EDGE技術(shù)在鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用探討

趙軍武

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

隨著中國高鐵全面建設(shè)，GSM-R專用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)在我國高鐵中大規(guī)模建設(shè)，在GSM-R基礎(chǔ)上的GPRS技術(shù)在鐵路上的應(yīng)用也獲得前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

GPRS作為第二代移動(dòng)通信向第三代的過渡技術(shù)，是GSM的移動(dòng)分組業(yè)務(wù)，在公網(wǎng)上各個(gè)國家都開通了增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率GSM演進(jìn)技術(shù) （Enhanced Data rates for GSM Evolution，EDGE）服務(wù)。EDGE類似于GPRS，但帶寬更大，允許最高384 K的傳輸速度。EDGE技術(shù)在兼有GPRS特點(diǎn)的同時(shí)，還擁有系統(tǒng)升級簡單節(jié)約、數(shù)據(jù)傳輸速率高的優(yōu)點(diǎn)。

1.1 EDGE技術(shù)特征

EDGE包括EGPRS和ECSD，在引入EDGE時(shí)充分考慮和原GMS網(wǎng)絡(luò)的兼容性和繼承性，因此ECSD和EGPRS對核心網(wǎng)影響很小。

EGPRS是對GPRS的增強(qiáng)，EGPRS對系統(tǒng)的影響主要包括如下。

1）在RF層采用8PSK調(diào)制方式，相比GSM-R采用GMSK調(diào)制方式，極大提高了單信道的速率。

2） EGPRS可以采用的編碼方式如表1所示。其中MCS-1到MCS-4采用的是GMSK調(diào)制方式，但是GPRS和CS-1到CS-4的速率不一樣，這是特意為EGPRS的鏈路適配控制算法而設(shè)計(jì)的。

表1 EGPRS編碼方案參數(shù)表Tab.1 Parameters list of EGPRS coding scheme

3）對鏈路層RLC/MAC做了一定修改，同時(shí)定義了更完善的鏈路控制算法。EGPRS定義2種鏈路質(zhì)量控制模式，增量冗余（Incremental Redundancy，IR）和鏈路適配（link adaption，LA）。

1.2 高速條件下的QoS分析

根據(jù)1.1節(jié)所述，EDGE系統(tǒng)采用1套精心設(shè)計(jì)、高效的鏈路質(zhì)量控制算法，定義2種鏈路質(zhì)量控制模式，鏈路適配LA和增量冗余IR方案。即系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)根據(jù)信道質(zhì)量的不同，根據(jù)算法

1 EDGE系統(tǒng)在高速移動(dòng)場景下的QoS分析

選擇不同的調(diào)制編碼方案進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如在MAC層檢測出誤碼會(huì)調(diào)整調(diào)制編碼方式進(jìn)行誤報(bào)重傳。這與GPRS系統(tǒng)僅能選擇同樣的編碼方式進(jìn)行重傳相比，會(huì)有更高的傳輸成功概率，也可以有效降低傳輸時(shí)延和丟包率。基于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，在較低接收電平的條件下，使用鏈路自適應(yīng)方式，對不同移動(dòng)速度條件的系統(tǒng)QoS進(jìn)行測量，結(jié)果如表2所示。

表2 不同移動(dòng)速度條件下EDGE QoS測試（終端接收電平-75，單時(shí)隙）Tab.2 EDGE QoS testing in different operation speed(receiving level at ends： -75， single time slot)

從測試結(jié)果可以看出，隨著移動(dòng)速度的提高，下行吞吐量有一定下降，但上行吞吐量沒有明顯的變化。對于傳輸時(shí)延和UDP丟包率也沒有明顯的影響。這主要是EDGE系統(tǒng)的鏈路自適應(yīng)技術(shù)使EDGE數(shù)據(jù)包可以在信道質(zhì)量變化時(shí)迅速調(diào)整編碼方案，因此不會(huì)造成明顯的時(shí)延變長和丟包率增加。

