李 莉 郭少磊 邸士萍

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

舉世矚目的京滬高速鐵路于2011年6月30日開通，它采用了大量的世界先進技術，其中，列車控制系統(tǒng)采用CTCS-3級列控系統(tǒng)，借助GSM-R網(wǎng)絡傳遞大容量車地信息。GSM-R網(wǎng)絡的質(zhì)量直接影響CTCS-3級列控系統(tǒng)的運行狀況，目前已開通的GSM-R線路上，均采用《GSM-R無線網(wǎng)絡覆蓋和服務質(zhì)量（QoS）測試方法（V1.0）》測試各項QoS指標，并依據(jù)測試結(jié)果優(yōu)化GSM-R網(wǎng)絡。

GSM-R網(wǎng)絡QoS指標眾多，本文針對用戶數(shù)據(jù)幀傳送時延指標展開研究，該指標是衡量數(shù)據(jù)傳輸有效性的重要指標。對于CTCS-3級列控系統(tǒng)而言，GSM-R系統(tǒng)較短的數(shù)據(jù)傳輸時延意義重大，能更為快捷、有效地傳遞車地信息。在不同的網(wǎng)絡應用速率、數(shù)據(jù)長度和終端模塊下，用戶數(shù)據(jù)傳送時延是否會產(chǎn)生變化，如何更好地滿足列控系統(tǒng)的需求，目前的測試方法是否科學合理，都需要進行深入研究。

2 理論分析

2.1 指標定義

用戶數(shù)據(jù)幀傳送時延是GSM-R網(wǎng)絡電路域數(shù)據(jù)業(yè)務的一項QoS指標，指移動終端數(shù)據(jù)幀發(fā)起傳送請求到該移動終端數(shù)據(jù)幀成功接收之間的時間間隔，其中，用戶數(shù)據(jù)幀是指測試數(shù)據(jù)幀，長度為30?Byte。在《CTCS-3級列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡需求規(guī)范（V1.0）》中，對該指標的要求是“用戶數(shù)據(jù)幀（30?Byte）傳送時延應滿足 ：≤ 0.5?s?（99％）?！?/p>

2.2 時延分解

數(shù)據(jù)傳送時延一般包括發(fā)送端設備、中間設備和接收端設備的處理時延；數(shù)據(jù)信號通過媒質(zhì)的傳播時延等。具體到基于GSM-R系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀傳送，其時延包括數(shù)據(jù)發(fā)送時延、移動終端和GSM-R網(wǎng)絡的處理時延、中繼設備和傳輸設備的處理時延及信號的傳播時延。

2.2.1?數(shù)據(jù)發(fā)送時延

數(shù)據(jù)終端采用GSM-R系統(tǒng)通信時，可以選擇不同的應用速率，電路域數(shù)據(jù)業(yè)務主要包含2.4、4.8、9.6?kbit/s?三種速率。對應不同的速率，在數(shù)據(jù)終端和GSM-R移動終端之間的接口上，數(shù)據(jù)發(fā)送時延不同，數(shù)據(jù)發(fā)送時延=數(shù)據(jù)長度/應用速率。相同長度的數(shù)據(jù)發(fā)送時延：2.4?kbit/s＞4.8?kbit/s＞?9.6?kbit/s。數(shù)據(jù)長度相同時，應用速率越大，數(shù)據(jù)發(fā)送時延越短。

2.2.2?GSM-R系統(tǒng)處理時延

根據(jù)3GPP協(xié)議03.05《系統(tǒng)技術指標》，GSM-R系統(tǒng)的處理時延主要包括數(shù)據(jù)幀長度引起的時延；比特/字符轉(zhuǎn)換時間；異步/同步轉(zhuǎn)換時延；數(shù)據(jù)幀緩存時延；無線信道編解碼時延；交織解交織時延；終端適配的處理時延；協(xié)議處理的時延等。

在GSM-R系統(tǒng)處理時延中，交織解交織時延占據(jù)主要位置。交織技術是為了對抗因衰落和干擾引起的突發(fā)連續(xù)誤碼而引入的，即在不增加系統(tǒng)傳輸開銷的情況下，采用時間分集的手段，將原本連續(xù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼段分散到不同的時間進行傳送，以降低離散的隨機誤碼和突發(fā)連續(xù)誤碼對譯碼器正確解碼的影響，提高系統(tǒng)的可靠性，但由于數(shù)據(jù)的分散，造成較大時延。03.05協(xié)議中給出最壞情況下交織/解交織時延，如表1所示。

表1 交織/解交織時延參考值

同時，3種速率下其他處理過程引起的時延相當，因此由于交織/解交織時延的差異，可得出僅考慮GSM-R系統(tǒng)處理時延情況下，3種速率的傳輸時延大小關系 ：4.8?kbit/s?＞9.6?kbit/s?＞?2.4?kbit/s。2.2.3?其他時延

