GSM-R系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)兼容性測(cè)試方法的研究

高建平　周 鵬

（1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)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(cè)試方法的研究

高建平1，2周 鵬1，2

（1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100073）

高速鐵路建成后，運(yùn)營(yíng)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(zhì)量明顯下降而進(jìn)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(cè)試的辦法。

GSM-R；GSM；系統(tǒng)兼容測(cè)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(yùn)輸安全的調(diào)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?shí)時(shí)性對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)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(yùn)行速度快等原因，導(dǎo)致車廂內(nèi)公網(wǎng)通信質(zhì)量明顯下降，列車內(nèi)公網(wǎng)通信成為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中急需要解決的問題，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和優(yōu)化思路已經(jīng)不能滿足在高速移動(dòng)場(chǎng)景下的通信需要。運(yùn)營(yíng)商綜合分析高速列車對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量需求，通過大量測(cè)試和研究，分析了影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的主要因素，參照GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋在高鐵沿線建立了專門覆蓋高速鐵路的移動(dòng)高鐵專網(wǎng)系統(tǒng)。

由于GSM-R網(wǎng)絡(luò)由GSM發(fā)展而來(lái)，并且兩系統(tǒng)所用頻率相鄰，為保障GSM-R網(wǎng)絡(luò)安全的同時(shí)能夠?yàn)槁每吞峁﹥?yōu)質(zhì)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，保證GSM-R與GSM網(wǎng)絡(luò)不相互產(chǎn)生干擾，對(duì)開通的GSM-R系統(tǒng)與GSM系統(tǒng)的兼容性測(cè)試顯得尤為必要。

2　相關(guān)技術(shù)分析

CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)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(luò)作為承載列控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要滿足的QoS性能指標(biāo)與ETCS 2對(duì)GSM-R的要求基本相同。

1）移動(dòng)臺(tái)發(fā)起的連接建立時(shí)間：即連接建立請(qǐng)求到成功建立連接之間的時(shí)間，必須滿足＜8.5 s（95%），≤10 s（100%），當(dāng)連接建立時(shí)間大于10 s時(shí)，認(rèn)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(dá)到CTCS-3所要求的＜10-4，網(wǎng)絡(luò)允許進(jìn)行兩次連續(xù)的建立嘗試。

3）最大端到端傳輸時(shí)延：發(fā)送方開始傳輸用戶數(shù)據(jù)塊的第一個(gè)比特到接收方接收到此數(shù)據(jù)塊最后一個(gè)比特的時(shí)延，對(duì)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(shí)間內(nèi)連接無(wú)故釋放的次數(shù)，要求滿足≤10-2/h。

5）傳輸干擾時(shí)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(shí)間，用Tn表示，要求滿足＜0.8 s（95%），＜1 s（99%）。

6）傳輸無(wú)差錯(cuò)時(shí)間（傳輸恢復(fù)時(shí)間）：即一個(gè)傳輸干擾時(shí)間之后跟隨著一個(gè)傳輸無(wú)差錯(cuò)時(shí)間，用TREC表示，用于重傳錯(cuò)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(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法

為降低工程造價(jià)，提高測(cè)試效率，GSM-R與GSM共建兼容測(cè)試方法，可從3個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試：靜態(tài)測(cè)試、動(dòng)態(tài)測(cè)試、測(cè)試驗(yàn)證。

1） 靜態(tài)測(cè)試

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

測(cè)試時(shí)，在GSM-R機(jī)房與GSM機(jī)房，斷開BTS合路器與饋線連接。通過饋線轉(zhuǎn)接頭按“靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)示意圖”連接設(shè)備，衰減器首先選擇50 dB衰減器，依次遞減，使得最大信號(hào)控制在30 dBm（1 W）以下。

在GSM-R系統(tǒng)BTS合路器測(cè)試時(shí)，頻譜儀測(cè)試頻段首先使用930～934 MHz，校核基站使用頻點(diǎn)，確認(rèn)移動(dòng)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(hào)落在GSM頻段內(nèi)。

在GSM系統(tǒng)BTS合路器測(cè)試時(shí)，頻譜儀測(cè)試頻段首先使用934～954 MHz，校核基站使用頻點(diǎn)，確認(rèn)移動(dòng)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(hào)落在GSM-R頻段內(nèi)。

2） 動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)及方法

動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)搭建由頻譜儀、頻譜分析軟件、標(biāo)準(zhǔn)天線（GSM頻段全向和測(cè)向）和配套設(shè)施（測(cè)試車、饋線、天線支架）等組成。動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)示意如圖2所示。

