GSM-R網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試與分析

摘要　針對(duì)鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，文章詳細(xì)介紹了GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)電磁環(huán)境干擾測(cè)試、無(wú)線(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋、GSM-R語(yǔ)音通信QoS、電路域列控?cái)?shù)據(jù)QoS、GPRS性能測(cè)試、鐵路特征業(yè)務(wù)驗(yàn)證測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)側(cè)互聯(lián)互通測(cè)試。

1、前言

由于既有的鐵路無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)主要針對(duì)語(yǔ)音通信設(shè)計(jì)，存在頻率利用低、多用戶(hù)搶占、制式不統(tǒng)一、不兼容等缺陷，無(wú)法滿(mǎn)足中國(guó)列車(chē)控制系統(tǒng)（CTCS）信息安全傳輸?shù)囊�求。根�?jù)中國(guó)鐵路跨越式發(fā)展和鐵路運(yùn)輸指揮信息化的要求，確立GSM-R作為鐵路新一代綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，并且分別在青藏線(xiàn)、大秦線(xiàn)、膠濟(jì)線(xiàn)建成了試驗(yàn)線(xiàn)。由于GSM-R通信系統(tǒng)與鐵路調(diào)度指揮直接聯(lián)系，要求高度的可靠性與可用性。而GSM-R在中國(guó)鐵路上是初步使用，很多技術(shù)應(yīng)用要求與國(guó)外不同。這就要求對(duì)GSM-R的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面的測(cè)試與分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在的問(wèn)題與技術(shù)隱患，進(jìn)行合理的分析后進(jìn)行處理，確保GSM-R通信系統(tǒng)在鐵路調(diào)度指揮中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

2、GSM-R網(wǎng)絡(luò)測(cè)試過(guò)程

依據(jù)鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)特點(diǎn)，我們可以將GSM-R網(wǎng)絡(luò)測(cè)試分為：無(wú)線(xiàn)電磁環(huán)境干擾測(cè)試、無(wú)線(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋、GSM-R語(yǔ)音通信QoS、電路域列控?cái)?shù)據(jù)QoS、GPRS性能測(cè)試、鐵路特征業(yè)務(wù)驗(yàn)證測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)側(cè)互聯(lián)互通測(cè)試等。

2.1　無(wú)線(xiàn)電磁環(huán)境干擾測(cè)試

GSM-R系統(tǒng)可以在876MHz～960MHz整個(gè)頻率范圍內(nèi)工作，但CEPT（歐洲郵政與電信會(huì)議）為歐洲國(guó)家的鐵路通信系統(tǒng)指定了一個(gè)專(zhuān)用頻帶，也即UIC（國(guó)際鐵路聯(lián)盟）的GSM-R頻帶：移動(dòng)站到基站（上行鏈路）為876MHz～880MHz，基站到移動(dòng)站（下行鏈路）為921 MHz～925MHz。中國(guó)鐵路GSM-R獲準(zhǔn)的合法頻段是上行頻段在885MHz～889MHz，下行頻段930MHz～934MHz，共計(jì)4MHz帶寬。而該頻段是與中國(guó)移動(dòng)公眾通信系統(tǒng)按地域共用。由于中國(guó)移動(dòng)公眾通信系統(tǒng)已經(jīng)在全國(guó)范圍內(nèi)基本建成，對(duì)大部分鐵路沿線(xiàn)進(jìn)行了覆蓋，這樣對(duì)鐵路新建的GSM-R通信系統(tǒng)存在同頻干擾問(wèn)題。考慮到這樣的無(wú)線(xiàn)環(huán)境，在新建鐵路GSM-R通信系統(tǒng)前，需要對(duì)鐵路沿線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)環(huán)境進(jìn)行檢查，主要是距鐵軌2km范圍內(nèi)的GSM-R頻段進(jìn)行測(cè)試，獲得測(cè)試數(shù)據(jù)后，對(duì)全線(xiàn)基站的載頻進(jìn)行合理配置，并對(duì)強(qiáng)信號(hào)干擾大的區(qū)段，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電定向測(cè)試技術(shù)手段尋找干擾源的具體位置，按照信息產(chǎn)業(yè)部無(wú)線(xiàn)管理局發(fā)布的相關(guān)管理文件，在當(dāng)?shù)責(zé)o線(xiàn)電管理機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)下，配合相關(guān)單位進(jìn)行清頻工作。一個(gè)良好的無(wú)線(xiàn)環(huán)境，是GSM-R通信系統(tǒng)可靠運(yùn)用的基礎(chǔ)，正是由于GSM-R無(wú)線(xiàn)環(huán)境的復(fù)雜性，無(wú)線(xiàn)電環(huán)境干擾測(cè)試在GSM-R通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)前顯得非常關(guān)鍵。