在實際承載CTCS-3級列控系統(tǒng)的GSM-R網(wǎng)絡中，會產(chǎn)生各種中間設備引起的時延，比如傳輸設備、中繼MSC引起的時延，以及設備之間長距離傳輸引起的傳播時延等。表2中給出了各種設備的時延參考值。

表2 各種傳輸或處理系統(tǒng)對時延的影響

結(jié)合具體的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，包括中間設備、設備之間的距離等，可計算出由此引起的傳輸時延。

2.3 小結(jié)

以上分析了影響用戶數(shù)據(jù)傳送時延的各個部分，從中可以看出，不同的網(wǎng)絡應用速率（代表了系統(tǒng)不同的處理過程）、不同的模塊（代表了不同的設備處理能力）、不同的數(shù)據(jù)長度（代表了不同的發(fā)送要求）都對數(shù)據(jù)傳送時延產(chǎn)生影響。

同時，基于對不同應用速率下數(shù)據(jù)傳送時延的分析，主要是數(shù)據(jù)發(fā)送時延和GSM-R系統(tǒng)傳輸時延的比較。綜合來看，9.6?kbit/s速率下傳送時延最小，4.8?kbit/s和 2.4?kbit/s速率下傳送時延相當。這可為GSM-R網(wǎng)絡應用速率選擇提供一定的技術依據(jù)。

3 實驗室測試

為了進一步驗證理論分析結(jié)果，獲得不同應用速率、不同數(shù)據(jù)幀長度、不同廠家模塊情況下傳輸時延取值，根據(jù)《GSM-R無線網(wǎng)絡覆蓋和服務質(zhì)量（QoS）測試方法（V1.0）》進行實驗室和京滬先導段現(xiàn)場測試。

3.1 測試設備

測試依托于北京全路通信信號研究設計院有限公司GSM-R實驗室，系統(tǒng)設備為華為GSM-R設備，包括1套軟交換MSC（含MSC?Server及MGW）、VLR、HLR等在內(nèi)的移動交換子系統(tǒng)，1套BSC/TRAU設備，1套BTS3012宏基站設備，1套DBS3900分布式基站設備以及1套M2000網(wǎng)管系統(tǒng)。測試設備采用北京全路通信信號研究設計院有限公司GSM-R網(wǎng)絡服務質(zhì)量測試設備，包含1套移動測試終端、3套移動設備（MT）、1套地面固定測試終端。各設備的具體情況如表3所示。

表3 實驗室系統(tǒng)設備和測試設備列表

3.2 測試方法

測試采用圖1所示的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，測試點在Igsm-r接口，移動測試終端控制MT模塊向地面固定測試終端發(fā)起一定速率的數(shù)據(jù)呼叫，呼叫建立后，開始發(fā)送30/40?Byte的數(shù)據(jù)幀。地面固定測試終端收到數(shù)據(jù)幀后，將其環(huán)回轉(zhuǎn)發(fā)給移動測試終端。移動測試終端收到環(huán)回的數(shù)據(jù)幀后發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀，并在Igsm-r接口進行計算，用開始傳送數(shù)據(jù)幀（發(fā)送數(shù)據(jù)幀的第一個比特）到接收完從固定測試終端返回的同一數(shù)據(jù)幀（接收數(shù)據(jù)幀的最后一個比特）時間間隔的一半作為端到端數(shù)據(jù)傳輸時延。

與測試方法規(guī)定不同，本次測試在30?Byte用戶數(shù)據(jù)幀傳送時延基礎上，引入40?Byte數(shù)據(jù)幀的測試，原因在于CTCS-3級列控系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)接近40?Byte，故采用40?Byte用戶數(shù)據(jù)幀進行測試，與實際情況更相符。

測試僅對成功收到的數(shù)據(jù)幀（即接收到的數(shù)據(jù)幀信息單元帶正確的CRC校驗）進行統(tǒng)計，統(tǒng)計指標為“端到端數(shù)據(jù)傳輸時延≤0.5?s的百分比”（=成功傳送的端到端傳輸時延≤0.5?s的數(shù)據(jù)幀數(shù)/成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀總數(shù)）。

3.3 測試內(nèi)容

根據(jù)數(shù)據(jù)呼叫速率、數(shù)據(jù)幀長度、MT模塊的不同進行組合測試，以確定呼叫速率、數(shù)據(jù)幀長度及MT模塊對數(shù)據(jù)傳送時延的影響，具體的測試內(nèi)容如下。

Selex 模塊在 30/40?Byte，2.4、4.8、9.6?kbit/s速率下測 試 ；Funkwerk 模塊在 30/40?Byte，2.4、4.8、9.6?kbit/s速率下測試；Sagem模塊在30/40?Byte，2.4、4.8、9.6?kbit/s速率下測試。

