GSM-R網絡用戶數據幀傳送時延研究

李 莉 郭少磊 邸士萍

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

舉世矚目的京滬高速鐵路于2011年6月30日開通，它采用了大量的世界先進技術，其中，列車控制系統采用CTCS-3級列控系統，借助GSM-R網絡傳遞大容量車地信息。GSM-R網絡的質量直接影響CTCS-3級列控系統的運行狀況，目前已開通的GSM-R線路上，均采用《GSM-R無線網絡覆蓋和服務質量（QoS）測試方法（V1.0）》測試各項QoS指標，并依據測試結果優化GSM-R網絡。

GSM-R網絡QoS指標眾多，本文針對用戶數據幀傳送時延指標展開研究，該指標是衡量數據傳輸有效性的重要指標。對于CTCS-3級列控系統而言，GSM-R系統較短的數據傳輸時延意義重大，能更為快捷、有效地傳遞車地信息。在不同的網絡應用速率、數據長度和終端模塊下，用戶數據傳送時延是否會產生變化，如何更好地滿足列控系統的需求，目前的測試方法是否科學合理，都需要進行深入研究。

2 理論分析

2.1 指標定義

用戶數據幀傳送時延是GSM-R網絡電路域數據業務的一項QoS指標，指移動終端數據幀發起傳送請求到該移動終端數據幀成功接收之間的時間間隔，其中，用戶數據幀是指測試數據幀，長度為30?Byte。在《CTCS-3級列控系統GSM-R網絡需求規范（V1.0）》中，對該指標的要求是“用戶數據幀（30?Byte）傳送時延應滿足 ：≤ 0.5?s?（99％）。”

2.2 時延分解

數據傳送時延一般包括發送端設備、中間設備和接收端設備的處理時延；數據信號通過媒質的傳播時延等。具體到基于GSM-R系統的數據幀傳送，其時延包括數據發送時延、移動終端和GSM-R網絡的處理時延、中繼設備和傳輸設備的處理時延及信號的傳播時延。

2.2.1?數據發送時延

數據終端采用GSM-R系統通信時，可以選擇不同的應用速率，電路域數據業務主要包含2.4、4.8、9.6?kbit/s?三種速率。對應不同的速率，在數據終端和GSM-R移動終端之間的接口上，數據發送時延不同，數據發送時延=數據長度/應用速率。相同長度的數據發送時延：2.4?kbit/s＞4.8?kbit/s＞?9.6?kbit/s。數據長度相同時，應用速率越大，數據發送時延越短。

2.2.2?GSM-R系統處理時延

根據3GPP協議03.05《系統技術指標》，GSM-R系統的處理時延主要包括數據幀長度引起的時延；比特/字符轉換時間；異步/同步轉換時延；數據幀緩存時延；無線信道編解碼時延；交織解交織時延；終端適配的處理時延；協議處理的時延等。

在GSM-R系統處理時延中，交織解交織時延占據主要位置。交織技術是為了對抗因衰落和干擾引起的突發連續誤碼而引入的，即在不增加系統傳輸開銷的情況下，采用時間分集的手段，將原本連續傳輸的數據碼段分散到不同的時間進行傳送，以降低離散的隨機誤碼和突發連續誤碼對譯碼器正確解碼的影響，提高系統的可靠性，但由于數據的分散，造成較大時延。03.05協議中給出最壞情況下交織/解交織時延，如表1所示。

表1 交織/解交織時延參考值

同時，3種速率下其他處理過程引起的時延相當，因此由于交織/解交織時延的差異，可得出僅考慮GSM-R系統處理時延情況下，3種速率的傳輸時延大小關系 ：4.8?kbit/s?＞9.6?kbit/s?＞?2.4?kbit/s。2.2.3?其他時延

在實際承載CTCS-3級列控系統的GSM-R網絡中，會產生各種中間設備引起的時延，比如傳輸設備、中繼MSC引起的時延，以及設備之間長距離傳輸引起的傳播時延等。表2中給出了各種設備的時延參考值。