2.2　無(wú)線(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋

場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試是GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中一項(xiàng)重要的測(cè)試內(nèi)容，是衡量GSM-R通信系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的重要手段。在無(wú)線(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)必須包含全部的慢衰落和部分快衰落信息，目的是將地形、地物對(duì)信號(hào)的作用反映出來(lái)，同時(shí)考慮快衰落對(duì)信號(hào)的影響。為獲得有效的測(cè)試數(shù)據(jù)，需要一個(gè)合理的采樣標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求滿(mǎn)足采樣間隔為4cm。通過(guò)列車(chē)計(jì)軸系統(tǒng)脈沖輸出至場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量接收機(jī)進(jìn)行采樣測(cè)試。也可以根據(jù)鐵路運(yùn)營(yíng)線(xiàn)的設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)速度，合理設(shè)置測(cè)量接收機(jī)的采樣速率進(jìn)行采樣。同時(shí)根據(jù)GPS電子地圖位置信息，對(duì)鐵路全線(xiàn)的所有區(qū)段按100M或10M區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于語(yǔ)音通信場(chǎng)強(qiáng)覆蓋要求是95%的時(shí)間地點(diǎn)概率接收電平大于-98dBm。

在測(cè)量GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)覆蓋時(shí)，可采用快速掃頻技術(shù)的測(cè)量接收機(jī)對(duì)GSM-R頻段中的BCCH信道所在載頻的電平值進(jìn)行測(cè)試。

（1）GSM-R單層網(wǎng)絡(luò)覆蓋系統(tǒng)測(cè)試：?jiǎn)螌泳W(wǎng)絡(luò)覆蓋如圖1所示，配置2臺(tái)接收機(jī)即可單程完成對(duì)GSM-R單層覆蓋系統(tǒng)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋測(cè)試。

圖1　GSM-R單層覆蓋場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試

測(cè)試方法：在A1基站測(cè)量接收機(jī)I測(cè)試A1的控制信道，測(cè)量接收機(jī)II測(cè)試A2的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋；測(cè)試車(chē)到達(dá)A2后測(cè)量接收機(jī)I測(cè)試A3基站的控制信道，以此類(lèi)推，單程完成基站對(duì)上行和下行線(xiàn)路覆蓋測(cè)試。

（2）GSM-R交織覆蓋、GSM-R同站址雙層覆蓋：網(wǎng)絡(luò)覆蓋如圖2、3所示，測(cè)量接收機(jī)需具有高速掃頻功能，可同時(shí)對(duì)2個(gè)載頻進(jìn)行測(cè)試，因此配置2臺(tái)測(cè)試接收機(jī)單程即可完成對(duì)GSM-R雙層覆蓋系統(tǒng)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋測(cè)試。

圖2　GSM-R交織覆蓋示意圖

圖3　GSM-R同站址雙層覆蓋場(chǎng)強(qiáng)覆蓋示意圖

測(cè)試方法：在A1基站時(shí)測(cè)量接收機(jī)I測(cè)試A1、B1小區(qū)控制信道的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋，測(cè)量接收機(jī)II測(cè)試A2、B2小區(qū)控制信道的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋，到達(dá)A2基站時(shí)測(cè)量接收機(jī)II測(cè)試A3、B3小區(qū)控制信道的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋，以此類(lèi)推，完成全區(qū)間覆蓋測(cè)試。

2.3　GSM-R語(yǔ)音通信QoS

GSM-R系統(tǒng)的語(yǔ)音通信主要包括了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)呼叫、組呼、廣播的呼叫類(lèi)型，作為調(diào)度指揮聯(lián)系的主要方式，語(yǔ)音通信QoS測(cè)試是非常重要的測(cè)試內(nèi)容。語(yǔ)音QoS的主要測(cè)試項(xiàng)目如下表1所示。

