铁路GPRS网络承载能力优化的研究

欧阳朔

(中国铁路北京局集团有限公司北京铁路通信技术中心，北京 100038)

1 概述

随着中国铁路飞速发展以及智慧铁路概念的提出，中国铁路信息化水平不断提升，铁路通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）网络承载的车地间数据通信业务种类越来越多，有限的带宽与快速增长的业务量之间的矛盾日益突出，在下一代铁路宽带数字移动通信网络正式投入运用之前，有必要立足于既有网络，进行合理优化，挖掘系统潜力，提高网络承载能力，更好的服务于铁路运输生产。

2 存在的主要问题

2.1 无线信道拥塞

该类问题主要表现为小区内终端GPRS 业务时断时续，传输速率低，数据包环回测试时延较大，多发生于业务量较大的地点，例如大型客站、动车所等特定小区，时间段也相对集中。

在运营维护中，可以小区临时数据块流（Temporary Block Flow，TBF）分配成功率指标作为依据进行判断，以某大型客站小区一天的统计数据为例如表1 所示，可以看出，在整个行车时段，该站的TBF 上、下行分配失败率均较高，远超维规指标要求。

2.2 业务优先级得不到保证

目前GPRS 网络中已承载了调度命令、进路预告、客运站车、列尾、列控设备动态监测系统（Dynamic Monitoring System，DMS）等多种业务，今后还将承载列车自动运行（Automatic Train Operation，ATO）列控业务。受限于频率资源紧张的现状，各种业务需要争抢空口资源，由于目前未对业务优先级进行划分，提供差异化的服务质量保障，在多业务并发时会影响行车调度以及列控类业务的正常使用。

表1 某大型客站小区TBF分配失败率统计表Tab 1 Statistical table of failure rate of cell TBF allocation in a large passenger station

3 相关技术的研究

在既有频率资源得不到扩充的情况下，提高GPRS 网络承载能力需要研究解决两个方面的问题：一方面是增加分组信道数量，提高分组信道传输带宽。另一方面是对业务进行分类，让高优先级业务的传输时延、带宽等指标能够得到保障，因此需要对相关技术进行深入的研究。

3.1 信道配置

现网GPRS 信道配置均采用静态信道加动态信道的方式，静态信道固定分配给GPRS 业务使用，动态信道在未被电路域业务占用时可供GPRS 业务使用，但在小区内话音信道全部被占用时，若有新的电路域业务请求，即便动态信道已经被GPRS 业务占用，网络也会将动态信道清空，分配给电路域业务使用。

配置分组信道数量的方式主要分为两种，一种是按载频、时隙进行配置，一种是按小区业务信道数的百分比随机指配。各厂家设备具体配置情况如表2 所示。

表2 现网分组信道配置情况表Tab 2 Configuration table of current network packet channel

由表2 可见，目前现网小区最大可用分组信道数量一般配置在4 ～6 个之间，而2 载频小区可用业务信道总数为14 个，3 载频小区可用业务信道总数为22 个，扩展动态分组信道的空间还很大，因此在出现拥塞的小区可以适当增加动态分组信道数量。

从终端的角度来看，为了得到更高的速率，通过多时隙配置，同一终端可占用多个分组信道进行GPRS 业务。第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）规范定义了29 种多时隙级别，目前终端支持的多时隙级别主要有8、10、12 级如表3 所示，均具备捆绑4 个时隙的能力，因此在信道配置上，应尽可能的在同一载频上配置连续的4 个时隙，以充分利用终端多时隙能力，提高传输速率。

表3 终端多时隙级别情况表Tab 3 Table of terminal multi-slot levels

3.2 信道编码

GPRS 信道定义了4 种编码方案，从CS1 至CS4，对应的吞吐量越高，纠错能力也就越弱，相应的对网络覆盖要求也就越高。目前现网普遍采用的是CS1 和CS2 信道编码方案，能在满足同频C/I ≥12 dB 的条件下，实现小区的100%和90%的覆盖，每时隙数据速率为9.05 kbit/s 和13.4 kbit/s。

增强数据速率的GSM 演进方案（Enhanced Data Rate for GSM Evolution，EDGE）是在GPRS 系统的基础上发展出的技术，它通过引入八进制相移键控 (8 Phase Shift Keying，8PSK)调制方式，每个符号传送3 bit 信息，提高了编码效能，理论速率是GPRS 系统的3 倍。通过在西成线江油至广元段、呼张线卓资东至乌兰察布段进行的现场测试来看，在既有网络条件下不作硬件改造调整，在开启EDGE 后，与GPRS 相比在传输时延、上传/下载吞吐量上有明显优势，可以减少35%的传输时延，提高70%的上传速率以及90%的下载速率，在小区的中心区域，能够获得较高的数据速率，而在小区的边缘，传输速率也能达到与GPRS 相同的水平。