表2 各種傳輸或處理系統對時延的影響

結合具體的網絡結構，包括中間設備、設備之間的距離等，可計算出由此引起的傳輸時延。

2.3 小結

以上分析了影響用戶數據傳送時延的各個部分，從中可以看出，不同的網絡應用速率（代表了系統不同的處理過程）、不同的模塊（代表了不同的設備處理能力）、不同的數據長度（代表了不同的發送要求）都對數據傳送時延產生影響。

同時，基于對不同應用速率下數據傳送時延的分析，主要是數據發送時延和GSM-R系統傳輸時延的比較。綜合來看，9.6?kbit/s速率下傳送時延最小，4.8?kbit/s和 2.4?kbit/s速率下傳送時延相當。這可為GSM-R網絡應用速率選擇提供一定的技術依據。

3 實驗室測試

為了進一步驗證理論分析結果，獲得不同應用速率、不同數據幀長度、不同廠家模塊情況下傳輸時延取值，根據《GSM-R無線網絡覆蓋和服務質量（QoS）測試方法（V1.0）》進行實驗室和京滬先導段現場測試。

3.1 測試設備

測試依托于北京全路通信信號研究設計院有限公司GSM-R實驗室，系統設備為華為GSM-R設備，包括1套軟交換MSC（含MSC?Server及MGW）、VLR、HLR等在內的移動交換子系統，1套BSC/TRAU設備，1套BTS3012宏基站設備，1套DBS3900分布式基站設備以及1套M2000網管系統。測試設備采用北京全路通信信號研究設計院有限公司GSM-R網絡服務質量測試設備，包含1套移動測試終端、3套移動設備（MT）、1套地面固定測試終端。各設備的具體情況如表3所示。

表3 實驗室系統設備和測試設備列表

3.2 測試方法

測試采用圖1所示的網絡結構，測試點在Igsm-r接口，移動測試終端控制MT模塊向地面固定測試終端發起一定速率的數據呼叫，呼叫建立后，開始發送30/40?Byte的數據幀。地面固定測試終端收到數據幀后，將其環回轉發給移動測試終端。移動測試終端收到環回的數據幀后發送下一個數據幀，并在Igsm-r接口進行計算，用開始傳送數據幀（發送數據幀的第一個比特）到接收完從固定測試終端返回的同一數據幀（接收數據幀的最后一個比特）時間間隔的一半作為端到端數據傳輸時延。

與測試方法規定不同，本次測試在30?Byte用戶數據幀傳送時延基礎上，引入40?Byte數據幀的測試，原因在于CTCS-3級列控系統中大量數據接近40?Byte，故采用40?Byte用戶數據幀進行測試，與實際情況更相符。

測試僅對成功收到的數據幀（即接收到的數據幀信息單元帶正確的CRC校驗）進行統計，統計指標為“端到端數據傳輸時延≤0.5?s的百分比”（=成功傳送的端到端傳輸時延≤0.5?s的數據幀數/成功傳輸的數據幀總數）。

3.3 測試內容

根據數據呼叫速率、數據幀長度、MT模塊的不同進行組合測試，以確定呼叫速率、數據幀長度及MT模塊對數據傳送時延的影響，具體的測試內容如下。

Selex 模塊在 30/40?Byte，2.4、4.8、9.6?kbit/s速率下測 試 ；Funkwerk 模塊在 30/40?Byte，2.4、4.8、9.6?kbit/s速率下測試；Sagem模塊在30/40?Byte，2.4、4.8、9.6?kbit/s速率下測試。