表1　語(yǔ)音QoS的主要測(cè)試項(xiàng)目

通過(guò)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)試并用的方式，通過(guò)列車(chē)司機(jī)的GSM-R車(chē)載模塊（8W）與調(diào)度員間的呼叫通話(huà)，采集呼叫過(guò)程中Um接口中各類(lèi)3層信令消息流程，得出以上檢測(cè)內(nèi)容的數(shù)據(jù)。分析語(yǔ)音通信的QoS可以同時(shí)監(jiān)測(cè)GSM-R網(wǎng)絡(luò)側(cè)如Abis接口、A接口等接口的信令消息進(jìn)行綜合分析，對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行合理配置，使全線(xiàn)語(yǔ)音質(zhì)量達(dá)到最佳效果，語(yǔ)音主觀評(píng)估MOS大于4級(jí)以上。

2.4　電路域列控?cái)?shù)據(jù)QoS

基于GSM-R的列車(chē)控制系統(tǒng)（ITCS），已經(jīng)在我國(guó)青藏線(xiàn)上成功運(yùn)用。它通過(guò)GSM-R承載業(yè)務(wù)傳輸固定控制端到列車(chē)移動(dòng)自動(dòng)控制端的數(shù)據(jù)傳送，為地面控制中心與移動(dòng)控制間的數(shù)據(jù)傳送提供安全可靠的傳輸通道。無(wú)線(xiàn)通道的性能直接影響到列車(chē)運(yùn)行的安全，是GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量測(cè)試的重中之重。按照歐洲鐵路GSM-R系統(tǒng)在這方面的要求測(cè)試項(xiàng)目如表2所示。

表2　電路域列控?cái)?shù)據(jù)QoS測(cè)試項(xiàng)目

列控QoS測(cè)試方法如圖4所示，按照UIC 2475對(duì)于列控?cái)?shù)據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)配置的詳細(xì)要求，可以在移動(dòng)控制端撥號(hào)呼叫到固定端的控制中心，通過(guò)GSM-R網(wǎng)絡(luò)接續(xù)成功后，由移動(dòng)端軟件按照2475的相關(guān)規(guī)定要求發(fā)送數(shù)據(jù)，固定端針對(duì)移動(dòng)端發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)響應(yīng)，分別測(cè)試以上各項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容。

圖4　電路域列控?cái)?shù)據(jù)QoS測(cè)試方法

由于GSM-R在整個(gè)列控系統(tǒng)僅作為傳輸通道來(lái)使用，是整個(gè)列控QoS系統(tǒng)中的一部分，它們之間的關(guān)系如圖5所示。而上述的測(cè)試內(nèi)容僅涉及GSM-R通信部分，未涉及GSM-R與信號(hào)列控系統(tǒng)間接口，建議在列控?cái)?shù)據(jù)QoS測(cè)試時(shí)與信號(hào)系統(tǒng)的列控緊密配合，進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試，共同分析處理。

圖5　列控?cái)?shù)據(jù)QoS關(guān)系圖

2.5　GPRS性能測(cè)試

鐵路GSM-R通信系統(tǒng)也可以提供分組域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，GPRS技術(shù)與現(xiàn)有的公網(wǎng)技術(shù)一致，技術(shù)相當(dāng)成熟，主要應(yīng)用于調(diào)度命令傳遞、車(chē)次號(hào)傳遞、應(yīng)急通信靜圖的傳送等。主要的測(cè)試內(nèi)容如表3所示：

表3　GPRS性能測(cè)試內(nèi)容

2.6　鐵路特征業(yè)務(wù)驗(yàn)證測(cè)試

為了滿(mǎn)足鐵路調(diào)度通信的要求，在GSM PHASE+2標(biāo)準(zhǔn)引入了特殊的尋址方式和高級(jí)語(yǔ)音呼叫業(yè)務(wù)。鐵路特征業(yè)務(wù)包括了功能尋址、位置尋址、語(yǔ)音組呼、語(yǔ)音廣播、增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)和強(qiáng)拆。依據(jù)GSM-R編號(hào)計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過(guò)基本撥打測(cè)試來(lái)驗(yàn)證各類(lèi)鐵路特征呼叫業(yè)務(wù)。在撥打的同時(shí)，通過(guò)對(duì)Um接口、Abis接口、A接口間的信令跟蹤監(jiān)測(cè)，分析各類(lèi)呼叫業(yè)務(wù)的信令流程，分析各類(lèi)呼叫不成功的原因，并進(jìn)行正確的定位。通過(guò)優(yōu)化各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和工程參數(shù)，提高各類(lèi)呼叫成功率。

