250km/h客专及城际线路GSM-R系统服务质量指标的研究

邸士萍 李 雪 李 莉

速度300～350 km/h客专线路，GSM-R系统承载CTCS-3(简称C3)业务，采用单网交织的网络结构，已形成相对稳定的QoS指标体系。而速度250 km/h及以下的客专和城际线路，GSM-R系统均采用普通单网结构，要分别实现C3业务及ATO车-地双向数据通信，其GSM-R系统能否使用现有300～350 km/h客专线路的QoS指标来评价还是未知数。为此，在分析250 km/h客专和城际线路对GSM-R网络需求的基础上，根据已开通300～350 km/h客专线路GSM-R系统全基站、半数基站服务质量指标实测情况，分析影响网络服务质量指标的因素，提出250 km/h客专和城际线路GSM-R网络指标达标的建议。

1 250 km/h客专及城际线路对GSM-R网络的需求

1.1 客专线路

客专线路的C3列控系统，需利用GSM-R系统实现ATP与RBC的双向数据通信。RBC根据轨道电路、联锁进路等信息生成行车许可，并通过GSM-R系统将行车许可、线路参数、临时限速传输给C3列控系统的车载设备;同时通过GSM-R系统接收车载设备发送的位置和列车数据等信息。C3列控系统对GSM-R网络的服务质量指标要求如表1所示。

若无线通信单元发生故障，RBC与列车中断通信连接，列车降至CTCS-2级 (简称C2)系统允许速度后转入C2列控系统工作。转换到C2列控系统工作的列车，如果无线通信单元故障已经修复，当经过带有与RBC建立通信连接会话命令的应答器组时，车载设备开始尝试与RBC重新建立新的连接，连接重新建立并获得行车许可后，自动由C2系统转到C3系统。

表1 C3列控系统GSM-R网络服务质量指标要求

1.2 城际铁路

城际铁路在C2列控系统基础上，通过设置车载ATO设备实现列车自动驾驶;地面设置专用的精确定位应答器 (JD)实现列车精确定位，设置通信控制服务器 (CCS)实现站台门控制和运行计划处理。城际铁路C2+ATO系统具备站间自动运行、车站定点停车及车站通过、折返作业、列车运行自动调整、车门/站台门 (安全门或屏蔽门)防护及联动控制、列车运行节能控制等自动运行相关功能。城际铁路列控系统中，车-地通信基于GSMR系统实现，车载ATP设备控制GSM-R电台，地面CCS控制ISDN服务器，ATP通过GSM-R电台呼叫CCS，完成车-地双向数据通信。

根据《城际铁路CTCS-2+ATO列控系统总体技术方案》，城际铁路列控系统采用GSM-R网络电路交换数据业务实现车-地双向通信。GSM-R系统在区间为单网设置，考虑在站内需要传送运行计划、开关门、定点停车、车站通过等重要信息，因此车站宜冗余覆盖，确保可靠性。城际铁路列控系统通过GSM-R网络传递的信息主要有：车载设备向地面发送列车停准停稳、开关门命令、车型、运行计划反馈、车载状态等信息;地面设备向车载设备发送开关门命令确认、运行计划、折返等信息。

GSM-R通信故障或ATO未收到有效运行计划时，DMI进行提示。此时司机可人工驾驶，也可使用ATO自动驾驶。若使用ATO自动驾驶，运行策略按贴近ATP允许速度曲线行车，站停时间按股道精确定位应答器中存储的内容处理，ATO不提供自动开/关门功能。ATO在执行当前运行计划自动驾驶列车时，若未收到更新的运行计划，继续执行当前站间的运行计划直至停车，并判定其他运行计划无效。

车载设备判断与CCS设备通信中断后，应在5 min内持续重试连接CCS设备。若重连成功，车载设备与CCS正常通信;若重连失败，车载设备仅在出站口应答器收到CCS呼叫信息时进行重连。

