歐陽朔

(中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京鐵路通信技術(shù)中心，北京 100038)

1 概述

隨著中國鐵路飛速發(fā)展以及智慧鐵路概念的提出，中國鐵路信息化水平不斷提升，鐵路通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）網(wǎng)絡(luò)承載的車地間數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)種類越來越多，有限的帶寬與快速增長的業(yè)務(wù)量之間的矛盾日益突出，在下一代鐵路寬帶數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)正式投入運(yùn)用之前，有必要立足于既有網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行合理優(yōu)化，挖掘系統(tǒng)潛力，提高網(wǎng)絡(luò)承載能力，更好的服務(wù)于鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)。

2 存在的主要問題

2.1 無線信道擁塞

該類問題主要表現(xiàn)為小區(qū)內(nèi)終端GPRS 業(yè)務(wù)時(shí)斷時(shí)續(xù)，傳輸速率低，數(shù)據(jù)包環(huán)回測試時(shí)延較大，多發(fā)生于業(yè)務(wù)量較大的地點(diǎn)，例如大型客站、動(dòng)車所等特定小區(qū)，時(shí)間段也相對(duì)集中。

在運(yùn)營維護(hù)中，可以小區(qū)臨時(shí)數(shù)據(jù)塊流（Temporary Block Flow，TBF）分配成功率指標(biāo)作為依據(jù)進(jìn)行判斷，以某大型客站小區(qū)一天的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例如表1 所示，可以看出，在整個(gè)行車時(shí)段，該站的TBF 上、下行分配失敗率均較高，遠(yuǎn)超維規(guī)指標(biāo)要求。

2.2 業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)得不到保證

目前GPRS 網(wǎng)絡(luò)中已承載了調(diào)度命令、進(jìn)路預(yù)告、客運(yùn)站車、列尾、列控設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（Dynamic Monitoring System，DMS）等多種業(yè)務(wù)，今后還將承載列車自動(dòng)運(yùn)行（Automatic Train Operation，ATO）列控業(yè)務(wù)。受限于頻率資源緊張的現(xiàn)狀，各種業(yè)務(wù)需要爭搶空口資源，由于目前未對(duì)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行劃分，提供差異化的服務(wù)質(zhì)量保障，在多業(yè)務(wù)并發(fā)時(shí)會(huì)影響行車調(diào)度以及列控類業(yè)務(wù)的正常使用。

表1 某大型客站小區(qū)TBF分配失敗率統(tǒng)計(jì)表Tab 1 Statistical table of failure rate of cell TBF allocation in a large passenger station

3 相關(guān)技術(shù)的研究

在既有頻率資源得不到擴(kuò)充的情況下，提高GPRS 網(wǎng)絡(luò)承載能力需要研究解決兩個(gè)方面的問題：一方面是增加分組信道數(shù)量，提高分組信道傳輸帶寬。另一方面是對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分類，讓高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延、帶寬等指標(biāo)能夠得到保障，因此需要對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

3.1 信道配置

現(xiàn)網(wǎng)GPRS 信道配置均采用靜態(tài)信道加動(dòng)態(tài)信道的方式，靜態(tài)信道固定分配給GPRS 業(yè)務(wù)使用，動(dòng)態(tài)信道在未被電路域業(yè)務(wù)占用時(shí)可供GPRS 業(yè)務(wù)使用，但在小區(qū)內(nèi)話音信道全部被占用時(shí)，若有新的電路域業(yè)務(wù)請(qǐng)求，即便動(dòng)態(tài)信道已經(jīng)被GPRS 業(yè)務(wù)占用，網(wǎng)絡(luò)也會(huì)將動(dòng)態(tài)信道清空，分配給電路域業(yè)務(wù)使用。

配置分組信道數(shù)量的方式主要分為兩種，一種是按載頻、時(shí)隙進(jìn)行配置，一種是按小區(qū)業(yè)務(wù)信道數(shù)的百分比隨機(jī)指配。各廠家設(shè)備具體配置情況如表2 所示。

表2 現(xiàn)網(wǎng)分組信道配置情況表Tab 2 Configuration table of current network packet channel

由表2 可見，目前現(xiàn)網(wǎng)小區(qū)最大可用分組信道數(shù)量一般配置在4 ～6 個(gè)之間，而2 載頻小區(qū)可用業(yè)務(wù)信道總數(shù)為14 個(gè)，3 載頻小區(qū)可用業(yè)務(wù)信道總數(shù)為22 個(gè)，擴(kuò)展動(dòng)態(tài)分組信道的空間還很大，因此在出現(xiàn)擁塞的小區(qū)可以適當(dāng)增加動(dòng)態(tài)分組信道數(shù)量。