2.7　網(wǎng)絡(luò)側(cè)互聯(lián)互通測(cè)試

雖然GSM-R通信系統(tǒng)在我國(guó)的三條鐵路試驗(yàn)線(xiàn)得到初步的運(yùn)用，但GSM-R在我國(guó)的發(fā)展還是處于初級(jí)階段，將來(lái)要在全國(guó)鐵路范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)用，建立全路統(tǒng)一的鐵路綜合移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。在這樣一個(gè)大型的網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)交換中心設(shè)備和基站系統(tǒng)設(shè)備，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)角度和技術(shù)角度，都不可能由一個(gè)廠家設(shè)備來(lái)完成。這就要求不同廠家間的設(shè)備要求兼容，不同廠家MSC間的兼容、不同廠家MSC與BSC間的兼容。通過(guò)測(cè)試對(duì)系統(tǒng)間NO.7信令的兼容和一致性，鐵路特征業(yè)務(wù)的互通如功能尋址、位置尋址、語(yǔ)音組呼、語(yǔ)音廣播、增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)和強(qiáng)拆等。

鐵路GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)除了不同廠家間設(shè)備的兼容外，鐵路移動(dòng)通信必須與現(xiàn)有鐵路固定調(diào)度通信系統(tǒng)（FAS）互通，如圖6所示：

圖6　鐵路移動(dòng)通信與現(xiàn)有鐵路固定調(diào)度通信系統(tǒng)互聯(lián)

GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與FAS系統(tǒng)通過(guò)30B+D接口實(shí)現(xiàn)物理互聯(lián)，系統(tǒng)間采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字1號(hào)信令系統(tǒng)（DSS1），系統(tǒng)間的信令協(xié)議必須一致。系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)各類(lèi)鐵路調(diào)度通信業(yè)務(wù)的互通如功能尋址、位置尋址、語(yǔ)音組呼、語(yǔ)音廣播、增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)和強(qiáng)拆等。通過(guò)固定調(diào)度通信系統(tǒng)與移動(dòng)通信系統(tǒng)間的互聯(lián)互通，鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)形成一個(gè)完成鐵路專(zhuān)用調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)。

3、測(cè)試采用的方式

GSM-R的測(cè)試方式有2種類(lèi)型，分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試。靜態(tài)測(cè)試偏重于信令協(xié)議方面的檢測(cè)和業(yè)務(wù)功能驗(yàn)證方面。動(dòng)態(tài)測(cè)試偏重于無(wú)線(xiàn)側(cè)性能測(cè)試，根據(jù)鐵路的設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)速度進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試，如場(chǎng)強(qiáng)覆蓋、GSM-R語(yǔ)音通信QoS、電路域列控?cái)?shù)據(jù)QoS、GPRS性能測(cè)試。根據(jù)GSM-R鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)的特征，由于大部分的通信業(yè)務(wù)發(fā)生在高速移動(dòng)的列車(chē)上，這就要求GSM-R通信系統(tǒng)的測(cè)試也必須注重于這一點(diǎn)。

4、結(jié)束語(yǔ)

由于GSM-R系統(tǒng)涉及的技術(shù)比較多，還要結(jié)合中國(guó)鐵路調(diào)度通信的特點(diǎn)，而且在中國(guó)鐵路內(nèi)屬于新技術(shù)。這就對(duì)測(cè)試人員要求比較高，即要具備熟悉GSM-R技術(shù)又要有豐富的鐵路通信經(jīng)驗(yàn)。本文從中國(guó)鐵路GSM-R通信系統(tǒng)不同方面提出測(cè)試要求和分析，希望能對(duì)中國(guó)鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和優(yōu)化起到一定的參考意義。