測(cè)試方法，到達(dá)預(yù)定的測(cè)試點(diǎn)，記錄測(cè)試時(shí)間、測(cè)試點(diǎn)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(cè)試公網(wǎng)基站對(duì)GSM-R基站干擾情況時(shí)，首先確認(rèn)（通過測(cè)試手機(jī)或天線+頻譜儀）公網(wǎng)基站處于開啟/關(guān)閉狀態(tài)，采用全向天線對(duì)GSM-R頻段進(jìn)行全頻段、全方位掃描；測(cè)試GSM-R基站對(duì)公網(wǎng)干擾情況時(shí)，同樣先確認(rèn)GSM-R基站使用狀態(tài)，采用全向天線對(duì)GSM頻段進(jìn)行全頻段、全方位掃描。

測(cè)試時(shí)頻譜儀檢波方式選用峰值檢波，trace采用最大保持、平均、實(shí)時(shí)等方式，記錄被測(cè)頻段信號(hào)，測(cè)試10～20 min，存儲(chǔ)頻譜圖。測(cè)試期間若瞬間全頻段底噪明顯抬升，則重新設(shè)置儀表參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

利用信令識(shí)別設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，判斷測(cè)試點(diǎn)周邊是否存在TCH使用GSM-R頻點(diǎn)，未采用跳頻序列的小區(qū)，還需使用信令識(shí)別設(shè)備多次撥打測(cè)試，檢測(cè)所有未參與跳頻序列的頻點(diǎn)。使用信令識(shí)別設(shè)備的FORCING FUNCTION（強(qiáng)制功能）中SET BCCH（鎖定BCCH）功能測(cè)試各小區(qū)的TCH信道進(jìn)行撥打測(cè)試。并記錄LAI、BSIC、CGI、BCCH、TCH等信令數(shù)據(jù)，結(jié)合信令數(shù)據(jù)分析測(cè)試頻譜圖各頻點(diǎn)信號(hào)判斷信號(hào)類型。利用信令識(shí)別設(shè)備通過注冊(cè)GSM-R基站BCCH或占用數(shù)據(jù)/話務(wù)信道，測(cè)試GSM-R基站各頻點(diǎn)的C/I，分析各信道的干擾程度，可通過比對(duì)移動(dòng)基站開啟/關(guān)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(hào)具有GSM頻譜特征且無(wú)信令時(shí)根據(jù)信號(hào)特征適當(dāng)擴(kuò)展頻率掃描范圍，進(jìn)一步分析與其他信號(hào)的關(guān)系，計(jì)算測(cè)試點(diǎn)周邊各小區(qū)信道的互調(diào)信號(hào)是否落在GSM-R頻段內(nèi)。分別對(duì)開啟和關(guān)閉的基站進(jìn)行上述測(cè)試并進(jìn)行頻譜圖和數(shù)據(jù)的比較。

3） 測(cè)試驗(yàn)證

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

測(cè)試驗(yàn)證時(shí)，按示意圖接好測(cè)試設(shè)備，啟動(dòng)測(cè)試軟件，待列車啟動(dòng)后用軟件記錄測(cè)試結(jié)果，將采集數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析。

其中，GSM-R系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證使用列車車頂天線，公網(wǎng)系統(tǒng)驗(yàn)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(hào)功率（C）與干擾信號(hào)（I）功率的比值。載干比通常反映信號(hào)在空間傳播過程中，接收端接收到信號(hào)的優(yōu)劣。為了提高頻譜利用效率，在無(wú)線通信系統(tǒng)中，通常會(huì)采用頻率復(fù)用技術(shù)。即如果蜂窩布局不好，干擾源將會(huì)增多，載干比將會(huì)下降。每簇中小區(qū)數(shù)目越多，載干比C/I越大，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量越好。

2）測(cè)試中載干比的數(shù)據(jù)

靜態(tài)測(cè)試中，通過測(cè)試設(shè)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(lái)評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)情況，我們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理。

3）數(shù)據(jù)分析

由于數(shù)據(jù)測(cè)量具有一定的隨機(jī)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)上的分析。

我們將接收到的數(shù)據(jù)首先進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)μ±3σ≥12 dBm時(shí)，我們認(rèn)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(cè)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(jìn)行正態(tài)分布的計(jì)算：其中假設(shè)數(shù)據(jù)有10個(gè)（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(shí)間之內(nèi)C/I的取值數(shù)為μ±3σ。

5　結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，高鐵線路會(huì)越來(lái)越多的出現(xiàn)，公共移動(dòng)通信網(wǎng)和鐵路專用GSM-R網(wǎng)絡(luò)之間的交織也會(huì)越來(lái)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(zhì)的通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)兼容性測(cè)試的方法也會(huì)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）