时速350 km及以上高速铁路GSM-R系统QoS性能研究

代 赛，费 丹，姚欣楠，胡晓红

GSM-R网络运行稳定,在实现铁路通信数字化、机车同步操控、列车控制信息传送、保障列车通信和运行安全等方面发挥着重要作用。目前,京沪高铁、京津城际已按350 km/h速度运营,京广高铁也已计划恢复350 km/h运营速度。虽然GSM-R系统支持最高速度500 km/h,但是目前实际运营线路的最大设计速度目标值均不超过350 km/h。在相关设计标准和验收规范中,一般将设计速度分为v≤220 km/h、220 km/h＜v≤280 km/h、v＞280 km/h 3个等级,未对v＞280 km/h做更详细的划分［1］。因此,有必要研究GSM-R系统在时速350 km及以上条件下的QoS性能。

与低速状态相比,高速铁路环境中无线信道最突出的问题是存在较大的多普勒频偏,因此需认真了解研究。

1 多普勒频偏

由于发射机与接收机之间存在相对运动,接收机接收到的信号频率将与发射机发出的信号频率之间产生一个差值,这个差值就是多普勒频偏［2］。

多普勒频偏fd计算公式：

式中：f为信号载频；v为移动速度；c为电波传播速度（3×108m/s）；θ是电波传播方向和移动台运动方向之间的夹角。

高速铁路场景下,多普勒频偏示意见图1。其中,d为基站覆盖半径,t为列车进入基站覆盖区的时间,h为基站天线到铁路的距离。可见

图1 多普勒频偏示意

由式（1）和（2）可得

以d=1 500 m,v=300 km/h,h=50 m,GSM-R下行信号频率f=930 MHz为例,单基站下多普勒频偏（fd）随时间（t）变化见图2,连续基站多普勒频偏为单基站多普勒频偏曲线的重复。

图2 多普勒频偏变化示意

从图2可见,在高速铁路场景中,由于列车运行速度快,多普勒频偏明显大于公众移动通信网。同时,由于GSM-R系统一般采用线状覆盖方式,基站距铁轨较近,当列车通过基站时,在很短的时间内多普勒频偏会由正转负,变化率较高,具有快速动态变化的特点,这一点在公众移动通信网中一般不会出现。

较大的多普勒频偏会导致信号失真,通信质量恶化；而多普勒频偏快速动态变化则会导致信道呈现显著地时变特性,即信道特性随时间快速变化,使信道估计、均衡等处理算法性能恶化［3］。因此,当列车运行速度提高时,有必要搭建试验环境,采用信道建模的方式,验证不同速度等级（350,400,450,500 km/h）下高速铁路多普勒频移对GSM-R系统分组域和电路域服务质量的影响。

2 仿真测试

2.1 仿真环境组成

高速移动半实物仿真系统构成见图3,主要包括无线信道仿真子系统、GSM-R网络（核心网、BSC、BTS等）、GSM-R终端,以及QoS测试系统软件、GSM-R QoS地面服务器及软件、射频电缆、射频配件（如衰减器、双工器、功分器/合路器）等［4-5］。本文采用2个小区进行仿真,模拟GSM-R基站子系统采用交织单网的覆盖方案,根据铁路网络覆盖验收要求,同频干扰信噪比设置为最低18 dB。终端1用于电路域指标测试,终端2用于分组域指标测试。

图3 高速移动半实物仿真系统构成

2.2 大尺度衰落仿真

高速铁路GSM-R系统半实物仿真的基本原理为：通过无线信道仿真子系统模拟高速铁路开放的电波传播环境,即GSM-R测试模块与基站之间的空中接口不通过空间传播,而通过射频线缆接入无线信道仿真子系统,由无线信道仿真子系统通过控制和设置各项参数,实现对不同覆盖场强、不同多径信道模型、不同列车运行速度、不同干扰和噪声条件下的电波传播环境的模拟,通过射频线缆与实际若干个GSM-R基站相连［6-7］。其中,覆盖场强直接采用高速铁路现场采集的场强数据（图4）,经过格式处理和归一化后,导入无线信道仿真子系统,模拟不同基站覆盖场强的时间变化规律,从而模拟列车运行到不同位置的信号强度所发生变化,进而在实验室环境下,实现移动台越区切换（图5）的全过程［8］。

