GSM-R系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量和接收電平關(guān)系的分析與研究

■ 藺偉 王學(xué)軍 沈京川 蔣志勇

GSM-R系統(tǒng)作為我國(guó)高速鐵路通信的基礎(chǔ)裝備，不僅實(shí)現(xiàn)了列車無(wú)線調(diào)度通信，還承載了列車運(yùn)行控制的數(shù)據(jù)通信，滿足包括CTCS-3級(jí)列控業(yè)務(wù)在內(nèi)的鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)安全可靠性需求，成為GSM-R系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵。影響GSM-R系統(tǒng)承載鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)安全可靠性的關(guān)鍵參數(shù)主要有最小可用接收電平、電波傳播特性等指標(biāo)。

通過(guò)理論計(jì)算、仿真與試驗(yàn)測(cè)試等綜合方法，以及論述高速鐵路GSM-R系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量和接收電平關(guān)系，提出關(guān)鍵參數(shù)取值，為提高GSM-R系統(tǒng)承載CTCS-3級(jí)列控等鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)的可靠性提供參考數(shù)據(jù)。

1 最小可用接收電平

最小可用接收電平指在GSM-R系統(tǒng)滿足規(guī)定可靠性和服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)時(shí)，機(jī)車車頂天線處的最小接收電平[1]。參照接收機(jī)的噪聲門限，結(jié)合我國(guó)鐵路沿線典型的電磁環(huán)境，對(duì)最小可用接收電平進(jìn)行理論推算和仿真。基于300～350 km/h列車運(yùn)行速度條件下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析服務(wù)質(zhì)量中最為關(guān)鍵的接收質(zhì)量（RxQua l）和CSD傳輸干擾率兩個(gè)指標(biāo)與接收電平的關(guān)系。通過(guò)理論計(jì)算仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，初步獲得最小可用接收電平的取值區(qū)間。

1.1 理論計(jì)算和仿真

當(dāng)接收機(jī)噪聲門限（以BER的形式給出）確定時(shí)，可用接收機(jī)的噪聲系數(shù)（NF）表示其接收的靈敏度Si（dBm），如公式（1）所示。

式中：S0/N0為確保BER小于噪聲門限時(shí)接收機(jī)輸出的信噪比；Ni為接收機(jī)輸入噪聲功率，Ni=k T·B，其中k=1.38×10-23J/K，是波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度（K）；B為噪聲帶寬（Hz）。

最小可用信號(hào)接收功率SRmin與接收機(jī)輸出噪聲比關(guān)系如公式（2）所示。

根據(jù)0.3 GM SK信號(hào)的解調(diào)原理， BER理論值Pe表示見(jiàn)公式（3）[2]。

可得SR0/NR0與BER的關(guān)系：

GSM-R系統(tǒng)最小可用接收電平的估算模型則為：

根據(jù)公式（5），載噪比C/N仿真計(jì)算參數(shù)取值如下：

（1）GSM-R調(diào)制參數(shù)。鐵路GSM-R系統(tǒng)采用0.3 GM SK調(diào)制方式：B·T=0.3；Rb=270.833 kb/s，B=200 kHz。

（2）信道編碼增益。數(shù)值仿真時(shí)設(shè)系統(tǒng)信道編碼增益Gp=0 dB。

（3）誤碼率。按照UIC《GSM-R系統(tǒng)建設(shè)和實(shí)施指南》要求，接收信號(hào)質(zhì)量（R x Q u a l）95％的結(jié)果應(yīng)不大于4級(jí)。以此作為服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)，計(jì)算最小接收電平。R xQual=4級(jí)時(shí)，對(duì)應(yīng)的BER為1.6％～3.2％[2]。

（4）GSM-R移動(dòng)終端接收機(jī)指標(biāo)。接收機(jī)天饋匹配阻抗R=50Ω；NF要求在3～6 d B，仿真計(jì)算時(shí)取6 dB。