2 影响GSM-R网络QoS的因素

GSM-R网络电路域数据业务QoS指标，与最小可用接收电平 (或C/I)、GSM-R网络结构 (普通单网、单网交织)、终端运行速度及数据传输速率等因素有关，尤其与移动速度相关。

2.1 网络注册时延

当GSM-R网络信号电平相对公网信号电平较弱时，网络注册时延值将相应延长，在网络设计、优化与验收阶段，需重点关注可能进行网络注册的区段，特别是GSM-R网络覆盖的边缘，在C2向C3转换的联络线区段，应适当延长GSM-R网络向C2线路方向的覆盖距离，以保证车载设备有足够的时间成功注册到网络。在网络覆盖一定的前提下，网络注册时延指标与测试终端的速度关系不大。

2.2 连接建立时延

连接建立时延是衡量连接建立全部信令流程所需时间的一个指标。在流程基本确定、网络设备也确定的前提下，该指标受网络结构及测试终端的移动速度影响较小。

2.3 连接建立失败概率

连接建立过程是在用户成功注册到网络后发起的呼叫建立流程，主要包括：信令信道分配过程、MS身份识别过程、MS能力询问过程、TMSI再分配过程、呼叫过程及业务信道分配过程等。最终结果是在MS和RBC的ISDN之间建立双向的数据业务信道，每个子过程是否成功直接影响着连接建立能否成功。连接建立过程与SDCCH/TCH信道容量有关，在出现SDCCH或TCH拥塞的情况下，没有可用的信道分配，连接建立过程将失败。因此，实际应用中要根据预测的用户容量合理配置SDCCH信道。另外，普通单网结构，大概率下信号强度弱，网络覆盖变差，如果网络覆盖电平过低或存在严重干扰，连接建立过程可能由于无法成功解码而失败。

2.4 用户数据帧传送时延

实验室及现场测试表明，用户数据帧传送时延与网络结构、终端移动速度没有直接关系，高速、低速情况下均能达到指标要求。

2.5 链路断开概率

链路断开概率，统计累计的连接时间内连接非正常释放的次数。由于业务用户引起的连接丢失不在统计范围内，因此测试结果仅与单位时间内连接丢失的数目有关，与连接数目和连接持续期无关。唯一重要的是总的测量时间，这影响测量的置信度，与无线网络环境相关。

在普通单网结构下，大概率下信号强度弱，网络覆盖变差，如果网络覆盖电平过低或存在严重干扰，导致服务质量严重下降，也可能出现已经建立连接的用户因无法搜寻到网络信号而断开链路的情况。

2.6 传输干扰率

影响传输干扰率的因素有外部电磁环境、内部频率配置、网络结构、终端速度和终端性能等。根据武广、沪宁、沪杭和京沪等高速客专的建设经验，引起传输干扰的原因可分为3种：基站间切换、网络外部或内部频率干扰、随机出现的“短干扰”。

1.切换引起的传输干扰次数与无线网络结构有关，单网结构由于站距明显大于单网交织，所以切换次数明显减少，因切换引起的传输干扰降低，对指标有提升作用。

2.网络外部频率干扰，可通过清频得到大幅改善;网络内部干扰，通过网络优化可以得到抑制。对于单网和单网交织2种网络结构，单网内部频率配置不易发生干扰，但克服外界干扰的能力较单网交织差一些。

3.受多径传播和多普勒效应影响导致的“短干扰”，出现具有一定的随机性，通常在地理位置上没有规律性，受速度影响较大，随着列车速度的提高出现的频率相应提高。对于200～250 km/h线路，这类“短干扰”出现的概率较300～350 km/h线路低。

