GSM-R系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)兼容性測試方法的研究

高建平　周 鵬

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路軌道交通運行控制系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100073）

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GSM-R系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)兼容性測試方法的研究

高建平1，2周 鵬1，2

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路軌道交通運行控制系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100073）

高速鐵路建成后，運營商為了解決由于CRH車體密封性好、損耗高，列車速度快等原因，車廂內(nèi)通信質量明顯下降而進行了高鐵專網(wǎng)覆蓋。為保障高速鐵路通信網(wǎng)GSM-R系統(tǒng)的穩(wěn)定，研究GSM-R系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)兼容性測試的辦法。

GSM-R；GSM；系統(tǒng)兼容測試方法

1　概述

GSM-R是鐵路專用通信系統(tǒng)，作為保障鐵路運輸安全的調度指揮及行車控制系統(tǒng)，GSM-R數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性對無線網(wǎng)絡質量有很高的要求。

鐵路提速后，由于CRH車體密封性好、損耗大、運行速度快等原因，導致車廂內(nèi)公網(wǎng)通信質量明顯下降，列車內(nèi)公網(wǎng)通信成為移動通信網(wǎng)絡中急需要解決的問題，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡規(guī)劃、網(wǎng)絡建設和優(yōu)化思路已經(jīng)不能滿足在高速移動場景下的通信需要。運營商綜合分析高速列車對網(wǎng)絡質量需求，通過大量測試和研究，分析了影響網(wǎng)絡質量的主要因素，參照GSM-R網(wǎng)絡覆蓋在高鐵沿線建立了專門覆蓋高速鐵路的移動高鐵專網(wǎng)系統(tǒng)。

由于GSM-R網(wǎng)絡由GSM發(fā)展而來，并且兩系統(tǒng)所用頻率相鄰，為保障GSM-R網(wǎng)絡安全的同時能夠為旅客提供優(yōu)質的移動網(wǎng)絡服務，保證GSM-R與GSM網(wǎng)絡不相互產(chǎn)生干擾，對開通的GSM-R系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)的兼容性測試顯得尤為必要。

2　相關技術分析

CTCS-3級列控系統(tǒng)對GSM-R網(wǎng)絡業(yè)務和QoS需求如下。

為了滿足CTCS-3的需求，UIC規(guī)范中規(guī)定了GSM-R網(wǎng)絡作為承載列控系統(tǒng)的網(wǎng)絡時需要滿足的QoS性能指標與ETCS 2對GSM-R的要求基本相同。

1）移動臺發(fā)起的連接建立時間：即連接建立請求到成功建立連接之間的時間，必須滿足＜8.5 s（95%），≤10 s（100%），當連接建立時間大于10 s時，認為連接建立失敗。

2）連接建立失敗概率：在連接建立嘗試中，不成功次數(shù)與總次數(shù)的比值。CTCS-3要求連接建立的失敗概率＜10-2。而為了達到CTCS-3所要求的＜10-4，網(wǎng)絡允許進行兩次連續(xù)的建立嘗試。

3）最大端到端傳輸時延：發(fā)送方開始傳輸用戶數(shù)據(jù)塊的第一個比特到接收方接收到此數(shù)據(jù)塊最后一個比特的時延，對大小為30 Byte用戶數(shù)據(jù)塊，要求≤0.5 s（99%）。

4）連接丟失概率：一定時間內(nèi)連接無故釋放的次數(shù)，要求滿足≤10-2/h。

5）傳輸干擾時間：建立連接后，在數(shù)據(jù)傳輸過程中存在別的載波干擾時間，用Tn表示，要求滿足＜0.8 s（95%），＜1 s（99%）。

6）傳輸無差錯時間（傳輸恢復時間）：即一個傳輸干擾時間之后跟隨著一個傳輸無差錯時間，用TREC表示，用于重傳錯誤或丟失的數(shù)據(jù)及等待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，要求TREC＞20 s（95%），＞7 s（99%）。

3　測試系統(tǒng)及測試方法

為降低工程造價，提高測試效率，GSM-R與GSM共建兼容測試方法，可從3個方面進行測試：靜態(tài)測試、動態(tài)測試、測試驗證。

1） 靜態(tài)測試

靜態(tài)測試系統(tǒng)搭建由頻譜儀、頻譜分析軟件和配套設施（50 dB衰減器、30 dB衰減器、10 dB衰減器、饋線、轉接頭等）組成。靜態(tài)測試系統(tǒng)示意如圖1所示。

測試時，在GSM-R機房與GSM機房，斷開BTS合路器與饋線連接。通過饋線轉接頭按“靜態(tài)測試系統(tǒng)示意圖”連接設備，衰減器首先選擇50 dB衰減器，依次遞減，使得最大信號控制在30 dBm（1 W）以下。

在GSM-R系統(tǒng)BTS合路器測試時，頻譜儀測試頻段首先使用930～934 MHz，校核基站使用頻點，確認移動基站各載頻均已開啟；然后選擇GSM系統(tǒng)頻段934～954 MHz/889～909 MHz，查看GSM-R系統(tǒng)是否存在帶外信號落在GSM頻段內(nèi)。

在GSM系統(tǒng)BTS合路器測試時，頻譜儀測試頻段首先使用934～954 MHz，校核基站使用頻點，確認移動基站各載頻均已開啟；然后選擇GSM-R系統(tǒng)頻段930～934 MHz/885～889 MHz，查看GSM系統(tǒng)是否存在帶外信號落在GSM-R頻段內(nèi)。

2） 動態(tài)測試系統(tǒng)及方法

動態(tài)測試系統(tǒng)搭建由頻譜儀、頻譜分析軟件、標準天線（GSM頻段全向和測向）和配套設施（測試車、饋線、天線支架）等組成。動態(tài)測試系統(tǒng)示意如圖2所示。