從終端的角度來看，為了得到更高的速率，通過多時(shí)隙配置，同一終端可占用多個(gè)分組信道進(jìn)行GPRS 業(yè)務(wù)。第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）規(guī)范定義了29 種多時(shí)隙級(jí)別，目前終端支持的多時(shí)隙級(jí)別主要有8、10、12 級(jí)如表3 所示，均具備捆綁4 個(gè)時(shí)隙的能力，因此在信道配置上，應(yīng)盡可能的在同一載頻上配置連續(xù)的4 個(gè)時(shí)隙，以充分利用終端多時(shí)隙能力，提高傳輸速率。

表3 終端多時(shí)隙級(jí)別情況表Tab 3 Table of terminal multi-slot levels

3.2 信道編碼

GPRS 信道定義了4 種編碼方案，從CS1 至CS4，對(duì)應(yīng)的吞吐量越高，糾錯(cuò)能力也就越弱，相應(yīng)的對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求也就越高。目前現(xiàn)網(wǎng)普遍采用的是CS1 和CS2 信道編碼方案，能在滿足同頻C/I ≥12 dB 的條件下，實(shí)現(xiàn)小區(qū)的100%和90%的覆蓋，每時(shí)隙數(shù)據(jù)速率為9.05 kbit/s 和13.4 kbit/s。

增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率的GSM 演進(jìn)方案（Enhanced Data Rate for GSM Evolution，EDGE）是在GPRS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展出的技術(shù)，它通過引入八進(jìn)制相移鍵控 (8 Phase Shift Keying，8PSK)調(diào)制方式，每個(gè)符號(hào)傳送3 bit 信息，提高了編碼效能，理論速率是GPRS 系統(tǒng)的3 倍。通過在西成線江油至廣元段、呼張線卓資東至烏蘭察布段進(jìn)行的現(xiàn)場測試來看，在既有網(wǎng)絡(luò)條件下不作硬件改造調(diào)整，在開啟EDGE 后，與GPRS 相比在傳輸時(shí)延、上傳/下載吞吐量上有明顯優(yōu)勢，可以減少35%的傳輸時(shí)延，提高70%的上傳速率以及90%的下載速率，在小區(qū)的中心區(qū)域，能夠獲得較高的數(shù)據(jù)速率，而在小區(qū)的邊緣，傳輸速率也能達(dá)到與GPRS 相同的水平。

此外，在高速適應(yīng)性上，EDGE 引入了鏈路自適應(yīng)技術(shù)，能根據(jù)用戶無線信道條件的動(dòng)態(tài)變化自動(dòng)選擇調(diào)制和編碼方案，允許在采用較高速率的編碼方式傳輸失敗時(shí)，將數(shù)據(jù)分解后采用較低編碼的方式進(jìn)行重傳，相比GPRS 中只能采用原來編碼方式重傳的機(jī)制，能更好的適應(yīng)無線傳輸環(huán)境變化的情況。

部署EDGE 技術(shù)不需要增加新的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，核心網(wǎng)側(cè)僅需對(duì)既有GSM-R 分組域核心網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行必要的軟件升級(jí)便可，主要瓶頸在于無線側(cè)Abis接口，引入EDGE 后數(shù)據(jù)速率增大，想要充分發(fā)揮EDGE 的作用，需要增加相應(yīng)小區(qū)Abis 接口時(shí)隙數(shù)，以避免Abis 接口擁塞造成TBF 分配失敗，現(xiàn)網(wǎng)一般采用4 ～5 個(gè)基站通過1 條E1 電路組成環(huán)網(wǎng)接入基站控制器（Base Station Controller，BSC）設(shè)備，在開啟EDGE 后需增加E1 電路或改為2 ～3 個(gè)基站成環(huán)，為此需要擴(kuò)容既有無線網(wǎng)設(shè)備Abis 接口并對(duì)基站傳輸網(wǎng)進(jìn)行比較大的調(diào)整。

3.3 服務(wù)質(zhì)量管理

現(xiàn)行的鐵路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范在G PRS 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）方面均是摘引自3GPP R97/98 版本中的相關(guān)規(guī)定，規(guī)定的QoS 參數(shù)有可靠性、優(yōu)先級(jí)、延遲等級(jí)、最大吞吐量、平均吞吐量等，允許終端基于不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用需要，在分組數(shù)據(jù)協(xié)議（Packet Data Protocol，PDP）上下文激活時(shí)與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行QoS 參數(shù)協(xié)商。在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)僅僅是在PDP 上下文激活時(shí)對(duì)終端請(qǐng)求的QoS 參數(shù)進(jìn)行核對(duì)，如果超出了歸屬位置寄存器（Home Location Register，HLR）中設(shè)置的參數(shù)值上限，則以HLR 中的設(shè)置為準(zhǔn)，如果終端不接受網(wǎng)絡(luò)給出的QoS 參數(shù)則終止會(huì)話，關(guān)閉PDP 上下文，網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上根本沒有有效的機(jī)制來控制無線資源，區(qū)分優(yōu)先級(jí)提供服務(wù)質(zhì)量控制。

