邸士萍 李 雪 李 莉

速度300～350 km/h客專線路，GSM-R系統(tǒng)承載CTCS-3(簡稱C3)業(yè)務(wù)，采用單網(wǎng)交織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，已形成相對穩(wěn)定的QoS指標(biāo)體系。而速度250 km/h及以下的客專和城際線路，GSM-R系統(tǒng)均采用普通單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，要分別實現(xiàn)C3業(yè)務(wù)及ATO車-地雙向數(shù)據(jù)通信，其GSM-R系統(tǒng)能否使用現(xiàn)有300～350 km/h客專線路的QoS指標(biāo)來評價還是未知數(shù)。為此，在分析250 km/h客專和城際線路對GSM-R網(wǎng)絡(luò)需求的基礎(chǔ)上，根據(jù)已開通300～350 km/h客專線路GSM-R系統(tǒng)全基站、半數(shù)基站服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)實測情況，分析影響網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)的因素，提出250 km/h客專和城際線路GSM-R網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)達(dá)標(biāo)的建議。

1 250 km/h客專及城際線路對GSM-R網(wǎng)絡(luò)的需求

1.1 客專線路

客專線路的C3列控系統(tǒng)，需利用GSM-R系統(tǒng)實現(xiàn)ATP與RBC的雙向數(shù)據(jù)通信。RBC根據(jù)軌道電路、聯(lián)鎖進(jìn)路等信息生成行車許可，并通過GSM-R系統(tǒng)將行車許可、線路參數(shù)、臨時限速傳輸給C3列控系統(tǒng)的車載設(shè)備;同時通過GSM-R系統(tǒng)接收車載設(shè)備發(fā)送的位置和列車數(shù)據(jù)等信息。C3列控系統(tǒng)對GSM-R網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)要求如表1所示。

若無線通信單元發(fā)生故障，RBC與列車中斷通信連接，列車降至CTCS-2級 (簡稱C2)系統(tǒng)允許速度后轉(zhuǎn)入C2列控系統(tǒng)工作。轉(zhuǎn)換到C2列控系統(tǒng)工作的列車，如果無線通信單元故障已經(jīng)修復(fù)，當(dāng)經(jīng)過帶有與RBC建立通信連接會話命令的應(yīng)答器組時，車載設(shè)備開始嘗試與RBC重新建立新的連接，連接重新建立并獲得行車許可后，自動由C2系統(tǒng)轉(zhuǎn)到C3系統(tǒng)。

表1 C3列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)要求

1.2 城際鐵路

城際鐵路在C2列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過設(shè)置車載ATO設(shè)備實現(xiàn)列車自動駕駛;地面設(shè)置專用的精確定位應(yīng)答器 (JD)實現(xiàn)列車精確定位，設(shè)置通信控制服務(wù)器 (CCS)實現(xiàn)站臺門控制和運(yùn)行計劃處理。城際鐵路C2+ATO系統(tǒng)具備站間自動運(yùn)行、車站定點停車及車站通過、折返作業(yè)、列車運(yùn)行自動調(diào)整、車門/站臺門 (安全門或屏蔽門)防護(hù)及聯(lián)動控制、列車運(yùn)行節(jié)能控制等自動運(yùn)行相關(guān)功能。城際鐵路列控系統(tǒng)中，車-地通信基于GSMR系統(tǒng)實現(xiàn)，車載ATP設(shè)備控制GSM-R電臺，地面CCS控制ISDN服務(wù)器，ATP通過GSM-R電臺呼叫CCS，完成車-地雙向數(shù)據(jù)通信。

根據(jù)《城際鐵路CTCS-2+ATO列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案》，城際鐵路列控系統(tǒng)采用GSM-R網(wǎng)絡(luò)電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實現(xiàn)車-地雙向通信。GSM-R系統(tǒng)在區(qū)間為單網(wǎng)設(shè)置，考慮在站內(nèi)需要傳送運(yùn)行計劃、開關(guān)門、定點停車、車站通過等重要信息，因此車站宜冗余覆蓋，確保可靠性。城際鐵路列控系統(tǒng)通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)傳遞的信息主要有：車載設(shè)備向地面發(fā)送列車停準(zhǔn)停穩(wěn)、開關(guān)門命令、車型、運(yùn)行計劃反饋、車載狀態(tài)等信息;地面設(shè)備向車載設(shè)備發(fā)送開關(guān)門命令確認(rèn)、運(yùn)行計劃、折返等信息。