2 EDGE系統(tǒng)相比GPRS的業(yè)務(wù)承載能力分析

2.1 EDGE的業(yè)務(wù)需求和應(yīng)用模型

2.1.1 EDGE的業(yè)務(wù)需求

針對不同的鐵路運(yùn)營線路，當(dāng)前中國鐵路專用移動(dòng)數(shù)字通信網(wǎng)GPRS相繼開展多種狀態(tài)監(jiān)測信息和調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。對于行車調(diào)度類業(yè)務(wù)，已經(jīng)開展GPRS模塊活動(dòng)性檢測、GRIS IP地址更新與查詢、調(diào)度命令傳送、列車無線車次號校核信息傳送等業(yè)務(wù)。對于安全監(jiān)控類業(yè)務(wù)，已經(jīng)開展列車設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測信息、機(jī)車信號狀態(tài)信息、工務(wù)軌道動(dòng)態(tài)監(jiān)測信息和客運(yùn)安全監(jiān)控信息等業(yè)務(wù)。對于列車維護(hù)類業(yè)務(wù)，已經(jīng)開展CIR出入庫檢測業(yè)務(wù)。

隨著鐵路通信網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸能力的提升，鐵路新業(yè)務(wù)需求也在增加，如有機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)（CMB）、高速鐵路供電安全監(jiān)測檢測系統(tǒng)（6C）、動(dòng)車工況監(jiān)控、基礎(chǔ)設(shè)施健康管理系統(tǒng)、移動(dòng)售票和ATO實(shí)現(xiàn)精確停車及列車車門站臺屏蔽門聯(lián)動(dòng)業(yè)務(wù)等。

2.1.2 EDGE的應(yīng)用模型

鐵路典型分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為列車地面分組數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)與車載分組數(shù)據(jù)用戶的信息交互，此項(xiàng)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)是業(yè)務(wù)傳輸頻繁、單次傳輸數(shù)據(jù)量小。本節(jié)提出鐵路分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)3層模型對鐵路分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸進(jìn)行描述：1）傳輸層描述數(shù)據(jù)空口的傳輸過程，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)重傳與丟包率、有效數(shù)據(jù)比例、數(shù)據(jù)有效傳輸速率等；2）數(shù)據(jù)層描述每個(gè)用戶每次業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包需要發(fā)送的個(gè)數(shù)、數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔以及每個(gè)數(shù)據(jù)包的長度；3）業(yè)務(wù)層描述鐵路分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)產(chǎn)生的規(guī)則，關(guān)鍵參數(shù)包括分組數(shù)據(jù)場景描述、分組數(shù)據(jù)用戶定義、分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型、分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特征。鐵路分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)3層模型，如圖1所示。

圖1 鐵路分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)3層模型Fig.1 Three layers model of railway pocket data services

2.2 鐵路場景EDGE系統(tǒng)業(yè)務(wù)承載能力分析

2.2.1 既有Abis資源條件下，EDGE系統(tǒng)業(yè)務(wù)承載能力分析

根據(jù)調(diào)研情況，目前鐵路區(qū)間發(fā)生嚴(yán)重的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)擁塞的情況較少。但是由于目前GPRS網(wǎng)絡(luò)僅分配一個(gè)靜態(tài)PDCH，兩個(gè)動(dòng)態(tài)PDCH，資源有限。在當(dāng)前Abis資源有限的情況下，將空閑Abis資源平均分配給每個(gè)環(huán)內(nèi)基站，每個(gè)基站僅能額外多支持一個(gè)EPDCH，業(yè)務(wù)承載能力增長有限，可以考慮額外增加少量小帶寬需求業(yè)務(wù)，如移動(dòng)售票和ATO實(shí)現(xiàn)精確停車及列車車門站臺屏蔽門聯(lián)動(dòng)等業(yè)務(wù)。為了保證業(yè)務(wù)不會(huì)發(fā)生擁塞，建議額外增加新的動(dòng)態(tài)PDCH。

