GSM-R高速網絡無線性能提升技術及驗證系統

■ 李少楠 張勛

作為信號及列控系統的傳輸平臺，GSM-R需要滿足列車運行速度從0～500 km/h的無線通信要求，這對網絡質量和可靠性提出了很高的要求。多普勒效應與多徑傳播會導致接收信號失真，使接收信號的頻譜發生擴展，所以對GSM-R系統來說，如何在列車高速運行（大于220 km/h）的條件下保證無線鏈路的穩定是一個非常關鍵的問題。為此，提出GSM-R高速性能解決方案，解決多普勒頻偏和快速切換控制等難題，可有效提升高速下的網絡服務質量。

1 無線性能提升關鍵技術

1.1 自動頻率校正技術（AFC）

在高速移動狀態下，受多普勒效應影響，移動臺頻率信息會產生偏移，如果GSM-R通信系統不采取預防措施，當列車時速高于220 km時，無線通信可能會出現中斷。

目前，高速鐵路列車時速已達到350 km甚至更高，傳統移動通信系統已不能滿足高速鐵路要求。采用AFC技術糾正高速下的多普勒頻率偏移問題，其解調門限可達到1 000 Hz，即AFC可適應時速500 km范圍內的多普勒頻移。與此同時，將AFC創新應用于GPRS，保證高速情況下，GPRS業務性能不受影響。

1.2 快速切換算法

當移動終端在已建立呼叫的狀態下從一個基站移動到另一個基站時，它將執行切換以實現無線信道資源的改變，列車會快速地從一個基站到達另一個基站的覆蓋區。如果采用傳統切換算法，列車上的移動臺將沒有足夠時間改變無線信道，從而造成通信鏈路中斷。

快速切換算法是專為高速鐵路而設計，可確保高速狀態下切換的實時性和可靠性（見圖1）。（1）多普勒頻移切換算法是基于自動頻率校正功能的一種加快切換判決的切換算法。在高速移動應用場合，通過縮短切換判決時間，達到縮短切換帶、提升小區間切換性能的目的。（2）快速PBGT切換算法是一種基于路徑損耗的切換。在移動臺快速移動條件下，迅速切換至更好小區獲得服務，保持通信連接，提升小區間切換性能；同時，使移動臺在高速移動條件下，在有限切換帶內一次切換失敗后進行第二次切換成為可能。

1.3 鏈型小區切換

充分利用鐵路近線型覆蓋的特點，形成鏈型鄰區，通過對移動臺運動方向的預測和判斷，使用戶在鏈型小區間移動，提高切換成功率，提升網絡質量，鏈型鄰區更充分地保障了小區間切換的可靠性。

1.4 多站點共小區技術

多站點共小區技術即多個不同位置點的射頻拉遠模塊（RRU）設備配置相同的頻率組，通過基帶處理單元（BBU）控制實現多個RRU 的同步收發。邏輯上這幾個不同位置點的RRU屬于同一小區，鐵路終端從一個位置點移動到另一個位置點時就無需切換。采用共小區技術后，一方面可減少切換次數，提升網絡性能；另一方面，頻率的復用距離增加，在相同的信噪比下，頻率規劃變得簡單易行。

1.5 增強的NACC提升數據業務性能

網絡輔助的小區重選（NACC）可有效加快小區重選速度，縮短由于切換所引起的數據中斷時間，使正在進行的分組業務中斷時間由幾秒降低為300～700 m s。

圖1 快速切換算法

1.6 合理的GSM-R網絡規劃和覆蓋設計

GSM-R網絡覆蓋有其特殊性，為保證高可靠性和無線網絡性能，合理的網絡規劃將從基站的選址、合理的切換區域設計、天饋的增益和方位角、有針對性的站型及特殊區域特殊考慮5個方面入手，最大程度提升無線網絡的性能。

2 高速無線性能仿真驗證系統

2.1 性能驗證系統框架

高速仿真驗證系統的目標是通過無線信道建模，在實驗室內盡量真實地模擬GSM-R高速無線信道。實驗室高速性能仿真驗證系統主要分為2個部分：無線信道建模和算法/網絡級驗證（見圖2）。

無線信道建模過程中，對GSM-R典型覆蓋和應用場景進行分析，獲得符合高鐵特點的信道級無線信道模型；在此基礎上，通過高速仿真平臺模擬高鐵無線信道，對GSM-R設備特定條件下的算法級和網絡級高速性能指標進行驗證，獲得不同列車運行速度和組網解決方案下的性能基線數據。

2.2 高速無線信道建模

信道建模需要定義GSM-R高鐵信道徑數、每徑功率、衰落帶寬、Ric ian K因子等信道特征，目前高速仿真驗證系統中使用的信道模型既包括符合3GPP協議規定的TU市區（低速）、RA郊區（高速）、HT山區地形信道模型（高速），也包括特定站點工參下的高速切換場景。某個典型的高速切換電平和頻偏變化基線見圖3。

2.3 高速仿真驗證平臺

高速仿真驗證平臺的核心部件為2臺高性能的2×2通道無線信道仿真儀、GSM-R QoS測試工具。該平臺的實驗室組網結構見圖4。

RFI為無線射頻接口，設備通過射頻線連接，保證器件間的射頻隔離度。無線信道仿真儀在被測小區的上下行鏈路上實現雙向信道模型，用于精確模擬高鐵信道特征。GSM-R QoS測試工具的作用是根據自動化腳本發起GSM-R語音和列控業務，對服務質量（QoS）數據進行統計并生成統計報表，進行快速業務驗證。

3 結束語

對于GSM-R高速鐵路無線傳播模型的認識始終是無線性能算法設計和驗證的基礎，因此，對高速無線信道進行實地測量，獲得高速條件下的GSM-R信道特征具有非常重要的意義。在信道測量的基礎上，基于高速仿真驗證平臺，甚至可以在實驗室內真實再現實際線路的無線信號覆蓋。

圖2 GSM-R無線性能仿真驗證總體框架

圖3 切換下的覆蓋電平和頻偏曲線

圖4 高速仿真驗證平臺結構

[1] 鐘章隊，李旭，蔣文怡，等. 鐵路GSM-R數字移動通信系統[M]. 北京：中國鐵道出版社，2007

[2] L Poutas. ERTM S/GSM-R Quality o f Service Test Specification[S]，2006