GSM-R通信故障或ATO未收到有效運(yùn)行計劃時，DMI進(jìn)行提示。此時司機(jī)可人工駕駛，也可使用ATO自動駕駛。若使用ATO自動駕駛，運(yùn)行策略按貼近ATP允許速度曲線行車，站停時間按股道精確定位應(yīng)答器中存儲的內(nèi)容處理，ATO不提供自動開/關(guān)門功能。ATO在執(zhí)行當(dāng)前運(yùn)行計劃自動駕駛列車時，若未收到更新的運(yùn)行計劃，繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前站間的運(yùn)行計劃直至停車，并判定其他運(yùn)行計劃無效。

車載設(shè)備判斷與CCS設(shè)備通信中斷后，應(yīng)在5 min內(nèi)持續(xù)重試連接CCS設(shè)備。若重連成功，車載設(shè)備與CCS正常通信;若重連失敗，車載設(shè)備僅在出站口應(yīng)答器收到CCS呼叫信息時進(jìn)行重連。

2 影響GSM-R網(wǎng)絡(luò)QoS的因素

GSM-R網(wǎng)絡(luò)電路域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)QoS指標(biāo)，與最小可用接收電平 (或C/I)、GSM-R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) (普通單網(wǎng)、單網(wǎng)交織)、終端運(yùn)行速度及數(shù)據(jù)傳輸速率等因素有關(guān)，尤其與移動速度相關(guān)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)注冊時延

當(dāng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)信號電平相對公網(wǎng)信號電平較弱時，網(wǎng)絡(luò)注冊時延值將相應(yīng)延長，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、優(yōu)化與驗收階段，需重點關(guān)注可能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊的區(qū)段，特別是GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋的邊緣，在C2向C3轉(zhuǎn)換的聯(lián)絡(luò)線區(qū)段，應(yīng)適當(dāng)延長GSM-R網(wǎng)絡(luò)向C2線路方向的覆蓋距離，以保證車載設(shè)備有足夠的時間成功注冊到網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)覆蓋一定的前提下，網(wǎng)絡(luò)注冊時延指標(biāo)與測試終端的速度關(guān)系不大。

2.2 連接建立時延

連接建立時延是衡量連接建立全部信令流程所需時間的一個指標(biāo)。在流程基本確定、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也確定的前提下，該指標(biāo)受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及測試終端的移動速度影響較小。

2.3 連接建立失敗概率

連接建立過程是在用戶成功注冊到網(wǎng)絡(luò)后發(fā)起的呼叫建立流程，主要包括：信令信道分配過程、MS身份識別過程、MS能力詢問過程、TMSI再分配過程、呼叫過程及業(yè)務(wù)信道分配過程等。最終結(jié)果是在MS和RBC的ISDN之間建立雙向的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道，每個子過程是否成功直接影響著連接建立能否成功。連接建立過程與SDCCH/TCH信道容量有關(guān)，在出現(xiàn)SDCCH或TCH擁塞的情況下，沒有可用的信道分配，連接建立過程將失敗。因此，實際應(yīng)用中要根據(jù)預(yù)測的用戶容量合理配置SDCCH信道。另外，普通單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，大概率下信號強(qiáng)度弱，網(wǎng)絡(luò)覆蓋變差，如果網(wǎng)絡(luò)覆蓋電平過低或存在嚴(yán)重干擾，連接建立過程可能由于無法成功解碼而失敗。

2.4 用戶數(shù)據(jù)幀傳送時延

實驗室及現(xiàn)場測試表明，用戶數(shù)據(jù)幀傳送時延與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、終端移動速度沒有直接關(guān)系，高速、低速情況下均能達(dá)到指標(biāo)要求。

2.5 鏈路斷開概率

鏈路斷開概率，統(tǒng)計累計的連接時間內(nèi)連接非正常釋放的次數(shù)。由于業(yè)務(wù)用戶引起的連接丟失不在統(tǒng)計范圍內(nèi)，因此測試結(jié)果僅與單位時間內(nèi)連接丟失的數(shù)目有關(guān)，與連接數(shù)目和連接持續(xù)期無關(guān)。唯一重要的是總的測量時間，這影響測量的置信度，與無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相關(guān)。

