基于动态检测数据的GSM-R网络质量综合评价方法应用研究

杨树忠,赵 波,酒昀洋,孟景辉

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所,北京 100081； 2.中国国家铁路集团有限公司工电部,北京 100844； 3.北京铁科英迈技术有限公司,北京 100081)

1 概述

GSM-R网络是铁路基础设施的重要组成部分，承载铁路调度通信、高速铁路和重载列车运行控制信息，在保障行车安全、提高运输效率等方面发挥着不可替代的作用[1-3]。为更好地掌握GSM-R网络状态，《铁路通信维护规则》[4]要求定期进行动态检测，以便有计划地进行养护维修。目前，动态检测主要通过发现场强覆盖和服务质量检测问题，判断语音呼叫、越区切换、电路域和分组域数据传输业务等检测项目是否达标，来发现设备故障、参数异常或网外干扰等影响GSM-R网络正常运行的因素[5-6]，但未从整体上对GSM-R网络质量进行评价，对铁路局通信专业考核评价也只是选取场强检测问题和越区切换成功率两个检测项目，亟需一个综合各项测试项目的评价方法。

目前，我国铁路工务、供电专业对基础设施运行质量评价进行了深入研究，轨道质量指数TQI[7-9]、接触网运行质量指数CQI[10-12]已在现场广泛应用。通信专业也进行了初步研究，马良徳等[13]从动态检测、接口监测和网管数据中选取测试项目作为评价依据，采用模糊层次分析法计算权重，构建了GSM-R服务质量评价模型，但在实际运用中还存在一些不足：一是选取的测试项目较多，某些测试结果获取较难，评价结果难以计算；二是评价模型没有纳入部分在线路特定位置发生的检测问题，全面性不足。针对以上问题，从指标选取和评价体系方面对模型进行优化，提出以动态检测项目和检测问题为评价依据的GSM-R网络质量综合评价方法，并基于实际检测数据对评价方法进行验证和应用分析。

2 GSM-R网络质量综合评价项目及权重

2.1 选取评价项目

GSM-R网络动态检测项目根据线路装备的列控系统有所不同。CTCS-3和CTCS-2级列控系统的线路均对GSM-R无线场强覆盖、语音呼叫、越区切换、话音质量和分组域(GPRS)服务质量进行测试[14]，CTCS-3线路还对电路域(CSD)服务质量进行检测，主要包括CSD连接建立时延、端到端数据传输时延、传输干扰时间和传输无差错时间等项目进行测试。GSM-R无线场强覆盖主要关注线路是否存在场强覆盖不满足要求或由于设备故障导致场强覆盖异常；语音呼叫主要关注语音呼叫建立相关指标；越区切换主要关注切换成功率及越区切换延时；话音质量主要关注话音等级和载干比统计；GPRS服务质量主要关注UDP端到端传输时延和FTP上传/下载时延及吞吐量等指标。

GSM-R网络质量综合评价，重点选取可表征CTCS-3和CTCS-2线路GSM-R网络实际承载业务运用情况的测试项目作为评价项目，形成评价体系及各项目测试要求标准值，如图1所示，其中，CTCS-3线路12项，CTCS-2线路7项。由于目前GPRS服务质量测试设备不足，无法覆盖全部高铁线路，因此，为保证对网络质量评价依据的统一性，分组域测试指标暂时不纳入评价结果的计算。

图1 GSM-R网络质量评价指标体系

2.2 评价项目权重衡定

根据各项评价项目对GSM-R网络质量影响程度，对评价项目量化赋权。基于层次分析法[15-18]将专家调查结果形成评判矩阵，为减小专家个人的评判差异对评判结果准确性影响，采用对等共识模型[19]对专家评判矩阵进行修正，使任意两位专家之间的一致性均满足要求，计算任意两位专家a和b判断的一致性程度。

(1)

式中，ICIab值越高，一致性程度越小；n为判断指标的数量；q为判断标度。

接着，根据上式计算出专家团队中所有专家相互之间的判断一致性程度。引入专家一致性控制参数ε，对于任意两位专家a和b，若ICIab>ε，则需对判断矩阵Aa和Ab进行修正。

(2)

(3)

(4)

(5)

当任意ICIab≤ε时，专家矩阵一致性满足要求，认为专家们达成了共识。通常ε取1.01。各专家权重按下式计算。

(6)