3.4 測試結(jié)果

經(jīng)過測試及統(tǒng)計分析，得到表4、5所示的各模塊傳輸時延小于等于0.5?s的百分比、平均值和最大、最小值。

表4 用戶數(shù)據(jù)幀傳送時延實測結(jié)果

表5 用戶數(shù)據(jù)幀傳送時延統(tǒng)計

從傳輸時延平均值的統(tǒng)計結(jié)果來看，可以得到以下結(jié)論。

1）2.4、4.8 及 9.6?kbit/s?三種應用速率下數(shù)據(jù)傳送時延均滿足QoS指標要求。

同一個MT模塊，同一數(shù)據(jù)幀長度下，9.6?kbit/s速率下端到端數(shù)據(jù)傳輸時延最小，2.4?kbit/s速率其次，4.8?kbit/s速率下端到端數(shù)據(jù)傳輸時延最大，但與2.4?kbit/s差距不大，與理論分析相符。

2）不同數(shù)據(jù)幀長度（30/40?Byte）下測試結(jié)果均滿足要求。

同一個MT模塊，在3種應用速率情況下，40?Byte和30?Byte數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)傳輸時延均能滿足99％的樣本數(shù)不大于0.5?s的指標要求，40?Byte數(shù)據(jù)幀傳送時延大于30?Byte數(shù)據(jù)幀，與理論分析相符。

3）不同廠家模塊下測試結(jié)果存在細微差異，但均能滿足指標要求。

同一網(wǎng)絡速率、同一數(shù)據(jù)幀長度下，用不同廠家的模塊進行用戶數(shù)據(jù)幀傳送時延測試，其結(jié)果存在細微差異。這反映出不同模塊處理時延的不同，但幾家模塊均能滿足QoS指標的要求。

4 京滬先導段測試

4.1 測試設備

現(xiàn)場測試在京滬先導段進行，京滬先導段為京滬正線棗莊—蚌埠區(qū)段，跨濟南局和上海局，全長222?km，共69個基站，其中13個基站接入到濟南BSC及濟南MSC，56個基站接入到南京BSC和上海虹橋MSC，均為諾西公司設備，BSC設備版本均為BR10。

測試采用北京全路通信信號研究設計院有限公司自主研發(fā)的GSM-R網(wǎng)絡服務質(zhì)量測試設備，包含移動測試終端、測試模塊、地面固定測試服務器終端。地面固定測試服務器為兩臺，分別測試2.4?kbit/s速率和4.8kbit/s速率的各項QoS指標，終端側(cè)從同一車頂天線經(jīng)功分器接入到各模塊進行測試，保證無線環(huán)境基本相同。服務器均放置在上海虹橋核心網(wǎng)機房，設備的具體情況如表6所示。

表6 現(xiàn)場測試設備列表

4.2 測試方法

采用本文3.2中相同的測試方法。

4.3 測試內(nèi)容

由于測試條件有限，本次測試進行的是全基站覆蓋條件，400?km/h以上速度時，2.4?kbit/s和4.8?kbit/s兩種應用速率情況下用戶數(shù)據(jù)幀傳送時延指標。

4.4 測試結(jié)果

經(jīng)過測試及統(tǒng)計分析，得到表7、8所示的各模塊傳輸時延小于等于0.5?s的百分比、平均值和最大值、最小值。

表7 用戶數(shù)據(jù)幀傳送時延京滬先導段測試結(jié)果（部分）

表8 京滬先導段用戶數(shù)據(jù)幀傳送時延測試結(jié)果統(tǒng)計表（部分）

可以看出，現(xiàn)場測試中用戶數(shù)據(jù)幀傳送時延測試的結(jié)果與實驗室測試相似，兩種速率、兩種數(shù)據(jù)長度、不同模塊情況下，數(shù)據(jù)傳送時延都能較好滿足QoS指標要求。

5 結(jié)論

本文經(jīng)過理論分析，得出不同的應用速率（2.4、4.8、9.6?kbit/s）、不同的數(shù)據(jù)幀長度（30、40?Byte）、不同的移動終端模塊對GSM-R網(wǎng)絡用戶數(shù)據(jù)幀傳送時延產(chǎn)生的影響，為網(wǎng)絡應用速率的選取提供了一定的技術依據(jù)。同時，經(jīng)過實驗室測試和京滬現(xiàn)場測試，驗證了上述理論分析的結(jié)論，得出了不同應用速率、不同數(shù)據(jù)幀長度及不同終端模塊情況下的數(shù)據(jù)傳送時延。測試結(jié)果表明，各種情況下的數(shù)據(jù)傳送時延均滿足當前對該指標的規(guī)定，說明對指標的規(guī)定值是科學合理的，出于與列控實際情況接近的考慮，建議測試方法中數(shù)據(jù)幀長度修改為 40?Byte。

[1]科技運[2008]170號 GSM-R無線網(wǎng)絡覆蓋和服務質(zhì)量（QoS）測試方法（V1.0）[S].

[2]科技運[2008]168號 CTCS-3級列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡需求規(guī)范（V1.0）[S].

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[4]郵電部北京設計院.電信工程設計手冊（移動通信）[M].北京：人民郵電出版社，1994.