基于GSM-R的移动通信无线信道传输特性分析

胡雯雯

摘要：随着信息技术的不断进步，高速铁路行业也取得了显著发展，其中GSM-R无线通信网络的发展和应用功不可没。随着铁路速度的增加，通信信道稳定性和可靠性成为一个挑战，通信中经常出现数据传错、延迟和越区切换等问题。本文旨在基于GSM-R无线通信系统，分析列车在高速行驶过程中进行越区切换时，无线信道数据传输的可靠性，以保证高速列车的实时高质量通信。

关键词：GSM-R，无线信道，越区切换，通信质量

随着我国高铁和无线通信技术的不断发展，无线通信技术和高铁的密切结合将成为经济快速发展的新动力。在未来，随着无线通信技术水平不断提高，人们的需求也会随之增大，特别是对于传输速率和通信质量的需求。随着高铁的行驶速度不断提升，有的时速甚至达到350km以上，信道的传输特性也将会发生变化。因此，如何在不断变化的信道中实现高质量传输成为无线通信研究领域的热点。只有不断提高信号在具有时变特性的信道中的稳定性，才能规划出符合高速列车特点的无线通信系统[1]。

GSM-R是专门用于满足高铁通信需求的无线通信系统。在高速铁路系统中，GSM-R是不可或缺的一部分，它解决了高鐵在通信业务方面的各种需求。但高速铁路系统中的通信仍面临着一些挑战，其中数据信号在无线信道上的传输有效性和可靠性是关注的重点[2]，在实际应用中，越区切换阻塞等问题经常发生。这主要归因于沿线环境的复杂性以及列车高速行驶的影响，这些因素都严重影响了信号在无线信道中的传输质量[3]。

在铁路领域中，国际铁路联盟对专用调度通信有具体的要求，因此GSM-R系统为了满足这些要求，在GSM（全球系统移动通信）的基础上添加了通用集群和调度通信的功能。GSM-R系统基于GSM技术标准，专注于铁路应用。在20世纪90年代，国际铁路联盟与欧洲电信标准组织共同提出了下一代铁路通信系统的标准技术。

随后，GSM-R系统成为车地之间进行信息传递的铁路专用通信系统。为了满足铁路运输通信和调度指挥的需求，根据国家规划，正在建设“八横八纵”铁路网。在这个规划中，GSM-R网络被用来实现全部覆盖，以提升铁路网服务的全面性[4]。这意味着GSM-R系统在铁路通信中发挥着重要的作用。

一、GSM-R移动通信系统

（一）GSM-R系统概述

GSM-R系统主要设备包括地面设备、车载设备以及车的传输设备。通过车载设备和地面通信站之间的信息传递，地面通信站可以处理覆盖范围内列车的信息，并将其传输给列车。这样，列车就可以正常有序地运行[5]。GSM-R系统结构如图1所示。

在GSM-R系统中，数字传输系统是连接各子系统的传输信道，其中包括为提供相关服务所需要的传输设备或单元，比如传输光缆、传输电缆以及其他相关传输设备等[6]。

在铁路运输中，列车在行驶过程中需要进行无线电通信，例如在固定点和移动点之间，或者移动点之间进行通信。这种通信是为了确保列车能够进行高效可靠的信息交流，以保障列车的安全运行，并防止作业事故的发生[6]。

（二）GSM-R相关技术

1.调制技术

在无线移动通信系统中，频率较高的信号需要采用调制技术进行有效传输。随着列车速度的增加，无线传输信道不断变化，即使是相邻字符间的无线传输信道特性也存在差异。为了改善快速衰落特性和多普勒频移效应，以实现最大吞吐量，通常采用高斯滤波最小频移键控调制方式进行无线通信[7]。

2.交织技术

列车通常以较高的速度行驶，因此GSM-R系统无线传输信道具有不稳定性。尽管交织技术可以纠正一个或者少量个数的误比特[7]，但是当无线传输信道受到强烈干扰并发生频繁变化时，会导致相连的误比特增多，此时交织技术可能无法完全纠正。

二、基于GSM-R的移动通信无线信道

（一）基于GSM-R无线信道特性分析

在高速铁路通信系统中，无线传输信道与一般的固定通信网的信道存在差异。高速铁路通信系统中的无线传输信道面临更加复杂的地理环境，例如列车高速行驶时，信号的接收功率会发生一定的损耗。此外，信号在复杂多变的传输环境中也会发生变化，从而影响通信质量。正是由于无线传输信道的不确定性，使得无线通信系统的稳定性还有待提升。