在普通單網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，大概率下信號強(qiáng)度弱，網(wǎng)絡(luò)覆蓋變差，如果網(wǎng)絡(luò)覆蓋電平過低或存在嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量嚴(yán)重下降，也可能出現(xiàn)已經(jīng)建立連接的用戶因無法搜尋到網(wǎng)絡(luò)信號而斷開鏈路的情況。

2.6 傳輸干擾率

影響傳輸干擾率的因素有外部電磁環(huán)境、內(nèi)部頻率配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、終端速度和終端性能等。根據(jù)武廣、滬寧、滬杭和京滬等高速客專的建設(shè)經(jīng)驗，引起傳輸干擾的原因可分為3種：基站間切換、網(wǎng)絡(luò)外部或內(nèi)部頻率干擾、隨機(jī)出現(xiàn)的“短干擾”。

1.切換引起的傳輸干擾次數(shù)與無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)，單網(wǎng)結(jié)構(gòu)由于站距明顯大于單網(wǎng)交織，所以切換次數(shù)明顯減少，因切換引起的傳輸干擾降低，對指標(biāo)有提升作用。

2.網(wǎng)絡(luò)外部頻率干擾，可通過清頻得到大幅改善;網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部干擾，通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化可以得到抑制。對于單網(wǎng)和單網(wǎng)交織2種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，單網(wǎng)內(nèi)部頻率配置不易發(fā)生干擾，但克服外界干擾的能力較單網(wǎng)交織差一些。

3.受多徑傳播和多普勒效應(yīng)影響導(dǎo)致的“短干擾”，出現(xiàn)具有一定的隨機(jī)性，通常在地理位置上沒有規(guī)律性，受速度影響較大，隨著列車速度的提高出現(xiàn)的頻率相應(yīng)提高。對于200～250 km/h線路，這類“短干擾”出現(xiàn)的概率較300～350 km/h線路低。

可以看出，普通單網(wǎng)結(jié)構(gòu)下基站間距變大，切換次數(shù)減少，由于切換引起的傳輸干擾相應(yīng)減少;普通單網(wǎng)結(jié)構(gòu)下大概率下信號強(qiáng)度變?nèi)?，網(wǎng)絡(luò)覆蓋變差，抗外部干擾能力變差;終端速度降低，短干擾減少。該指標(biāo)還與數(shù)據(jù)傳輸速率的選取有關(guān)系，速率越高，指標(biāo)越差。因此移動速度、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化以及數(shù)據(jù)傳輸速率對傳輸干擾率指標(biāo)的綜合影響還需深入研究，應(yīng)結(jié)合測試情況得出結(jié)論。綜上所述，GSM-R網(wǎng)絡(luò)的電路域服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)受多方面因素的影響，每個指標(biāo)相關(guān)的影響因素分析結(jié)果如表2所示。

表2 影響C3列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)的因素

3 普通單網(wǎng)結(jié)構(gòu)對QoS的影響

GSM-R普通單網(wǎng)結(jié)構(gòu)與交織單網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比，同樣長度的線路上基站間距增大，基站數(shù)量減少，當(dāng)某一個BTS故障時，由其提供覆蓋的區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)盲區(qū);而單網(wǎng)交織結(jié)構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)覆蓋考慮了冗余，當(dāng)某一個BTS故障時，相鄰BTS將覆蓋故障BTS服務(wù)的區(qū)域，避免出現(xiàn)覆蓋盲區(qū)。因此普通單網(wǎng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)可靠性和可用性都低于單網(wǎng)交織結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。

而且普通單網(wǎng)結(jié)構(gòu)站間距增大，小區(qū)半徑增大，從而導(dǎo)致大概率下信號強(qiáng)度變?nèi)?，網(wǎng)絡(luò)覆蓋變差。在干擾水平相同的條件下，C/I降低，對連接建立失敗概率、鏈路斷開概率和傳輸干擾率等指標(biāo)均有影響。

3.1 降低最低接收電平

根據(jù)鐵道科學(xué)研究院的研究報告《高速鐵路GSM-R系統(tǒng)最小可用接收電平與相關(guān)服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的研究》，有以下二項重要結(jié)論：