在3GPP R99 版本中增加了對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的支持，在R97/R98 版本的基礎(chǔ)上增加了最大業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元(Service Data Unit，SDU)長度、上行/下行最大速率、上行/下行保證速率、發(fā)送次序、是否發(fā)送錯(cuò)誤的SDU、殘留比特錯(cuò)誤率、SDU 錯(cuò)誤率、業(yè)務(wù)處理優(yōu)先級(jí)、傳輸延遲、分配與保持優(yōu)先級(jí)、擴(kuò)展下行最大速率、擴(kuò)展下行保證速率、無線優(yōu)先級(jí)、流量等級(jí)等參數(shù)。

在信令流程上，當(dāng)終端發(fā)起PDP 激活后，SGSN 首先會(huì)確認(rèn)無線側(cè)資源是否滿足終端提出的QoS 需要。確認(rèn)資源可用后，無線側(cè)會(huì)創(chuàng)建與該P(yáng)DP 上下文相對(duì)應(yīng)的分組流上下文（Packet Flow Context，PFC），用于在無線側(cè)與SGSN 間進(jìn)行QoS 信息交互。PFC 在其生存周期中可以修改，當(dāng)資源可用性發(fā)生變化，不能支持商定的QoS 參數(shù)時(shí)，無線側(cè)可以隨時(shí)請(qǐng)求修改既有PFC 的內(nèi)容。小區(qū)重選時(shí)，終端的PFC 也會(huì)被傳遞到新的小區(qū)進(jìn)行QoS 參數(shù)協(xié)商，新小區(qū)資源不足時(shí)會(huì)基于新小區(qū)可用資源修改QoS 參數(shù)。

但需要特別注意的是，在收到終端上報(bào)的“PDP 上下文激活請(qǐng)求”消息之前，GPRS 網(wǎng)絡(luò)無從獲知終端申請(qǐng)的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，也不會(huì)為高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)進(jìn)行資源預(yù)留。在這一階段，各類終端完全平等的爭搶TBF 資源，也就是說，在TBF 擁塞的情況下，是無法實(shí)現(xiàn)QoS 優(yōu)先級(jí)功能的，在非擁塞情況下才可以保證業(yè)務(wù)的比特率，因此需要避免分組信道擁塞，保證PFC 功能有效。

目前，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司（以下簡稱中國鐵路）針對(duì)ATO 業(yè)務(wù)的應(yīng)用需要，發(fā)布《高速鐵路ATO 系統(tǒng)與GSM-R 網(wǎng)絡(luò)接口暫行規(guī)范》（科信基函[2018]38 號(hào)），對(duì)承載ATO 業(yè)務(wù)QoS 參數(shù)的取值進(jìn)行規(guī)定。但對(duì)承載的其他GPRS 業(yè)務(wù)QoS 參數(shù)缺少相關(guān)規(guī)定，通過查閱國際鐵路聯(lián)盟（International Union of Rail ways，UIC）的相關(guān)報(bào)告和標(biāo)準(zhǔn)，梳理出部分參數(shù)建議取值如表4 所示?？梢钥闯?，UIC 基于歐洲的應(yīng)用情況，僅針對(duì)列控、非列控業(yè)務(wù)進(jìn)行了區(qū)分，跟中國鐵路業(yè)務(wù)應(yīng)用情況存在差異，不能生搬硬套。

表4 相關(guān)報(bào)告、文件對(duì)QoS參數(shù)建議取值情況表Tab 4 Table of recommended values of QoS parameters in relevant reports and files

4 方案建議

通過對(duì)上述技術(shù)的研究，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，建議如下。

1）根據(jù)業(yè)務(wù)運(yùn)用情況，適當(dāng)擴(kuò)大動(dòng)態(tài)分組信道數(shù)量，將數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量大，存在TBF 擁塞現(xiàn)象的基站（例如車站、樞紐、動(dòng)車所等處及周邊的基站）每個(gè)載頻上的4 至7 時(shí)隙都定義為分組信道，即2 載頻基站配置8 個(gè)分組信道，3 載頻基站配置12 個(gè)分組信道。

2）新建、改造線路GSM-R 網(wǎng)絡(luò)建議啟用EDGE 功能，擴(kuò)大動(dòng)態(tài)分組信道數(shù)量后仍然存在TBF 擁塞的既有線路基站可以開啟EDGE 功能，但需要考慮調(diào)整基站環(huán)組網(wǎng)和擴(kuò)容Abis 接口的問題。

3）建議對(duì)分組域業(yè)務(wù)QoS 參數(shù)取值進(jìn)行研究，在列控類、監(jiān)控類業(yè)務(wù)之外，將調(diào)度命令、車次號(hào)校核等行車指揮類業(yè)務(wù)歸為一類，其優(yōu)先級(jí)應(yīng)介于列控類、監(jiān)控類業(yè)務(wù)之間，通過實(shí)驗(yàn)室仿真與現(xiàn)場測試，確定合適的QoS 參數(shù)設(shè)置，并盡早啟用分組域QoS 功能。