结合模糊数学思想，将评价矩阵转换为三角模糊判断矩阵后计算得到初始权重，再将初始权重去模糊化后得到各项指标最终权重，结果如表1所示。

表1 评价指标权重

3 GSM-R网络质量综合评价方法

3.1 单项指标评价函数设计

利用功效函数Logsig函数[20]对不同量纲的GSM-R网络测试项目进行归一化处理，将各项测试项目结果范围统一至[0，10]，且以评价结果为0表示参数达到理想状态。按测试项目特点，可将参评指标划分为2类，第1类指标取值越大越接近理想状态，第2类指标取值越小越满足测试规范，表1中的参评指标除越区切换平均时延、呼叫建立失败概率和CSD连接建立失败概率属于第2类指标外，其他均为第1类指标。按照此特点可将这2类指标分别表示为式(7)、式(8)。

(7)

(8)

式中，score(xi)为每项测试项目评价函数计算得分；α和β为特定参数，依据测试项目的取值范围、规范要求及分布规律设定参数，可使评价函数符合测试项目自身特征，从而实现单项评价。

评价函数score(xi)值域为[0，10]，为便于对线路GSM-R网络质量规范化管理，将单个指标得到的评价函数计算各指标项换算为百分制，从而得到最终得分SCORE(xi)。

3.2 GSM-R网络质量综合评价模型构建

GSM-R网络质量综合评价指标体系涉及语音呼叫、越区切换、话音质量和CSD数据传输等4个方面业务，从指标中可体现线路语音质差和切换失败等检测问题的发生情况，但无法表征场强覆盖不合格、场强覆盖异常和掉话等3类检测问题。场强覆盖不合格问题是指线路中存在覆盖电平不满足线路最小可用接收电平要求，CTCS-3线路最小可用接收电平要求不低于-92 dBm，CTCS-2线路最小可用接收电平要求不低于-98 dBm[21]。若线路覆盖电平满足要求，但由于设备工作异常等原因导致某位置电平产生异常变化，则判定为场强覆盖异常问题。掉话是指在语音呼叫中异常释放。因此，对三类问题设立单独扣分制，按各类问题对CTCS-3或CTCS-2线路GSM-R网络质量影响的严重程度设定相应的分值，具体扣分规则如表2所示。线路累计扣分上限为2分，即当一条线路服务质量问题扣分总数≥2分时，均扣2分。

表2 检测问题扣分规则

结合对GSM-R网络评价体系中各项指标评分加权以及针对检测问题的单独扣分，最终GSM-R网络质量评价指数(GQI)计算公式为

(9)

式中，N为测试指标个数，CTCS-3线路值为12，CTCS-2线路值为7；wi为指标权重值；SCORE(xi)为本线路在第xi个指标上的百分制最终基础得分。P(X)为三类GSM-R网络检测问题扣分。

若因检测设备异常等原因漏检，导致部分测试指标缺失，可按照表1中权重比例对剩余有效指标权重进行重新划分，保证在有个别指标缺失的情况下仍能对线路GSM-R网络质量进行评价。但若CTCS-3线路缺失指标超过5项，或CTCS-2线路缺失指标超过3项，则判定该线路GQI计算结果无效，不予计算。

除评价铁路全线GSM-R网络状态外，GQI也可按照铁路局管辖范围对线路进行评估，从而实现评价全局管辖所有GSM-R网络的整体状况。根据各路局不同线路里程长度，加权计算各路局每月平均GQI，具体计算公式为

(10)

式中，N为路局C管辖线路总数量；GQI(n) 为该路局管内第n条线路GQI值；L(n)为该路局管内第n条线路里程长度；GQIC为路局C最终平均GQI。

全路路局总平均GQI按路局数量进行平均，具体计算公式为

(11)

式中，M为参与计算的路局数量；GQI(m)为第m个路局的GQI值；GQIaverage为全路路局总平均GQI。

4 评价方法应用

选取6条CTCS-3线路实际通信动态检测数据，验证GSM-R网络质量综合评价模型的合理性、有效性和准确性。对各线路的切换成功率、连接建立时间<5 s(10 s)概率、连接建立失败概率等12项测试指标分别进行评价，每条线路单项指标评价结果分布如图2所示，线路参评项目评分见表3。