可以看出，普通单网结构下基站间距变大，切换次数减少，由于切换引起的传输干扰相应减少;普通单网结构下大概率下信号强度变弱，网络覆盖变差，抗外部干扰能力变差;终端速度降低，短干扰减少。该指标还与数据传输速率的选取有关系，速率越高，指标越差。因此移动速度、网络结构变化以及数据传输速率对传输干扰率指标的综合影响还需深入研究，应结合测试情况得出结论。综上所述，GSM-R网络的电路域服务质量指标受多方面因素的影响，每个指标相关的影响因素分析结果如表2所示。

表2 影响C3列控系统GSM-R网络服务质量指标的因素

3 普通单网结构对QoS的影响

GSM-R普通单网结构与交织单网结构相比，同样长度的线路上基站间距增大，基站数量减少，当某一个BTS故障时，由其提供覆盖的区域将出现盲区;而单网交织结构下，网络覆盖考虑了冗余，当某一个BTS故障时，相邻BTS将覆盖故障BTS服务的区域，避免出现覆盖盲区。因此普通单网结构的网络可靠性和可用性都低于单网交织结构的网络。

而且普通单网结构站间距增大，小区半径增大，从而导致大概率下信号强度变弱，网络覆盖变差。在干扰水平相同的条件下，C/I降低，对连接建立失败概率、链路断开概率和传输干扰率等指标均有影响。

3.1 降低最低接收电平

根据铁道科学研究院的研究报告《高速铁路GSM-R系统最小可用接收电平与相关服务质量标准的研究》，有以下二项重要结论：

1.在列车速度为300～350 km/h条件下，当接收电平≥-82 dBm时，可保证RxQual和CSD数据传输性能满足UIC标准要求。

2.测试表明，通信质量RxQual随速度降低而变好。

因此，在200～250 km/h条件下，当接收电平≥-82 dBm时，RxQual和CSD数据传输性能满足UIC标准要求，且通信质量RxQual变好。

3.2 减少切换次数

GSM-R单网结构与单网交织结构相比，站间距增大，切换次数显著减少。在切换执行期间，由于TCH被偷帧变为FACCH，用于传送切换信令，会造成CSD数据传输误包和丢包，传输干扰增加。因此，单网结构下切换次数减少，可以减少切换引起的传输差错，提高服务质量。

3.3 增大频率复用距离

GSM-R单网结构与单网交织结构相比，小区半径增大，频率规划简单，同一频率复用距离增大，网内干扰减小。从这个角度看，能够提升网络服务质量。

以上分析可以得出：在时速250 km及以下的线路上使用GSM-R普通单网，当接收电平≥-82 dBm时，能满足 C3系统 GSM-R网络 QoS要求。

4 C3列控系统GSM-R网络QoS测试情况

在郑西、杭甬、宁杭、哈大等客专线路联调联试期间，对C3列控系统GSM-R网络服务质量指标进行了大量测试，测试情况见表3—表6，对全数站和半数站的指标情况进行对比。

测试结果表明：半数基站条件下各项系统服务质量指标合格，并且大部分测试中半数基站条件下的传输干扰率指标优于全基站打开的情况，同样印证了在普通单网结构下各项服务质量指标均能达标。

表3 郑西客专C3系统GSM-R网络QoS指标测试情况

表4 杭甬客专C3系统GSM-R网络QoS指标测试情况

表5 宁杭客专C3系统GSM-R网络QoS指标测试情况

表6 哈大客专 (沈局)C3系统GSM-R网络QoS指标测试情况

5 GSM-R网络克服干扰方法的研究

根据上述理论分析及实测数据，在普通单网结构下由于C/I的降低，对QoS指标有恶化的影响，为保证指标达标，可在网络抗干扰方面采取一些措施，可以从网络部署、系统和终端设备硬件优化、调整频率三个方面入手。

1.网络部署，主要是增加GSM-R基站数量和固定中继单元等来提高GSM-R场强，而公网和GSM-R基站的协同布站、公网减少EIRP等措施，可使公网基站在铁路轨道上的场强不超过限定的最大值。

