GSM-R系统与GSM系统兼容性测试方法的研究

高建平　周 鹏

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路轨道交通运行控制系统工程技术研究中心，北京 100073）



GSM-R系统与GSM系统兼容性测试方法的研究

高建平1，2周 鹏1，2

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路轨道交通运行控制系统工程技术研究中心，北京 100073）

高速铁路建成后，运营商为了解决由于CRH车体密封性好、损耗高，列车速度快等原因，车厢内通信质量明显下降而进行了高铁专网覆盖。为保障高速铁路通信网GSM-R系统的稳定，研究GSM-R系统与GSM系统兼容性测试的办法。

GSM-R；GSM；系统兼容测试方法

1　概述

GSM-R是铁路专用通信系统，作为保障铁路运输安全的调度指挥及行车控制系统，GSM-R数据传输的可靠性和实时性对无线网络质量有很高的要求。

铁路提速后，由于CRH车体密封性好、损耗大、运行速度快等原因，导致车厢内公网通信质量明显下降，列车内公网通信成为移动通信网络中急需要解决的问题，传统的网络规划、网络建设和优化思路已经不能满足在高速移动场景下的通信需要。运营商综合分析高速列车对网络质量需求，通过大量测试和研究，分析了影响网络质量的主要因素，参照GSM-R网络覆盖在高铁沿线建立了专门覆盖高速铁路的移动高铁专网系统。

由于GSM-R网络由GSM发展而来，并且两系统所用频率相邻，为保障GSM-R网络安全的同时能够为旅客提供优质的移动网络服务，保证GSM-R与GSM网络不相互产生干扰，对开通的GSM-R系统与GSM系统的兼容性测试显得尤为必要。

2　相关技术分析

CTCS-3级列控系统对GSM-R网络业务和QoS需求如下。

为了满足CTCS-3的需求，UIC规范中规定了GSM-R网络作为承载列控系统的网络时需要满足的QoS性能指标与ETCS 2对GSM-R的要求基本相同。

1）移动台发起的连接建立时间：即连接建立请求到成功建立连接之间的时间，必须满足＜8.5 s（95%），≤10 s（100%），当连接建立时间大于10 s时，认为连接建立失败。

2）连接建立失败概率：在连接建立尝试中，不成功次数与总次数的比值。CTCS-3要求连接建立的失败概率＜10-2。而为了达到CTCS-3所要求的＜10-4，网络允许进行两次连续的建立尝试。

3）最大端到端传输时延：发送方开始传输用户数据块的第一个比特到接收方接收到此数据块最后一个比特的时延，对大小为30 Byte用户数据块，要求≤0.5 s（99%）。

4）连接丢失概率：一定时间内连接无故释放的次数，要求满足≤10-2/h。

5）传输干扰时间：建立连接后，在数据传输过程中存在别的载波干扰时间，用Tn表示，要求满足＜0.8 s（95%），＜1 s（99%）。

6）传输无差错时间（传输恢复时间）：即一个传输干扰时间之后跟随着一个传输无差错时间，用TREC表示，用于重传错误或丢失的数据及等待传输的数据，要求TREC＞20 s（95%），＞7 s（99%）。

3　测试系统及测试方法

为降低工程造价，提高测试效率，GSM-R与GSM共建兼容测试方法，可从3个方面进行测试：静态测试、动态测试、测试验证。

1） 静态测试

静态测试系统搭建由频谱仪、频谱分析软件和配套设施（50 dB衰减器、30 dB衰减器、10 dB衰减器、馈线、转接头等）组成。静态测试系统示意如图1所示。

测试时，在GSM-R机房与GSM机房，断开BTS合路器与馈线连接。通过馈线转接头按“静态测试系统示意图”连接设备，衰减器首先选择50 dB衰减器，依次递减，使得最大信号控制在30 dBm（1 W）以下。

在GSM-R系统BTS合路器测试时，频谱仪测试频段首先使用930～934 MHz，校核基站使用频点，确认移动基站各载频均已开启；然后选择GSM系统频段934～954 MHz/889～909 MHz，查看GSM-R系统是否存在带外信号落在GSM频段内。

在GSM系统BTS合路器测试时，频谱仪测试频段首先使用934～954 MHz，校核基站使用频点，确认移动基站各载频均已开启；然后选择GSM-R系统频段930～934 MHz/885～889 MHz，查看GSM系统是否存在带外信号落在GSM-R频段内。

