送时延测试结果统计表（部分）

可以看出，现场测试中用户数据帧传送时延测试的结果与实验室测试相似，两种速率、两种数据长度、不同模块情况下，数据传送时延都能较好满足QoS指标要求。

5 结论

本文经过理论分析，得出不同的应用速率（2.4、4.8、9.6 kbit/s）、不同的数据帧长度（30、40 Byte）、不同的移动终端模块对GSM-R网络用户数据帧传送时延产生的影响，为网络应用速率的选取提供了一定的技术依据。同时，经过实验室测试和京沪现场测试，验证了上述理论分析的结论，得出了不同应用速率、不同数据帧长度及不同终端模块情况下的数据传送时延。测试结果表明，各种情况下的数据传送时延均满足当前对该指标的规定，说明对指标的规定值是科学合理的，出于与列控实际情况接近的考虑，建议测试方法中数据帧长度修改为 40 Byte。

[1]科技运[2008]170号 GSM-R无线网络覆盖和服务质量（QoS）测试方法（V1.0）[S].

[2]科技运[2008]168号 CTCS-3级列控系统GSM-R网络需求规范（V1.0）[S].

[3] GSM 03.05.V8.0.0 Technical performance objectives[S].1999

[4]邮电部北京设计院.电信工程设计手册（移动通信）[M].北京：人民邮电出版社，1994.