基于测试手机的GSM-R无线网络优化测试系统开发

马 汀

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

1 概述

GSM-R系统是铁路综合数字无线通信平台，主要为调度通信、铁路运输作业、区间维护作业及列控系统应用等提供无线通信服务。在CTCS-3线路中，GSM-R网络是CTCS-3级列控系统车-地双向传输的唯一方式，是保障列车安全运行的重要手段之一，因而对GSM-R网络服务质量要求特别高。根据铁路GSM-R系统建设、调试和开通经验，无线网络优化工作对于GSM-R网络质量起着至关重要的作用。GSM-R系统需要在设备调试和联调联试阶段进行网络优化、调整才能使网络服务质量满足各类业务的要求。

为了在设备调试和联调联试阶段能够更精确、完整地获取有用的数据信息，本文将讨论利用测试手机开发GSM-R无线网络优化测试系统。通过对测试功能需求分析，提出测试系统软件的主要架构以及深度的分层模块设计。

2 测试系统总体设计

2.1 主要功能

GSM-R网络测试与优化系统，为GSM-R网络规划提供依据，以便及时发现网络存在的问题。按照铁路测试标准和方法，为无线覆盖分析、服务质量统计提供手段，为网络优化调整提供依据。

测试系统应该具有全面的QoS指标测试功能，以达到对GSM-R无线网络进行有效评估的目的，同时还应有生动的数据显示功能、数据存储和回放功能、数据报表功能。

根据GSM-R网络优化的以往经验及实际分析，测试功能划分如图1所示。

1）场强覆盖测试

测试指标包括：铁路沿线服务小区频道、GPS位置信息、接收场强等信息。测试中通过GPS采集地理位置信息，通过测试手机采集场强信息，借以测试软件综合归纳为图表，从而分析网络质量。

2）语音拨打测试

由于铁路业务的特殊性，语音呼叫测试主要包括：铁路紧急呼叫、同一区域内司机间的组呼、MS-FT的运营呼叫、FT-MS的运营呼叫、MS之间的运营呼叫、低优先级呼叫。此类测试主要是从终端用户角度对网络的语音呼叫性能进行测试，指标包括：语音呼叫建立时间、语音呼叫建立成功率、越区切换中断时间及切换终端率。

3）列控类数据测试

测试指标包括：连接建立时延、连接建立失败概率、链路断开（失效）概率、用户数据帧传送时延、传输干扰时间TTI、传输无差错时间TREC和网络注册时延。

4）无线网络参数和事件测试

无线网络接口存在大量参数，这些参数的设置和调整对整个GSM-R／GPRS网络的运作具有相当的影响，因此在网络测试中需要对这些参数进行跟踪与测试。切换、注册等无线网络事件直接反映网络质量，是测试中非常关心的内容。这部分内容应包括：无线网络事件发生的时间、地点、发生事件前后网络参数变化情况、事件发生的成功率、事件失败的原因。从对无线网络参数和信令的测试中能够清晰看出事件发生及失败的原因，从而检测实际中无线网络事件发生的情况是否和规划时考虑的一致，修整不合理的参数设置。

2.2 测试系统组成

根据无线网络测试内容以及在高速铁路中的测试需求，本系统通过图形化界面控制测试设备完成场强覆盖测试、语音拨打测试、列控数据测试等各类测试内容，将采集的数据以图表及二维坐标图形实时显示，并存储于数据库，用以备份作为后续数据分析。根据系统功能需求，GSM-R测试系统需要测试手机、GSM-R测试模块、GSM测试模块和GPS接收机，并需要软件对这些测试设备进行控制。

测试系统配置包括：便携计算机、测试手机、GPS接收器、数据线、网线、信息采集综合平台、显示分析平台，并配各车载测试用集中供电单元，系统结构如图2所示。

2.3 测试流程

本系统通过GPS获取测试机车移动的距离，以时间触发方式进行测试，采集测试数据，并进行研究分析。测试流程如图3所示。

3 测试系统实现

系统开发环境为Windows XP，开发平台为VS（版本为Microsoft visual studio 2010），主要完成用户界面和模块调用及各个模块的设计。具体开发环境如表1所示。

表1 测试系统开发环境

3.1 系统模型

整个系统从结构上可以分为3层：数据采集层、数据处理层和用户层。数据采集层和数据处理层通过串口进行通信，数据处理层和用户层通过网络交换数据。系统结构如图4所示。

1）数据采集层

信息采集层的功能是控制测试手机执行相应的操作，对于测试手机返回的数据进行解帧，然后按照统一规定的信息帧格式将数据进行封装，将数据传递给数据处理层。采集控制命令及配置参数通过RS-232串口、USB端口、网络端口传送到测试手机和GPS接收机。采集到的场强信息和其他QoS参数通过RS-232串口、USB端口、网络端口发回数据采集控制单元。