2） 动态测试系统及方法

动态测试系统搭建由频谱仪、频谱分析软件、标准天线（GSM频段全向和测向）和配套设施（测试车、馈线、天线支架）等组成。动态测试系统示意如图2所示。

测试方法，到达预定的测试点，记录测试时间、测试点周边环境（遮挡情况、公网基站情况、GSM-R基站使用情况）、天线距离铁路轨面及地面高度等基本信息。

测试公网基站对GSM-R基站干扰情况时，首先确认（通过测试手机或天线+频谱仪）公网基站处于开启/关闭状态，采用全向天线对GSM-R频段进行全频段、全方位扫描；测试GSM-R基站对公网干扰情况时，同样先确认GSM-R基站使用状态，采用全向天线对GSM频段进行全频段、全方位扫描。

测试时频谱仪检波方式选用峰值检波，trace采用最大保持、平均、实时等方式，记录被测频段信号，测试10～20 min，存储频谱图。测试期间若瞬间全频段底噪明显抬升，则重新设置仪表参数进行测试。

利用信令识别设备进行测试，判断测试点周边是否存在TCH使用GSM-R频点，未采用跳频序列的小区，还需使用信令识别设备多次拨打测试，检测所有未参与跳频序列的频点。使用信令识别设备的FORCING FUNCTION（强制功能）中SET BCCH（锁定BCCH）功能测试各小区的TCH信道进行拨打测试。并记录LAI、BSIC、CGI、BCCH、TCH等信令数据，结合信令数据分析测试频谱图各频点信号判断信号类型。利用信令识别设备通过注册GSM-R基站BCCH或占用数据/话务信道，测试GSM-R基站各频点的C/I，分析各信道的干扰程度，可通过比对移动基站开启/关闭情况下GSM-R各载频（BCCH、TCH）C/I变化，判断是否存在同频干扰。干扰信号具有GSM频谱特征且无信令时根据信号特征适当扩展频率扫描范围，进一步分析与其他信号的关系，计算测试点周边各小区信道的互调信号是否落在GSM-R频段内。分别对开启和关闭的基站进行上述测试并进行频谱图和数据的比较。

3） 测试验证

测试验证系统搭建主要由车载天线、车载测试模块及分析软件和配套设施（如笔记本电脑、GPS）等组成。测试验证系统示意如图3所示。

测试验证时，按示意图接好测试设备，启动测试软件，待列车启动后用软件记录测试结果，将采集数据与标准进行对比分析。

其中，GSM-R系统的测试验证使用列车车顶天线，公网系统验证使用车内天线。

4　载干比数据处理方法的研究

1）载干比

载干比是指加到接收天线输入端的有用信号功率（C）与干扰信号（I）功率的比值。载干比通常反映信号在空间传播过程中，接收端接收到信号的优劣。为了提高频谱利用效率，在无线通信系统中，通常会采用频率复用技术。即如果蜂窝布局不好，干扰源将会增多，载干比将会下降。每簇中小区数目越多，载干比C/I越大，网络质量越好。

2）测试中载干比的数据

静态测试中，通过测试设备收集的一组采样数据，收集到的数据显示均小于20。为了得到更精确数据来评估现场情况，我们对数据进行了分析处理。

3）数据分析

由于数据测量具有一定的随机性，因此，数据存在一定偏差，为了能够得到更加可信的数据，我们通过对数据进行了统计上的分析。

我们将接收到的数据首先进行归纳排序。

根据正态分布：

得到正态分布曲线，那么得到的正态分布曲线按照工程上的C/I大于12 dBm要求作为判别标准，当μ±3σ≥12 dBm时，我们认为取得的数据有99.7%大于12 dBm，可以作为合理可信的数据。

例如测试中，我们采集到的一组C/I数据，那么将数据首先进行正态分布的计算：其中假设数据有10个（n1，n2……n10），其中μ0=16，σ=0.5。

得到的正态分布如图4所示。

那么在这一段时间之内C/I的取值数为μ±3σ。

5　结束语

随着技术的发展和社会的进步，高铁线路会越来越多的出现，公共移动通信网和铁路专用GSM-R网络之间的交织也会越来越密集，为了能够保障乘客安全出行的前提下给旅客提供更好更优质的通信网络，网络兼容性测试的方法也会不断提高和完善。

High-speed railways should be covered with private networks to increase the communication quality inside cars due to CRH high-speed trains with well sealed car body， high signal loss and high speed. In order to ensure the stability of GSM-R systems of high-speed railway communication networks， this paper studies a test method of system compatibility between GSM-R system and GSM system.

GSM-R； GSM； test method of system compatibility

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.02.013

2013-03-12）