根據(jù)上述條件，利用公式（5）數(shù)值仿真計(jì)算不同誤碼率要求的載噪比（見(jiàn)圖1）[3]。

根據(jù)圖1的仿真結(jié)果，當(dāng)NF=6 dB、Gp=0 dB時(shí)，移動(dòng)終端接收機(jī)天線處輸入端射頻信號(hào)CNR不小于13.285 d B，即可保證系統(tǒng)BER≤3.2％。

G S M-R系統(tǒng)采用的碼率尺=1/2，約束長(zhǎng)度=5，其d∞=7，因此編碼增益Gp=2.43 d B[4]。GSM-R系統(tǒng)所需C/N應(yīng)大于或等于7.855 d B（N F=3 d B條件下）/10.855 d B（NF=6 dB條件下）。實(shí)測(cè)鐵路沿線清頻后的GSM-R系統(tǒng)電磁環(huán)境噪聲Nitotal約為-92 dBm。

根據(jù)上述條件，結(jié)合C/N的指標(biāo)要求，得到在鐵路沿線典型電磁環(huán)境背景噪聲下，GSM-R系統(tǒng)的最小可用接收電平為-84～-81 dBm。

1.2 測(cè)試條件

測(cè)試區(qū)段基站分布見(jiàn)圖2，關(guān)閉與被測(cè)基站相鄰有關(guān)系的其他基站。被測(cè)基站間距平均約12 km，在列車運(yùn)行速度為300～350 km/h的平原區(qū)段，測(cè)試不同接收電平和服務(wù)質(zhì)量的關(guān)系，以確定最小可用接收電平。

1.3 R xQual與接收電平的關(guān)系

對(duì)應(yīng)不同的接收電平，將R x Q u a l分組，統(tǒng)計(jì)出不同接收電平條件下R xQua l≤4的分布（見(jiàn)圖3）。

為滿足國(guó)際鐵路聯(lián)盟（U IC）提出的在R xQual 95％概率條件下統(tǒng)計(jì)結(jié)果小于或等于4級(jí)的要求，根據(jù)

R xQ ua l≤4在不同接收電平條件下的分布，當(dāng)列車運(yùn)行速度為300～350 km/h時(shí)，最小可用接收電平取-83 dBm。

1.4 CSD傳輸干擾率與接收電平的關(guān)系

經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，可使基站小區(qū)切換間隔時(shí)間大于20 s。假設(shè)不是因切換造成的誤包次數(shù)為m，基站小區(qū)個(gè)數(shù)為n，為滿足非切換原因造成的誤包次數(shù)占總誤包次數(shù)的比例小于5％，則兩者的關(guān)系為：

測(cè)試數(shù)據(jù)是在列車運(yùn)行速度300～350 km/h的條件下獲得，平均列車運(yùn)行速度為330 km/h。目前，CTCS-3級(jí)列控區(qū)段的基站平均間距為3 km，切換間隔的平均時(shí)間約32.7 s。測(cè)試CSD數(shù)據(jù)傳輸干擾率采用4.8 kb/s 40字節(jié)數(shù)據(jù)包測(cè)試，數(shù)據(jù)包的發(fā)送間隔10 m s，發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的平均時(shí)間為40×8/4 800+10=76 m s。由于模塊需要一定的處理時(shí)間，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的平均時(shí)間約85 m s。兩次切換之間平均可發(fā)送約385個(gè)數(shù)據(jù)包。分析和統(tǒng)計(jì)非切換誤包的測(cè)試數(shù)據(jù)，在每次發(fā)生非切換引起的CSD干擾時(shí)，數(shù)據(jù)連續(xù)誤包數(shù)集中在2～4包，平均為3包。因此，為達(dá)到傳輸無(wú)差錯(cuò)時(shí)間＞20 s（95％）的指標(biāo)要求[5]，非切換引起的CSD數(shù)據(jù)誤包率應(yīng)不超過(guò)：BLER=3/385×5.26％=0.041％。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可得，CSD數(shù)據(jù)傳輸全部樣本的誤包率為2.3％。

