高速鐵路GSM-R通信動態(tài)檢測系統(tǒng)

■ 楊樹忠 王惠生 吳楠

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

GSM-R系統(tǒng)應用起源于歐洲鐵路，我國21世紀初引入這一系統(tǒng)，特別是在高速鐵路上，作為指揮高速列車行車及調(diào)度的無線通信系統(tǒng)。GSM-R系統(tǒng)的正常運行對于保障行車安全具有非常重要的意義，因此對系統(tǒng)狀態(tài)進行檢測是不可或缺的。對GSM-R系統(tǒng)的檢測可分為2個階段，第一階段是在高鐵線路GSM-R通信系統(tǒng)建設完畢開通運營前，使用動態(tài)檢測系統(tǒng)檢測網(wǎng)絡的各項指標是否符合開通運營條件，即聯(lián)調(diào)聯(lián)試；第二階段是高鐵線路運營過程中的日常動態(tài)檢測，及時監(jiān)測通信設備及系統(tǒng)的運用狀態(tài)，為養(yǎng)護維修相關(guān)部門提供重要的參考。

目前，已經(jīng)有國外采購和國產(chǎn)化的GSM-R檢測系統(tǒng)（硬件和軟件）在0號高速綜合檢測列車上應用，每個月對全路各高速鐵路線路進行日常檢測；更高速度的綜合檢測列車GSM-R檢測系統(tǒng)也已用于京滬高速鐵路的日常通信檢測，檢測項目主要包括無線場強覆蓋、語音服務質(zhì)量、電路域（CSD）服務質(zhì)量和分組域（GPRS）服務質(zhì)量等。

2 檢測系統(tǒng)軟硬件平臺

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)《G S M-R無線網(wǎng)絡覆蓋和服務質(zhì)量（QoS）測試方法》中規(guī)定的對GSM-R系統(tǒng)服務質(zhì)量的檢測項目，新一代高速綜合檢測列車通信檢測系統(tǒng)（見圖1）由中央處理服務器、同步定位子系統(tǒng)、電磁環(huán)境檢測子系統(tǒng)、GSM-R無線場強覆蓋檢測子系統(tǒng)、GSM-R服務質(zhì)量檢測子系統(tǒng)和GPRS及應用功能檢測子系統(tǒng)等構(gòu)成。其中，中央處理服務器是整個通信檢測系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，不僅為上述5個子系統(tǒng)的硬件設備提供與中央處理服務器交互的接口，還為車載軟件提供軟硬件平臺；同步定位子系統(tǒng)承擔為綜合測試系統(tǒng)提供當前列車運行速度、公里標和經(jīng)緯度等時空同步信息的任務；電磁環(huán)境檢測是確保GSM-R系統(tǒng)業(yè)務在空中接口環(huán)節(jié)可靠性的前提條件；無線場強覆蓋檢測是確保GSM-R系統(tǒng)服務質(zhì)量的物理基礎，QoS檢測指標是GSM-R網(wǎng)絡性能的體現(xiàn)；應用功能檢測可直接反映出業(yè)務應用層端到端業(yè)務的工作狀態(tài)，為了掌握GSM-R系統(tǒng)及其設備的運行狀態(tài)，需要對上述4個層次的項目進行全面檢測。

圖1 GSM-R檢測系統(tǒng)架構(gòu)

由圖1可以看出，新型GSM-R檢測系統(tǒng)是一個統(tǒng)一的整體，各個檢測子系統(tǒng)可分別工作也可聯(lián)合工作。系統(tǒng)可根據(jù)列車運行線路等級（CTCS-2級、CTCS-3級）設定不同的檢測項目，配置方便靈活，使檢測參數(shù)更加豐富，有助于檢測數(shù)據(jù)的綜合分析。使用帶信令的檢測模塊可以同時完成CSD通信特性測試和網(wǎng)絡特性測試。GPRS測試與調(diào)度命令及車次號傳輸測試融合為一個整體，減少設備數(shù)量，既降低測試成本，又減少檢測對運營通信的影響。

GSM-R檢測系統(tǒng)硬件平臺使用高度集成化結(jié)構(gòu)，用于服務質(zhì)量測試的通信模塊和基于CPCI總線的中央處理服務器及同步定位子系統(tǒng)的部件都可以在不拆開機箱的情況下進行安裝和拆卸，便于設備更換和維修；此外，硬件平臺除保證現(xiàn)有設備使用接口外，還預留多個USB、COM、LAN、SATA、DVI等接口，便于硬件系統(tǒng)進行必要擴展。

由于硬件系統(tǒng)高度集成化，可以不再使用CIR作為檢測系統(tǒng)的一部分，檢測系統(tǒng)中的通信模塊可以作為語音通話使用，在操作界面上可以輸入被叫號碼發(fā)起語音通話，測試模塊的音頻信息連接到放大器接入話筒和手柄完成操作。目前，該新型GSM-R檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)已經(jīng)獲得國家專利。

2.2 軟件系統(tǒng)組成

軟件系統(tǒng)分為3個獨立部分，車載端的同步定位軟件、GSM-R綜合測試軟件及地面端的配合測試軟件。其中，同步定位軟件通過采集連接CPCI總線脈沖記數(shù)卡的記數(shù)值和GPS信息為綜合測試系統(tǒng)提供速度、里程和經(jīng)緯度等時空信息，也可以連接現(xiàn)有檢測列車綜合同步信息進行自動定位和距離校準。