此外，在高速适应性上，EDGE 引入了链路自适应技术，能根据用户无线信道条件的动态变化自动选择调制和编码方案，允许在采用较高速率的编码方式传输失败时，将数据分解后采用较低编码的方式进行重传，相比GPRS 中只能采用原来编码方式重传的机制，能更好的适应无线传输环境变化的情况。

部署EDGE 技术不需要增加新的网络设备，核心网侧仅需对既有GSM-R 分组域核心网设备进行必要的软件升级便可，主要瓶颈在于无线侧Abis接口，引入EDGE 后数据速率增大，想要充分发挥EDGE 的作用，需要增加相应小区Abis 接口时隙数，以避免Abis 接口拥塞造成TBF 分配失败，现网一般采用4 ～5 个基站通过1 条E1 电路组成环网接入基站控制器（Base Station Controller，BSC）设备，在开启EDGE 后需增加E1 电路或改为2 ～3 个基站成环，为此需要扩容既有无线网设备Abis 接口并对基站传输网进行比较大的调整。

3.3 服务质量管理

现行的铁路相关标准、规范在G PRS 网络服务质量（Quality of Service，QoS）方面均是摘引自3GPP R97/98 版本中的相关规定，规定的QoS 参数有可靠性、优先级、延迟等级、最大吞吐量、平均吞吐量等，允许终端基于不同的业务应用需要，在分组数据协议（Packet Data Protocol，PDP）上下文激活时与网络进行QoS 参数协商。在实际应用中，网络仅仅是在PDP 上下文激活时对终端请求的QoS 参数进行核对，如果超出了归属位置寄存器（Home Location Register，HLR）中设置的参数值上限，则以HLR 中的设置为准，如果终端不接受网络给出的QoS 参数则终止会话，关闭PDP 上下文，网络实际上根本没有有效的机制来控制无线资源，区分优先级提供服务质量控制。

在3GPP R99 版本中增加了对实时业务的支持，在R97/R98 版本的基础上增加了最大业务数据单元(Service Data Unit，SDU)长度、上行/下行最大速率、上行/下行保证速率、发送次序、是否发送错误的SDU、残留比特错误率、SDU 错误率、业务处理优先级、传输延迟、分配与保持优先级、扩展下行最大速率、扩展下行保证速率、无线优先级、流量等级等参数。

在信令流程上，当终端发起PDP 激活后，SGSN 首先会确认无线侧资源是否满足终端提出的QoS 需要。确认资源可用后，无线侧会创建与该PDP 上下文相对应的分组流上下文（Packet Flow Context，PFC），用于在无线侧与SGSN 间进行QoS 信息交互。PFC 在其生存周期中可以修改，当资源可用性发生变化，不能支持商定的QoS 参数时，无线侧可以随时请求修改既有PFC 的内容。小区重选时，终端的PFC 也会被传递到新的小区进行QoS 参数协商，新小区资源不足时会基于新小区可用资源修改QoS 参数。

但需要特别注意的是，在收到终端上报的“PDP 上下文激活请求”消息之前，GPRS 网络无从获知终端申请的业务优先级，也不会为高优先级业务进行资源预留。在这一阶段，各类终端完全平等的争抢TBF 资源，也就是说，在TBF 拥塞的情况下，是无法实现QoS 优先级功能的，在非拥塞情况下才可以保证业务的比特率，因此需要避免分组信道拥塞，保证PFC 功能有效。

目前，中国国家铁路集团有限公司（以下简称中国铁路）针对ATO 业务的应用需要，发布《高速铁路ATO 系统与GSM-R 网络接口暂行规范》（科信基函[2018]38 号），对承载ATO 业务QoS 参数的取值进行规定。但对承载的其他GPRS 业务QoS 参数缺少相关规定，通过查阅国际铁路联盟（International Union of Rail ways，UIC）的相关报告和标准，梳理出部分参数建议取值如表4 所示。可以看出，UIC 基于欧洲的应用情况，仅针对列控、非列控业务进行了区分，跟中国铁路业务应用情况存在差异，不能生搬硬套。

表4 相关报告、文件对QoS参数建议取值情况表Tab 4 Table of recommended values of QoS parameters in relevant reports and files

4 方案建议

通过对上述技术的研究，结合网络现状，建议如下。

1）根据业务运用情况，适当扩大动态分组信道数量，将数据业务量大，存在TBF 拥塞现象的基站（例如车站、枢纽、动车所等处及周边的基站）每个载频上的4 至7 时隙都定义为分组信道，即2 载频基站配置8 个分组信道，3 载频基站配置12 个分组信道。

2）新建、改造线路GSM-R 网络建议启用EDGE 功能，扩大动态分组信道数量后仍然存在TBF 拥塞的既有线路基站可以开启EDGE 功能，但需要考虑调整基站环组网和扩容Abis 接口的问题。

3）建议对分组域业务QoS 参数取值进行研究，在列控类、监控类业务之外，将调度命令、车次号校核等行车指挥类业务归为一类，其优先级应介于列控类、监控类业务之间，通过实验室仿真与现场测试，确定合适的QoS 参数设置，并尽早启用分组域QoS 功能。