2）数据处理层

数据处理包括数据的分析、存储和回放。

*数据存储模块：负责数据的存储。

*分析模块：负责统计分析接收的数据，分析网络质量。采用Lee氏定律、统计法等对测试数据进行处理。

*回放模块：播放存储的数据，可以输入不同的铁路区间，查看这段区间内的网络质量信息。

用户层负责数据的显示以及测试参数的设置。主要有控制中心和测试配置模块。

*控制中心：负责测试系统和测试人员的交互，传递测试指令，接收和显示测试数据。

*测试配置模块：用于设置测试类型和测试参数。

3.2 模块划分

测试系统包括图形用户界面、测试流程控制模块、数据展现窗口模块、数据解析及日志记录模块、测试数据回放模块及串口操作模块；其中测试流程控制模块与图形用户界面、数据解析及日志记录模块连接，数据展现窗口模块与首选项配置模块、数据解析及日志记录模块连接。各个模块之间的关系如图5所示。

3.3 模块设计

1）图形用户界面

图形用户界面用来对硬件系统及定位设备进行设置，导入有用的数据文件，并将设置的结果提供给测试流程控制模块。

电厂汽轮机在检修维护中涉及了较多的作业内容，其中主要的几类检修维护内容为：叶轮的检修及维护、汽轮机异响，振动现象的检修及维护、汽轮机凝汽器的检修及维护、汽轮机油系统的检修及维护、汽轮机大轴的检修及维护。

2）测试流程控制模块

通过模块配置，控制各硬件进行测试流程。对数据解析及日志记录模块提供的不同事件、控制硬件模块做出相应的状态转换，比如手机收到的数据如果是通话建立成功，则可以控制手机断开从而进行下一次通话。

3）数据展现窗口模块

用于显示数据解析及日志记录模块输出后的各种信息。

4）数据解析及日志记录模块

提供对各硬件模块输出的数据进行解析，并生成相应的事件，将数据和事件记录到日志文件中；同时为数据展现窗口提供解析后的数据，为测试流程控制模块提供各种事件。

5）测试数据回放模块

对日志文件进行回放，再现测试的整个流程；查看任意一点的测试数据及统计数据。

6）串口操作模块

提供串口连接、断开、写数据和读数据等操作。

4 测试功能实现

4.1 图形用户界面

如图6所示，无线网络测试软件菜单栏从左到右分别为文件、工具、测试、回放、视图和帮助等6项。

1）文件

包含连接、断开、数据文件保存目录设置、导入基站数据、输入起始里程、退出系统等功能。

2）工具

包含发送AT指令、语音拨号、CSD数据拨号、生成EXCEL统计报表等功能。

3）测试

包含开始测试、暂停测试、继续测试、停止测试、重新拨号等功能。

4）回放

对已保存数据的回放功能，包含.dat文件及.csv文件的打开。

5）视图

对视图版面相关的调整等功能。

6）帮助

测试软件的相关帮助文档。

4.2 测试成果演示

在武广客运专线武汉站附近10 km左右的区域，进行功能测试。

测试指标包括铁路沿线服务小区频道、GPS位置、接收场强等信息。实测中对GSM-R频段进行扫描，输出的场强电平信息、越区切换信息、信号质量信息、列车运行轨迹等，相关功能如图7、8所示。

由于测试路径距铁轨有一定的横向距离，且信号接收于车体内部，建筑物、桥梁以及车体本身的遮挡对接收信号强度有一定的衰减。经分析，测试软件能正常完成场强测试要求，并准确记录场强信息。

5 结束语

本文介绍了无线网络优化测试工具的主要功能需求以及模块设计、实现方案，通过模拟测试及试用，测试系统能准确无误的将场强、语音拨打、列控数据传输等信息采集并整合转存于数据库中，方便分析可能的质量隐患或故障，从而制定网络优化调整方案，确保GSM-R网络的正常运行。测试工具要有待经工程实际测试应用后进行调整优化，使之更符合应用需求。

[1]李航，刘宏志.基于ESPI的GSM-R场强数据采集系统的设计与实现[J].北京工商大学学报（自然科学版），2009，27

（3）：51-55.

[2] TB10418-2003铁路运输通信施工质量验收标准[S].

[3] Nick Randolph，David Gardner，Michael Minutillo.Visual Studio 2010高级编程[M].北京：清华大学出版社，2012.