由图2和表3可知，线路A连接建立失败概率为1.57%，不满足指标要求(不高于1%)，因此，CSDPCEF评分较低，仅为84.29，导致CSD测试项目评分为98.02。线路B越区切换平均延时为246 ms，与全路平均值相比偏高，因此，AHODLY评分略低，仅为94.76，导致最终越区切换项目分数为98.46。线路C传输干扰时间<1.0 s的概率为98.81%，不满足指标要求(不低于99%)，因此，指标TTI1评分仅为85.25，导致CSD测试项目评分为97.17。线路D传输无差错时间>20 s的概率为94.06%，传输无差错时间>7 s的概率95.41%，TREC20和TREC7两项指标均不满足指标要求(不低于95%、不低于99%)，因此，评分分别为87.91和84，导致CSD测试项目评分为94.71。线路E越区切换平均延时为246 ms，与全路平均值相比偏高，AHODLY指标评分为94.76，C/I≥12的百分比为95.65%，低于全路平均值，CI指标评分为95.82，导致该线路越区切换、话音质量测试项目评分分别为98.46和98.01；此外，线路E的CSD传输干扰时间和传输无差错时间在部分线路里程位置出现异常，如图3所示，最终全线传输干扰时间<0.8 s的概率为95.8%，传输干扰时间<1.0 s的概率为97.6%，传输无差错时间>20 s的概率为93.4%，传输无差错时间>7 s的概率为94.6%，均不满足指标要求，最终导致CSD测试项目评分仅为90.65。线路F各项目评分较高，测试指标结果均良好，未发现异常。

图2 CTCS-3线路指标评价分布

图3 线路E CSD传输干扰率指标分布

依据各测试项目所占权重，计算6条CTCS-3线路最终GQI分别为98.86，99.7，98.34，96.92，94.05，99.97，见表3。

表3 CTCS-3线路参评项目评分

选取6条CTCS-2线路，对各线路的切换成功率、呼叫建立失败概率、话音等级≤4级的百分比等7项测试指标分别进行评价，每条线路单项指标评价结果分布如图4所示，线路参评项目评分见表4。

图4 CTCS-2线路指标评价分布

由图4和表4可知，线路G切换成功率为94.12%，不满足指标要求(不低于99.5%)，HOSR指标评价得分仅为88.13，导致越区切换项目评分为91.51。线路H呼叫建立失败概率为2.27%，不符合指标要求(不高于1%)，PCEF指标评价得分为84，导致语音呼叫项目评分为92.9。线路I连接建立时间<7.5 s(15 s)的概率为98.99%，略低于指标要求(不低于99%)，因此，PTCE7.5指标得分91.48，导致该项目总体得分为97.74。线路J载干比C/I≥12的百分比为95.21%，低于全路平均值，CI指标得分93.33，最终导致话音质量项目评分为96.80。线路K各项测试指标均无异常，但检测发现一处场强覆盖异常问题，因此，在线路GQI中扣除0.2分。线路L切换成功率为82.35%，远低于指标要求，导致越区切换项目评分仅为88.14；在线路L下行检测中，载干比持续低于12，话音等级多处超过4级，导致语音质差，如图5所示，因此，线路C/I≥12的百分比为81.19%，话音等级≤4级的百分比为91.17%，导致话音质量项目最终评分仅为84.1。

按照各测试项目所占权重，计算6条CTCS-2线路最终GQI分别为97.2，97.53，99.24，98.92，99.72，90.64，见表4。

表4 CTCS-2线路参评项目评分

图5 线路L话音等级及载干比分布

GSM-R网络质量综合评价方法除可以对线路进行整体评价外，还可对同一条线路的不同路局管辖范围内的区间段分别作GQI评价。选取某CTCS-3级线路及其管辖的3个路局动态检测数据计算GQI，分布如图6所示。从图6可以看出，各路局在越区切换、语音呼叫和话音质量等3个项目测试评分均接近100，而在CSD数据传输测试项目方面，路局a和b均存在不满足指标要求的情况，导致该测试项目评分分别为94.19和96.47，而路局c由于指标均合格评分为99.98，最终3个路局GQI评分分别为96.66，97.97，99.98，分数及排序符合预期。

图6 某线路区分管辖路局GQI分布

5 结语

基于现有GSM-R服务质量评价模型基础上对其进行优化，提出了更易于实现、评价依据更加合理的GSM-R网络质量综合评价方法。本评价方法基于动态检测项目和检测问题，实现了对不同列控等级线路的GSM-R网络质量的综合评价。结合实际CTCS-3线路和CTCS-2线路动态检测数据，对评价方法进行应用，并对结果进行了验证分析。

通过评价结果分析可知，GSM-R网络质量综合评价方法综合语音呼叫、越区切换、话音质量和CSD数据传输等项目测试结果，以及无线场强覆盖和掉话问题发生情况，可以合理、直观地描述线路GSM-R网络整体运行状态，并可对各测试项目单独进行定量评价和分析。通过计算分析各铁路线路GQI，为GSM-R动态检测数据趋势分析、GSM-R网络质量影响因素分析和GSM-R无线网络管理决策提供支持。