測試方法，到達預定的測試點，記錄測試時間、測試點周邊環(huán)境（遮擋情況、公網(wǎng)基站情況、GSM-R基站使用情況）、天線距離鐵路軌面及地面高度等基本信息。

測試公網(wǎng)基站對GSM-R基站干擾情況時，首先確認（通過測試手機或天線+頻譜儀）公網(wǎng)基站處于開啟/關閉狀態(tài)，采用全向天線對GSM-R頻段進行全頻段、全方位掃描；測試GSM-R基站對公網(wǎng)干擾情況時，同樣先確認GSM-R基站使用狀態(tài)，采用全向天線對GSM頻段進行全頻段、全方位掃描。

測試時頻譜儀檢波方式選用峰值檢波，trace采用最大保持、平均、實時等方式，記錄被測頻段信號，測試10～20 min，存儲頻譜圖。測試期間若瞬間全頻段底噪明顯抬升，則重新設置儀表參數(shù)進行測試。

利用信令識別設備進行測試，判斷測試點周邊是否存在TCH使用GSM-R頻點，未采用跳頻序列的小區(qū)，還需使用信令識別設備多次撥打測試，檢測所有未參與跳頻序列的頻點。使用信令識別設備的FORCING FUNCTION（強制功能）中SET BCCH（鎖定BCCH）功能測試各小區(qū)的TCH信道進行撥打測試。并記錄LAI、BSIC、CGI、BCCH、TCH等信令數(shù)據(jù)，結合信令數(shù)據(jù)分析測試頻譜圖各頻點信號判斷信號類型。利用信令識別設備通過注冊GSM-R基站BCCH或占用數(shù)據(jù)/話務信道，測試GSM-R基站各頻點的C/I，分析各信道的干擾程度，可通過比對移動基站開啟/關閉情況下GSM-R各載頻（BCCH、TCH）C/I變化，判斷是否存在同頻干擾。干擾信號具有GSM頻譜特征且無信令時根據(jù)信號特征適當擴展頻率掃描范圍，進一步分析與其他信號的關系，計算測試點周邊各小區(qū)信道的互調信號是否落在GSM-R頻段內(nèi)。分別對開啟和關閉的基站進行上述測試并進行頻譜圖和數(shù)據(jù)的比較。

3） 測試驗證

測試驗證系統(tǒng)搭建主要由車載天線、車載測試模塊及分析軟件和配套設施（如筆記本電腦、GPS）等組成。測試驗證系統(tǒng)示意如圖3所示。

測試驗證時，按示意圖接好測試設備，啟動測試軟件，待列車啟動后用軟件記錄測試結果，將采集數(shù)據(jù)與標準進行對比分析。

其中，GSM-R系統(tǒng)的測試驗證使用列車車頂天線，公網(wǎng)系統(tǒng)驗證使用車內(nèi)天線。

4　載干比數(shù)據(jù)處理方法的研究

1）載干比

載干比是指加到接收天線輸入端的有用信號功率（C）與干擾信號（I）功率的比值。載干比通常反映信號在空間傳播過程中，接收端接收到信號的優(yōu)劣。為了提高頻譜利用效率，在無線通信系統(tǒng)中，通常會采用頻率復用技術。即如果蜂窩布局不好，干擾源將會增多，載干比將會下降。每簇中小區(qū)數(shù)目越多，載干比C/I越大，網(wǎng)絡質量越好。

2）測試中載干比的數(shù)據(jù)

靜態(tài)測試中，通過測試設備收集的一組采樣數(shù)據(jù)，收集到的數(shù)據(jù)顯示均小于20。為了得到更精確數(shù)據(jù)來評估現(xiàn)場情況，我們對數(shù)據(jù)進行了分析處理。

3）數(shù)據(jù)分析

由于數(shù)據(jù)測量具有一定的隨機性，因此，數(shù)據(jù)存在一定偏差，為了能夠得到更加可信的數(shù)據(jù)，我們通過對數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計上的分析。

我們將接收到的數(shù)據(jù)首先進行歸納排序。

根據(jù)正態(tài)分布：

得到正態(tài)分布曲線，那么得到的正態(tài)分布曲線按照工程上的C/I大于12 dBm要求作為判別標準，當μ±3σ≥12 dBm時，我們認為取得的數(shù)據(jù)有99.7%大于12 dBm，可以作為合理可信的數(shù)據(jù)。

例如測試中，我們采集到的一組C/I數(shù)據(jù)，那么將數(shù)據(jù)首先進行正態(tài)分布的計算：其中假設數(shù)據(jù)有10個（n1，n2……n10），其中μ0=16，σ=0.5。

得到的正態(tài)分布如圖4所示。

那么在這一段時間之內(nèi)C/I的取值數(shù)為μ±3σ。

5　結束語

隨著技術的發(fā)展和社會的進步，高鐵線路會越來越多的出現(xiàn)，公共移動通信網(wǎng)和鐵路專用GSM-R網(wǎng)絡之間的交織也會越來越密集，為了能夠保障乘客安全出行的前提下給旅客提供更好更優(yōu)質的通信網(wǎng)絡，網(wǎng)絡兼容性測試的方法也會不斷提高和完善。

High-speed railways should be covered with private networks to increase the communication quality inside cars due to CRH high-speed trains with well sealed car body， high signal loss and high speed. In order to ensure the stability of GSM-R systems of high-speed railway communication networks， this paper studies a test method of system compatibility between GSM-R system and GSM system.

GSM-R； GSM； test method of system compatibility

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.02.013

2013-03-12）