1.在列車速度為300～350 km/h條件下，當(dāng)接收電平≥-82 dBm時，可保證RxQual和CSD數(shù)據(jù)傳輸性能滿足UIC標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.測試表明，通信質(zhì)量RxQual隨速度降低而變好。

因此，在200～250 km/h條件下，當(dāng)接收電平≥-82 dBm時，RxQual和CSD數(shù)據(jù)傳輸性能滿足UIC標(biāo)準(zhǔn)要求，且通信質(zhì)量RxQual變好。

3.2 減少切換次數(shù)

GSM-R單網(wǎng)結(jié)構(gòu)與單網(wǎng)交織結(jié)構(gòu)相比，站間距增大，切換次數(shù)顯著減少。在切換執(zhí)行期間，由于TCH被偷幀變?yōu)镕ACCH，用于傳送切換信令，會造成CSD數(shù)據(jù)傳輸誤包和丟包，傳輸干擾增加。因此，單網(wǎng)結(jié)構(gòu)下切換次數(shù)減少，可以減少切換引起的傳輸差錯，提高服務(wù)質(zhì)量。

3.3 增大頻率復(fù)用距離

GSM-R單網(wǎng)結(jié)構(gòu)與單網(wǎng)交織結(jié)構(gòu)相比，小區(qū)半徑增大，頻率規(guī)劃簡單，同一頻率復(fù)用距離增大，網(wǎng)內(nèi)干擾減小。從這個角度看，能夠提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

以上分析可以得出：在時速250 km及以下的線路上使用GSM-R普通單網(wǎng)，當(dāng)接收電平≥-82 dBm時，能滿足 C3系統(tǒng) GSM-R網(wǎng)絡(luò) QoS要求。

4 C3列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)QoS測試情況

在鄭西、杭甬、寧杭、哈大等客專線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，對C3列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行了大量測試，測試情況見表3—表6，對全數(shù)站和半數(shù)站的指標(biāo)情況進(jìn)行對比。

測試結(jié)果表明：半數(shù)基站條件下各項系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)合格，并且大部分測試中半數(shù)基站條件下的傳輸干擾率指標(biāo)優(yōu)于全基站打開的情況，同樣印證了在普通單網(wǎng)結(jié)構(gòu)下各項服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)均能達(dá)標(biāo)。

表3 鄭西客專C3系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)測試情況

表4 杭甬客專C3系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)測試情況

表5 寧杭客專C3系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)測試情況

表6 哈大客專 (沈局)C3系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)測試情況

5 GSM-R網(wǎng)絡(luò)克服干擾方法的研究

根據(jù)上述理論分析及實測數(shù)據(jù)，在普通單網(wǎng)結(jié)構(gòu)下由于C/I的降低，對QoS指標(biāo)有惡化的影響，為保證指標(biāo)達(dá)標(biāo)，可在網(wǎng)絡(luò)抗干擾方面采取一些措施，可以從網(wǎng)絡(luò)部署、系統(tǒng)和終端設(shè)備硬件優(yōu)化、調(diào)整頻率三個方面入手。

1.網(wǎng)絡(luò)部署，主要是增加GSM-R基站數(shù)量和固定中繼單元等來提高GSM-R場強(qiáng)，而公網(wǎng)和GSM-R基站的協(xié)同布站、公網(wǎng)減少EIRP等措施，可使公網(wǎng)基站在鐵路軌道上的場強(qiáng)不超過限定的最大值。

2.系統(tǒng)和終端設(shè)備硬件優(yōu)化，可以改進(jìn)公網(wǎng)基站發(fā)射機(jī)的濾波器以減少無用發(fā)射，更改UMTS基站接收機(jī)濾波器可對公網(wǎng)下行功率控制，在GSM-R終端增加濾波器可提高對公網(wǎng)信號的衰減能力。目前，國內(nèi)廣鐵集團(tuán)聯(lián)合桑達(dá)公司進(jìn)行了在CIR終端加裝濾波器，減小干擾的試驗，試驗結(jié)果表明：通信質(zhì)量明顯改善，誤包率、傳輸干擾時間和傳輸無差錯時間等關(guān)鍵指標(biāo)均有大幅度提升，在不采用其他改進(jìn)措施的情況下，已基本滿足CTCS-3級列控業(yè)務(wù)通信的嚴(yán)苛要求;乒乓切換和誤切換次數(shù)明顯降低，通信質(zhì)量劣化導(dǎo)致的乒乓切換、非順序切換數(shù)量大為減少，不到原來的十分之一，同時通信中掉線情況完全消除;通信質(zhì)量劣化區(qū)域大為減少，下降為原來的十分之一左右，剩余的個別劣化區(qū)間也可通過特殊技術(shù)手段加以解決。這說明終端加裝濾波器的確可以改善通信質(zhì)量。