1.同频干扰

频率复用是一种常用的无线通信技术，但它也会引发同频干扰问题。当有用信号和干扰信号共用同一频率时，它们在放大和调频过程中可能混淆在一起，导致接收机性能下降，阻塞或降低接收灵敏度，以及通信质量下降等严重后果[8]。为了提高GSM-R系统的频率利用率，人们必须在考虑同频干扰的情况下，合理调整同频小区之间的间隔。

2.通话质量和传输干扰

衡量无线移动通信传输的有效标准是通话质量，它能够直接反映无线移动通信系统的水平。通话质量通过计算信道编码前的错误比特率的平均值来衡量，因此它直接影响通信质量的好坏，并且可用作评估传输干扰程度和信号在无线信道中可靠传输的标准之一。在GSM-R系统中，RxQual用于表示接收端接收到的通信数据的期望值，取值范围为0至7[8]，如表1所示。

根据表1中的数据，当通话质量达到4级及以上时，误比特率超过1.6%，平均值为2.26%。这表明存在较大的传输干扰。因此，可以得出结论：误比特率越高，传输干扰就越大。但通话质量的好坏不仅仅由传输干扰因素决定，还受到其他不同的干扰因素的影响。因此，仅仅通过改善误比特率并不能直接改善通话质量或用于实际的信号传输控制。在研究信号传输干扰时，人们需要综合考虑不同的干扰因素的影响。

（二）基于GSM-R无线通信的越区切换分析

GSM-R无线通信网络是高速铁路运行的基础和保障。它主要沿着铁路线逐步扩大网络覆盖范围，形成一个稳定且独特的网络结构。这种网络结构可以有效支持高速列车在更高的速度下完成高质量的通信。由于网络分布的特点，GSM-R无线通信网络采用线状覆盖的方式（如图2所示），这种覆盖形式不仅降低了相邻小区之间的距离和数量，还为小区的最优选择和高效切换提供了有力的保障。

越区切换是指高速列车从一个网络区切换到另一个网络区的过程，或者是语音信号从一个信道切换到另一个信道的过程。这种切换是为了保持语音信号的正常传输，以应对网络覆盖范围的变化或信道质量的变差。

为了保证语音通信信号传输的稳定性，一种常见的做法是将语音传输信道连接到新的空闲语音信道上，以避免受到其他通信或干扰源的影响，提高语音传输的质量和可靠性。对于无线通信系统来说，越区切换失败、切换位置错误以及切换频繁等问题都可能导致性能变差。在实际应用中，GSM-R系统的越区切换成功率通常较高，但仍然存在切换频繁甚至不合理的情况。

针对这一问题，在铁路数字移动无线通信系统GSM-R中，可以通过调整越区切换的两个小区切换时间和切换距离来科学进行控制，以控制无线通信网络的覆盖范围。通过这样的调整，即使发生越区切换失败，列车仍有足够的时间和距离去进行第二次越区切换[9]。另外，在保证铁路数字移动通信系统GSM-R符合350km/h的运行速度要求[10]的前提下，还可以提高越区切换的效率，并将前后两次越区切换的时间控制在10秒以内。这样一来，可以提高越区切换的效率和效果，同时提高通信的有效性和可靠性。

三、GSM-R越区切换模型及仿真分析

在GSM-R模型中，越区切换的信息处理时间平均值为0.5s，图3为GSM-R越区切换的Petri网模型。

在GSM-R系统中，时延要求分别为0.5s（95％）、1.2s（99％）和2.4s（99.99％）。在Time NET中进行仿真分析，P1为越区切换的概率，P2为切换后状态概率，P3为RBC处理后状态概率。

图4是GSM-R发生越区切换的仿真概率曲线，运行时间为10秒。從图可以看出，越区切换的概率在0.4%～0.8%之间波动，也就是GSM-R越区切换发生的平均值在0.6%左右。当时间趋于无穷大时，其概率为0.589%，仿真结果与GSM-R技术标准接近。

从图P2和P3中，在t=0时刻时，此时P2的概率为100%，同样在t=0时刻，P3对应的概率为0。通过图5和图6分析得到：P2和P3的概率和为定值，即说明了进行越区切换的P为定值，基于GSM-R切换时通信的稳定性得到了保障。

四、结束语

综上所述，通过对基于GSM-R的通信系统中的无线信道进行优化，可以提升通信的稳定性和质量，从而保证信号传输的可靠性。通过调整越区切换的小区切换时间和切换距离，以及控制无线通信网络的覆盖距离，可以提高通信系统的性能，减少切换频率和错误，进一步提升通信的有效性和可靠性。这样的优化措施确保了在GSM-R通信系统中的信号传输具有较高的可靠性，为用户提供了更为稳定的通信质量和服务。