高速鐵路無線通信系統半實物仿真技術與QoS仿真分析研究

■ 熊磊

GSM-R作為鐵路神經網絡承載CTCS-3級列車運行控制系統（C3），直接關系到鐵路運行效率與安全。因此，對高速鐵路GSM-R網絡的服務質量（QoS）提出了更為嚴格的要求[1]。

高速鐵路建設中，一般選擇在試驗段（或先導段、先行段）上對GSM-R系統的性能進行現場測試，有力保障GSM-R系統的可靠運行。然而現場試驗需要投入大量人力、物力，而且存在試驗時間較為有限，環境限制因素較多，參數（如基站高度、發射功率、移動速度等）不易調整，勞動強度大，電波傳播環境無法精確控制和重復等不足。

高速鐵路無線通信系統半實物仿真將計算機仿真與硬件試驗相結合，采用信道仿真設備模擬高速鐵路現場的電波傳播環境，而GSM-R網絡、終端則與高速鐵路現場盡可能保持一致，從而實現在實驗室環境開展高速鐵路GSM-R性能測試。半實物仿真準確性高，為實時仿真，可以進行設備測試，與現場試驗相比，實施成本低，能夠方便設定系統參數，可以保證測試的完備性；仿真環境透明、可控，而且能夠精確重復，目前已在航天航空、武器設計、機械制造、電力等諸多領域廣泛應用。

1 半實物仿真

高速鐵路無線通信系統半實物仿真平臺以信道仿真儀為核心（見圖1），由QoS測試軟件、移動終端、GSM-R網絡、固定用戶接入交換系統（FAS）、車站臺、Abis接口監測系統及射頻配件和射頻電纜構成。除信道仿真儀以外，其他設備均與高速鐵路現場保持一致。信道仿真儀能夠模擬高速鐵路各種典型場景（如高架橋、路塹、平原、丘陵）、移動速度、覆蓋電平、噪聲和干擾強度的各種無線信道，具有多個并行的仿真通道，其參數均可以獨立設定。QoS測試軟件可以對不同信道環境下的各項QoS指標進行測試。Abis接口監測系統對整個通信過程中Abis接口信令進行記錄和統計分析，并可以直觀地顯示上、下行接收電平（RXLEV）、接收質量（RXQUAL）和越區切換進程。

2 高速鐵路無線通信系統半實物仿真平臺功能

2.1 高速鐵路無線信道特性分析

列車運行速度的提高會導致信道衰落速度的加快，要保證通信的可靠性，需要合理確定接收機的最小可用接收電平。鐵道部GSM-R規范中規定98％的地點覆蓋電平高于-92 d Bm，這一電平在350 km/h及以上高速鐵路上的性能如何，是目前關注較多的問題。高速鐵路無線通信系統半實物仿真平臺可方便地設定各種移動速度（如250，350，420 km/h）與接收電平，并對系統性能進行仿真。通過各種仿真條件下，對Ab is接口監測數據進行統計處理，可以分析接收電平與接收質量、速度之間的關系等，為確定350 km/h及以上高速鐵路的最小可用接收電平提供數據支持和驗證。

仿真實驗繪制了列車運行速度為350 km/h時，當下行接收電平分別為-72，-82 ，-92 d Bm時，下行接收質量RXQUAL的分布（見圖2）。由圖2可知，隨著接收電平的下降，接收質量會發生一定程度的下降。在-92 d Bm時，RXQUAL小于3的概率約為0.933 8，基本可以滿足通信質量要求。

2.2 高速鐵路QoS指標測試

由仿真平臺模擬高速鐵路各種無線信道環境，QoS測試系統控制移動終端進行GSM-R話音業務、電路域數據和分組域數據的QoS指標進行測試（見表1）。測試完全按照鐵道部QoS測試規范進行。

QoS指標測試可以用于分析高速鐵路周邊環境、移動速度、覆蓋電平、噪聲干擾等對各項QoS指標的影響，對高速鐵路GSM-R系統在各種條件下的性能進行準確分析評估，為保障GSM-R系統安全、可靠、穩定運行，合理進行GSM-R網絡設計與優化提供支撐。

表1對移動速度為80，160 ，350 km/h，接收電平為50 d Bm，無同頻干擾條件下話音業務呼叫建立時間進行了比較。由表1可知，隨著移動速度的提高，呼叫建立時間的最大值、最小值和平均值都有一定程度的增加，但較為有限。

2.3 越區切換模擬

越區切換是GSM-R移動性管理的重要內容，當高速列車以350 km/h運行時，以現有3 km的基站間距考慮，每分鐘大約發生2次越區切換，越區切換相當頻繁。保證高速鐵路越區切換的可靠性是當前GSM-R需要解決的重要問題之一。

越區切換見圖3。平臺可以獨立、實時地對各基站的信號加以控制，模擬列車運行過程中處于不同位置時，各個基站場強的變化規律，從而實現在各種無線信道環境下對越區切換的仿真。依托平臺，可以研究切換參數（如信號電平切換門限、信號質量切換門限、切換容限、平均窗口等）對切換性能的影響，為合理配置參數，避免乒乓效應，提高切換成功率提供技術支持。

2.4 設備高速適應性測試

仿真平臺可以在實驗室環境下對GSM-R通信設備（如車載8 W模塊，手持移動終端等）的高速適應性進行測試。仿真平臺可以方便地設定各種測試環境，從而保證測試的完備性。此外，仿真平臺能夠實現對仿真的精確控制與重復，可以方便地進行故障排查與定位和性能比較。目前已有多家設備廠商在仿真平臺上對設備的高速性進行了測試，根據測試結果有針對性地對設備進行優化設計，提高設備的高速適應性（如多普勒校正技術）。

3 結束語

高速鐵路無線通信系統半實物仿真雖然不可能完全替代現場測試，但在高速鐵路無線通信技術研究、QoS分析、越區切換性能優化、設備研發等領域能夠發揮較大作用，對于確保高速鐵路GSM-R系統的可靠運行具有十分重要的意義。

[1] 鐘章隊，李旭，蔣文怡，等. 鐵路綜合數字移動通信系統（GSM-R）[M]. 北京：中國鐵道出版社，2003