3.4 測試結果

經過測試及統計分析，得到表4、5所示的各模塊傳輸時延小于等于0.5?s的百分比、平均值和最大、最小值。

表4 用戶數據幀傳送時延實測結果

表5 用戶數據幀傳送時延統計

從傳輸時延平均值的統計結果來看，可以得到以下結論。

1）2.4、4.8 及 9.6?kbit/s?三種應用速率下數據傳送時延均滿足QoS指標要求。

同一個MT模塊，同一數據幀長度下，9.6?kbit/s速率下端到端數據傳輸時延最小，2.4?kbit/s速率其次，4.8?kbit/s速率下端到端數據傳輸時延最大，但與2.4?kbit/s差距不大，與理論分析相符。

2）不同數據幀長度（30/40?Byte）下測試結果均滿足要求。

同一個MT模塊，在3種應用速率情況下，40?Byte和30?Byte數據幀數據傳輸時延均能滿足99％的樣本數不大于0.5?s的指標要求，40?Byte數據幀傳送時延大于30?Byte數據幀，與理論分析相符。

3）不同廠家模塊下測試結果存在細微差異，但均能滿足指標要求。

同一網絡速率、同一數據幀長度下，用不同廠家的模塊進行用戶數據幀傳送時延測試，其結果存在細微差異。這反映出不同模塊處理時延的不同，但幾家模塊均能滿足QoS指標的要求。

4 京滬先導段測試

4.1 測試設備

現場測試在京滬先導段進行，京滬先導段為京滬正線棗莊—蚌埠區段，跨濟南局和上海局，全長222?km，共69個基站，其中13個基站接入到濟南BSC及濟南MSC，56個基站接入到南京BSC和上海虹橋MSC，均為諾西公司設備，BSC設備版本均為BR10。

測試采用北京全路通信信號研究設計院有限公司自主研發的GSM-R網絡服務質量測試設備，包含移動測試終端、測試模塊、地面固定測試服務器終端。地面固定測試服務器為兩臺，分別測試2.4?kbit/s速率和4.8kbit/s速率的各項QoS指標，終端側從同一車頂天線經功分器接入到各模塊進行測試，保證無線環境基本相同。服務器均放置在上海虹橋核心網機房，設備的具體情況如表6所示。

表6 現場測試設備列表

4.2 測試方法

采用本文3.2中相同的測試方法。

4.3 測試內容

由于測試條件有限，本次測試進行的是全基站覆蓋條件，400?km/h以上速度時，2.4?kbit/s和4.8?kbit/s兩種應用速率情況下用戶數據幀傳送時延指標。

4.4 測試結果

經過測試及統計分析，得到表7、8所示的各模塊傳輸時延小于等于0.5?s的百分比、平均值和最大值、最小值。

表7 用戶數據幀傳送時延京滬先導段測試結果（部分）

表8 京滬先導段用戶數據幀傳送時延測試結果統計表（部分）

可以看出，現場測試中用戶數據幀傳送時延測試的結果與實驗室測試相似，兩種速率、兩種數據長度、不同模塊情況下，數據傳送時延都能較好滿足QoS指標要求。

5 結論

本文經過理論分析，得出不同的應用速率（2.4、4.8、9.6?kbit/s）、不同的數據幀長度（30、40?Byte）、不同的移動終端模塊對GSM-R網絡用戶數據幀傳送時延產生的影響，為網絡應用速率的選取提供了一定的技術依據。同時，經過實驗室測試和京滬現場測試，驗證了上述理論分析的結論，得出了不同應用速率、不同數據幀長度及不同終端模塊情況下的數據傳送時延。測試結果表明，各種情況下的數據傳送時延均滿足當前對該指標的規定，說明對指標的規定值是科學合理的，出于與列控實際情況接近的考慮，建議測試方法中數據幀長度修改為 40?Byte。

[1]科技運[2008]170號 GSM-R無線網絡覆蓋和服務質量（QoS）測試方法（V1.0）[S].

[2]科技運[2008]168號 CTCS-3級列控系統GSM-R網絡需求規范（V1.0）[S].

[3] GSM 03.05.V8.0.0 Technical performance objectives[S].1999

[4]郵電部北京設計院.電信工程設計手冊（移動通信）[M].北京：人民郵電出版社，1994.