CSD誤碼與接收電平分布見(jiàn)圖4。當(dāng)R x Le v≥-8 2 d B m時(shí)，C S D誤包數(shù)占誤包樣本總數(shù)的比例小于1.36％，對(duì)應(yīng)的誤包率為2.3％×1.36％=0.031％，滿足小于0.041％的要求。

1.5 取值

在列車運(yùn)行速度300～350 km/h條件下，為滿足列控業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量要求，建議最小可用接收電平取-82 d Bm。建議開(kāi)展測(cè)試接收電平為-82 d Bm條件下服務(wù)質(zhì)量的特性研究，積累足夠的測(cè)試樣本，確定科學(xué)合理的最小可用接收電平。

2 電波傳播特性

通過(guò)研究高速鐵路沿線電波傳播大尺度損耗特性和小尺度衰落特性，在合理的最小可用接收電平取值條件下，為GSM-R系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)預(yù)測(cè)和工程設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。

2.1 大尺度路徑損耗指數(shù)

在天線高度30 m、天線增益17 dBi，以及不同速度條件下，使用測(cè)量接收機(jī)鎖定被測(cè)基站頻點(diǎn)，測(cè)得95％地點(diǎn)和時(shí)間概率條件下的接收電平分布。速度300～350 km/h和速度小于160 km/h的準(zhǔn)平原區(qū)段接收電平分布（見(jiàn)圖5，圖6）。

統(tǒng)計(jì)分析不同速度條件下的無(wú)線覆蓋測(cè)試數(shù)據(jù)，在電波大尺度傳播模型中的路徑損耗指數(shù)與列車速度無(wú)關(guān)，與地形關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 路徑損耗指數(shù)與列車速度及地形關(guān)系

2.2 小尺度衰落余量

列車運(yùn)行速度為160 km/h和300～350 km/h條件下，測(cè)得平原地區(qū)的衰落余量。兩組不同速度條件下的衰落余量見(jiàn)圖7。

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，雖然列車運(yùn)行速度不斷提高，但相同地形條件下的衰落余量基本相同，與速度無(wú)關(guān)。對(duì)不同地形測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，得到鐵路沿線電波傳播小尺度衰落余量分布（見(jiàn)圖8）。

直放站加漏纜覆蓋地區(qū)的衰落余量最小，平原地區(qū)居中，山區(qū)衰落余量最大。因此，建議工程設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)不同地形考慮不同的衰落余量，以確保可靠的無(wú)線覆蓋。不同地形條件下的衰落余量統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表2。

表2 不同地形條件下衰落余量統(tǒng)計(jì)值

3 結(jié)論

（1）為保證300～350 km/h列車運(yùn)行條件下，GSM-R承載CTCS-3級(jí)列控等鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，建議最小接收電平取值-82 dBm。

（2）在最高速度為350 km/h條件下，電波大尺度傳播模型中的路徑損耗指數(shù)和小尺度衰落余量與列車速度無(wú)明顯關(guān)聯(lián)，與地形有關(guān)。

[1] 鐵道部運(yùn)輸局. 鐵路GSM—R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)最小可用接收電平測(cè)量方法（V1.0）[S]，2005

[2] Vijay K Ga rg，Joseph E W ilkes. Prin c ip les and App lications o f GSM[M]. Upper Sadd le River，New Jersey[J]. USA：Prentice Hall PTR，1999

[3] 張遙，王群. 基于M ATLAB的GM SK和基帶信號(hào)功率譜密度仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)[J]. 南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(2)

[4] Theodore S，RAPPAPORT. 無(wú)線通信原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，1999

[5] GSM-R QoS W orking Group. O-2475 ERTMS/GSM-R Quality o f Service Test Specification. Paris：UIC，2006