2.系统和终端设备硬件优化，可以改进公网基站发射机的滤波器以减少无用发射，更改UMTS基站接收机滤波器可对公网下行功率控制，在GSM-R终端增加滤波器可提高对公网信号的衰减能力。目前，国内广铁集团联合桑达公司进行了在CIR终端加装滤波器，减小干扰的试验，试验结果表明：通信质量明显改善，误包率、传输干扰时间和传输无差错时间等关键指标均有大幅度提升，在不采用其他改进措施的情况下，已基本满足CTCS-3级列控业务通信的严苛要求;乒乓切换和误切换次数明显降低，通信质量劣化导致的乒乓切换、非顺序切换数量大为减少，不到原来的十分之一，同时通信中掉线情况完全消除;通信质量劣化区域大为减少，下降为原来的十分之一左右，剩余的个别劣化区间也可通过特殊技术手段加以解决。这说明终端加装滤波器的确可以改善通信质量。

3.频率调整就是协调GSM-R与公网的频率。

以上解决措施并没有在经济成本和使用效率上进行优化，而是为了达到双赢，即参与各方均能实现各自的义务。

6 小结

对于250 km/h及以下的客专线路和城际线路GSM-R网络，可继续使用300～350 km/h客专线路GSM-R服务质量指标体系对其进行评价，但要注意以下几点：①用户数据帧传送时延与终端的移动速度、GSM-R无线网络结构无关，能够满足指标要求;②网络注册时延、连接建立时延、连接建立失败概率这三个指标，与网络的C/I或者说网络的最小覆盖电平及电磁环境有关，在做好清频及网络设计及优化的情况下，可以达标;③传输干扰率指标不仅与网络的C/I有关，还与终端的移动速度、数据业务传输速率有关，由于250 km/h客专和城际线路较300～350 km/h速度降低，在数据传输速率确定采用4.8 kb/s、做好清频及网络优化的前提下，结合现场实测分析，可以达标;④链路断开概率受网络结构影响较大，在单网情况下，整网的覆盖电平降低，抗外网干扰能力变差，但网内干扰的概率也降低了，因此该指标是否选择原来的10-2/h，还需要测试数据的支撑。

较单网交织，单网结构的可靠性和可用性均有所降低，在出现单点设备故障未恢复的时间段内，无法避免地对经过该覆盖范围的业务产生影响，造成C3信息及重要ATO车-地信息的传输中断，需要C3和C2+ATO系统采取一定的措施，尽量减少对行车和运输效率的影响。

基于以上结论，对250 km/h及以下的客专线路和城际线路GSM-R网络建设提出以下建议：

1.在低于250 km/h的线路上使用GSM-R普通单网，应综合考虑沿线的电磁环境，满足C/I要求，综合考虑全路的电磁环境，最小接收电平可在现有设计规范的基础上适当提高。

2.研究通过在车载终端加装滤波器的方法进一步提高服务质量。

3.通过在BTS上配置冗余载波板或BTS支持，当BCCH载波板故障后可自动倒换到TCH载波板，并将其重新设置为BCCH载波等方式，可极大地提高单基站的可用性。

4.对城际线路，为保证站内重要ATO信息的传送，可在车站覆盖区采用无线冗余覆盖方案，提高局部网络可靠性。

［1］ CTCS-3级列控系统总体技术方案［R］.科技运〔2008〕34号，2008.

［2］ CTCS-3级列控系统GSM-R网络需求规范［S］.科技运〔2008〕168号，2008.

［3］ UIC 《REPORT ON INTERFERENCES TO GSM-R(V2.0)》(2012.5.30)(GSM-R干扰报告(V2.0))［R］.2012.

［4］ 铁总科技(2013)79号.城际CTCTS-2+ATO暂行总体技术要求［R］.2013.

［5］ 钟章队，吴昊，李翠然，胡晓红，陈霞.铁路数字移动通信系统(GSM-R)无线网络规划与优化［M］.北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社.2012(2).