3.頻率調(diào)整就是協(xié)調(diào)GSM-R與公網(wǎng)的頻率。

以上解決措施并沒有在經(jīng)濟(jì)成本和使用效率上進(jìn)行優(yōu)化，而是為了達(dá)到雙贏，即參與各方均能實現(xiàn)各自的義務(wù)。

6 小結(jié)

對于250 km/h及以下的客專線路和城際線路GSM-R網(wǎng)絡(luò)，可繼續(xù)使用300～350 km/h客專線路GSM-R服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)體系對其進(jìn)行評價，但要注意以下幾點：①用戶數(shù)據(jù)幀傳送時延與終端的移動速度、GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無關(guān)，能夠滿足指標(biāo)要求;②網(wǎng)絡(luò)注冊時延、連接建立時延、連接建立失敗概率這三個指標(biāo)，與網(wǎng)絡(luò)的C/I或者說網(wǎng)絡(luò)的最小覆蓋電平及電磁環(huán)境有關(guān)，在做好清頻及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及優(yōu)化的情況下，可以達(dá)標(biāo);③傳輸干擾率指標(biāo)不僅與網(wǎng)絡(luò)的C/I有關(guān)，還與終端的移動速度、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸速率有關(guān)，由于250 km/h客專和城際線路較300～350 km/h速度降低，在數(shù)據(jù)傳輸速率確定采用4.8 kb/s、做好清頻及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的前提下，結(jié)合現(xiàn)場實測分析，可以達(dá)標(biāo);④鏈路斷開概率受網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響較大，在單網(wǎng)情況下，整網(wǎng)的覆蓋電平降低，抗外網(wǎng)干擾能力變差，但網(wǎng)內(nèi)干擾的概率也降低了，因此該指標(biāo)是否選擇原來的10-2/h，還需要測試數(shù)據(jù)的支撐。

較單網(wǎng)交織，單網(wǎng)結(jié)構(gòu)的可靠性和可用性均有所降低，在出現(xiàn)單點設(shè)備故障未恢復(fù)的時間段內(nèi)，無法避免地對經(jīng)過該覆蓋范圍的業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響，造成C3信息及重要ATO車-地信息的傳輸中斷，需要C3和C2+ATO系統(tǒng)采取一定的措施，盡量減少對行車和運(yùn)輸效率的影響。

基于以上結(jié)論，對250 km/h及以下的客專線路和城際線路GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提出以下建議：

1.在低于250 km/h的線路上使用GSM-R普通單網(wǎng)，應(yīng)綜合考慮沿線的電磁環(huán)境，滿足C/I要求，綜合考慮全路的電磁環(huán)境，最小接收電平可在現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高。

2.研究通過在車載終端加裝濾波器的方法進(jìn)一步提高服務(wù)質(zhì)量。

3.通過在BTS上配置冗余載波板或BTS支持，當(dāng)BCCH載波板故障后可自動倒換到TCH載波板，并將其重新設(shè)置為BCCH載波等方式，可極大地提高單基站的可用性。

4.對城際線路，為保證站內(nèi)重要ATO信息的傳送，可在車站覆蓋區(qū)采用無線冗余覆蓋方案，提高局部網(wǎng)絡(luò)可靠性。

［1］ CTCS-3級列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案［R］.科技運(yùn)〔2008〕34號，2008.

［2］ CTCS-3級列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范［S］.科技運(yùn)〔2008〕168號，2008.

［3］ UIC 《REPORT ON INTERFERENCES TO GSM-R(V2.0)》(2012.5.30)(GSM-R干擾報告(V2.0))［R］.2012.

［4］ 鐵總科技(2013)79號.城際CTCTS-2+ATO暫行總體技術(shù)要求［R］.2013.

［5］ 鐘章隊，吳昊，李翠然，胡曉紅，陳霞.鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)(GSM-R)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化［M］.北京：清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社.2012(2).