图4 场强数据

图5 越区切换模拟示意

2.3 小尺度衰落仿真

目前铁路环境中多径模型方面正在研究中,暂时还没有一个公认的标准模型。考虑到高铁线路以高架桥为主,高架桥环境较为开阔,多径相对较少,时延扩展较弱,仿真时采用COST 207 Rural Area 6径模型（RAx6）作为信道模型,如表1所示［9-10］。

表1 GSM_RAx6信道模型

3 性能测试

为研究GSM-R高速移动场景下的性能,本文分别对越区切换场景的GPRS业务性能（UDP时延、丢包率）和单小区下的下行接收性能进行了测试。其中,“越区切换场景”是指仿真列车在高速运行的情况下,进行连续的越区切换/小区重选,终端模块在每个小区驻留20～30 s,同时进行UDP数据传输。前者用于研究分析网络的整体性能,后者用于研究分析具体的影响因素。

由于高速铁路自动驾驶系统在车地信息传输部分与CTCS-3级系统的差别,主要是增加了临时限速服务器与无线网络设备的接口。临时限速服务器通过GSM-R网络采用GPRS技术,实现与自动驾驶系统车载设备双向通信,每条无线消息的长度不超过500字节,故本文对越区切换场景下的GPRS业务性能仿真时,选取500字节包长度。

3.1 越区切换场景性能仿真

越区切换场景下,不同速度的UDP传输平均时延及丢包率分别见图6和图7。随着列车运行速度的增加,UDP传输时延和丢包率均呈现明显增长。

图6 UDP传输平均时延

图7 UDP丢包率

3.2 单小区下行接收性能仿真

GSM-R系统中,当下行接收质量（RxQual）在4级及以下（95%）时,CSD数据传输误码能够被纠错。因此,本文对不同列车运行速度在满足RxQual≤4（95%）条件下,所需下行最小可用接收电平进行了对比测试。

由于列车运行速度为500 km/h时,接收电平调节至-70 dBm也无法达到所需的接收质量,故最小可用接收电平仅对列车运行速度为350 km/h、400 km/h、450 km/h进行对比测试。同时,在列车运行速度为500 km/h时,专门对接收电平固定为-70 dBm条件下,多径数量对下行接收质量的影响进行了测试。

RxQual≤4（95%）条件下,单小区不同速度下行最小可用接收电平见图8。该条件下,不同列车运行速度所需最小接收电平和列车运行速度有关。当列车运行速度提高时,满足RxQual≤4（95%）条件下的所需最小可用接收电平明显提高。

图8 单小区下行最小可用接收电平（RxQual≤4（95%））

500 km/h速度下,不同多径数量时接收质量≤4的百分比（电平条件为-70 dBm）见图9。仅当信道径数减少至2时,才能满足RxQual≤4（95%）的要求。因此,当列车运行速度为500 km/h时,随着高速仿真模型信道径数减少,下行接收质量明显提高。

图9 500 km/h速度下，不同多径数量时接收质量≤4的百分比

4 结束语

本文针对GSM-R系统在350 km以上时速的高速适应性进行了研究,利用无线信道仿真仪及GSM-R网络终端设备,基于现场实测数据和标准信道模型,搭建了高速铁路场景下的半实物仿真系统；对高铁场景下的多普勒特征进行了分析,得到了高速铁路切换条件下的多普勒变化特征；在此基础上开展了GSM-R QoS性能测试,得到了越区切换场景下的UDP传输平均时延和丢包率的测试结果,直接反映了速度对以上指标的影响；为了研究具体的影响因素,进一步分析了不同列车运行速度下的下行最小可用接收电平要求,给出了单小区的下行接收质量测试结果,并分析了列车运行速度为500 km/h时,多径效应对接收质量的影响。