GSM-R綜合測試軟件分為實時測試、數(shù)據(jù)回放分析和后臺統(tǒng)計分析三大類功能。實時測試功能根據(jù)不同類型的線路配置不同的檢測項目，可以完成包括語音短呼、長呼、電路域（CSD）服務質(zhì)量、分組域（GPRS）服務質(zhì)量在內(nèi)的QoS測試功能及調(diào)度命令等應用測試功能，在實時測試過程中伴隨著信令解析、電子地圖顯示等輔助功能。回放分析根據(jù)實時測試過程中存儲的測試文件，模擬再現(xiàn)整個測試過程，回放過程中可對數(shù)據(jù)和曲線進行聯(lián)動分析。聯(lián)動分析指當處于非正在回放狀態(tài)時（回放完畢，暫停回放，停止回放），可以使用鼠標雙擊曲線繪圖區(qū)域的某一個公里標處，其他實時的視圖或列表也相應定位到該公里標處，這樣可以進行故障聯(lián)合定位與原因查找。

地面端的配合測試軟件主要完成QoS的配合測試?？勺鳛檎Z音呼叫測試中的FAS臺，自動接聽車載端的呼叫；可作為電路域服務質(zhì)量（CSD）中數(shù)據(jù)傳輸延時和干擾率測試的地面服務器，自動接聽車載端呼叫并按指令與車載端交互幀數(shù)據(jù)；還可作為分組域服務質(zhì)量測試的服務器，與車載端配合完成分組域的傳輸時延（Ping和UDP）測試和網(wǎng)絡吞吐量（FTP上傳/下載）測試。

同步定位子系統(tǒng)的加入使綜合測試系統(tǒng)能夠與現(xiàn)有車載檢測系統(tǒng)在原有硬件基礎上完成軟件的無縫升級；綜合測試系統(tǒng)的松耦合模塊化設計方便系統(tǒng)二次開發(fā)和升級，信令解析和聯(lián)動分析為故障準確定位提供重要指導。

3 檢測數(shù)據(jù)分析處理

新型GSM-R檢測系統(tǒng)的典型數(shù)據(jù)分析處理功能大致分為三類：（1）測試數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲和統(tǒng)計（見圖2）；（2）網(wǎng)絡特性數(shù)據(jù)（信令）的實時解析；（3）測試數(shù)據(jù)的聯(lián)動同步分析。聯(lián)動同步分為2個方面，一是同一模塊不同顯示狀態(tài)的同步，二是不同檢測模塊的定位同步。

圖2 GSM-R檢測系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)顯示和統(tǒng)計分析

在使用GSM-R檢測軟件進行實時檢測之前，需要為每個設備配置相應的檢測任務，包括語音短呼測試、長呼測試、CSD中的連接建立時延、數(shù)據(jù)傳輸時延和傳輸干擾率測試、分組域服務質(zhì)量中的數(shù)據(jù)傳輸時延（Ping和UDP）測試和吞吐量（FTP上傳/下載）測試、網(wǎng)絡注冊時延測試和應用功能測試。實時測試過程中，對于每個測試任務除顯示單次測試結(jié)果外，還提供實時的統(tǒng)計信息，如成功率、失敗率、連接失效率、丟包率、統(tǒng)計建立時延和傳輸時延等。圖2下半部給出以短呼測試為實例的實時測試記錄列表和實時統(tǒng)計列表，這些實時統(tǒng)計列表將是生成統(tǒng)計結(jié)果報表的根本依據(jù)。

為了更好地檢測網(wǎng)絡的運行狀態(tài)，獲取盡可能多的網(wǎng)絡狀態(tài)參數(shù)及信息，對網(wǎng)絡無線接口Um與網(wǎng)絡交互的信令進行采集和解析具有非常重要的意義。新型GSM-R檢測系統(tǒng)軟件可以使用2 W或8 W帶信令模塊進行信令采集，并利用幀格式規(guī)則進行信令的全解析。

測試數(shù)據(jù)和信令信息的多樣化為信息組合定位網(wǎng)絡故障提供了可能性，而聯(lián)動同步分析為準確定位網(wǎng)絡故障提供了重要保障。圖3是聯(lián)動同步分析測試數(shù)據(jù)回放視圖，在這個界面中可以點擊任一個顯示窗口，其他窗口都可以用相關(guān)標記同步到同一公里標的檢測數(shù)據(jù)上。點擊圖3左下部的層三信令，在曲線上顯示標記處信令對應的接收電平、通信質(zhì)量、C/I等指標，同時圖3右下方顯示出這個信令的具體解析內(nèi)容。除此之外，同一測試任務和不同測試任務的其他沒顯示的視圖也已經(jīng)同步到相同公里標處的數(shù)據(jù)上。上述部分或所有同步信息的組合能夠更加準確地定位網(wǎng)絡事件的原因：如由服務小區(qū)和最強的鄰小區(qū)電平忽高忽低引起的乒乓切換、切換失敗原因、掉話原因（電平低或話音質(zhì)量差）等，進而為網(wǎng)絡優(yōu)化提供依據(jù)。

4 結(jié)束語

未來的檢測系統(tǒng)將向著便攜式和自動化（無人值守）方向發(fā)展，硬件平臺將更加高度集成化和多樣化，也能給為網(wǎng)絡狀態(tài)檢測和數(shù)據(jù)分析處理提供更加有力的手段。

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

[2] LOG STB 008 G GSMR AT Commands Description and MRM STB 010 M MRM Technical Specifications Version G[S]，2001

[3] Sagem，Trace protocol specificationV4.08.00 revision C[S]，2007

[4] ETSI. GSM 04.06 version 8.0.1 Release[S]，1999

[5] ETSI. GSM 05.08 version 8.0.1 Release[S]，1999

[6] ETSI. GSM 05.10 version 8.0.1 Release[S]，1999

圖3 聯(lián)動同步分析