根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)擁塞主要發(fā)生在車站或正線和庫檢地區(qū)物理距離較近的區(qū)域，例如武漢動(dòng)車基地在高峰期出現(xiàn)G網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源不足，造成CIR獲取IP異常。在當(dāng)前Abis資源有限的情況下，將有限的空閑Abis資源僅分配給業(yè)務(wù)需求較大區(qū)域的基站，如車站區(qū)域的基站，該基站可以支持3個(gè)EPDCH。該地區(qū)基站的業(yè)務(wù)承載能力可以增加150%以上，有效緩解該地區(qū)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)擁塞的情況。這種情況不建議再增加額外的業(yè)務(wù)承載。

2.2.2 Abis資源充分保證條件下業(yè)務(wù)承載能力分析

如果進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)改造，增加Abis資源，保證每個(gè)基站能夠支持8個(gè)EPDCH，那么從理論上分析，EDGE網(wǎng)絡(luò)每個(gè)小區(qū)至少可以同時(shí)支持兩個(gè)帶寬需求小于200 kbit/s的業(yè)務(wù)終端。考慮到新增業(yè)務(wù)需求，除了可以滿足小帶寬業(yè)務(wù)（移動(dòng)售票和ATO實(shí)現(xiàn)精確停車及列車車門站臺屏蔽門聯(lián)動(dòng)）的承載需求，還可以滿足機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)（CMB）、高速鐵路供電安全監(jiān)測檢測系統(tǒng)（6C）以及基礎(chǔ)設(shè)施健康管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求。

根據(jù)2.1.2節(jié)的業(yè)務(wù)需求模型可以看出，業(yè)務(wù)的傳輸需求具有突發(fā)性。雖然從網(wǎng)絡(luò)平均承載能力看，完全滿足以上所有業(yè)務(wù)的承載。但是承載業(yè)務(wù)增多后，多項(xiàng)業(yè)務(wù)并發(fā)的概率增大，網(wǎng)絡(luò)擁塞的隱患也會(huì)相應(yīng)增加。因此需要有相應(yīng)的機(jī)制，保證網(wǎng)絡(luò)資源無法滿足所有即時(shí)業(yè)務(wù)傳輸時(shí)，優(yōu)先滿足行車相關(guān)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)傳輸，因此EDGE系統(tǒng)需要具有相關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的QoS保障機(jī)制。

3 EDGE的升級策略分析

3.1 Abis接口升級策略分析

EDGE系統(tǒng)相對于GPRS系統(tǒng)增加了空中接口的傳輸速率，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，對核心網(wǎng)的SGSN/GGSN幾乎沒有影響。因?yàn)镚GSN和SGSN設(shè)備獨(dú)立于用戶數(shù)據(jù)傳輸速率。Abis資源用于承載BSC與基站信令及數(shù)據(jù)傳送，以2 M（32個(gè)64 kbit/s時(shí)隙）為單位進(jìn)行設(shè)置。目前Abis接口資源以及采用的時(shí)隙分配方式在不改變基站部署連接方式情況下，無法滿足每個(gè)EDGE基站支持單終端4個(gè)MCS-9時(shí)隙的傳輸，無法充分展示EDGE系統(tǒng)的空口速率優(yōu)勢。針對該問題的解決方案：在不改變組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和時(shí)隙內(nèi)分配的前提下，可以采用平均分配空閑的時(shí)隙資源或提高特定基站（如車站地區(qū)部署的業(yè)務(wù)承載量較高的基站）業(yè)務(wù)傳輸能力方式。也可以采用動(dòng)態(tài)分配Abis資源、增加Abis接口E1資源和Abis接口IP化改造等方法，徹底解決以上問題。

3.2 基站及BSC升級策略分析

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前GSM-R現(xiàn)網(wǎng)大多數(shù)基站硬件都具備EDGE功能，僅需要新的授權(quán)便可以實(shí)現(xiàn)EDGE功能。鑒于開通EDGE功能需要額外的Abis資源，因此需要升級BSC的Abis接口板，滿足Abis接口資源擴(kuò)容的需要。

3.3 GSM-R終端升級策略分析

3.3.1 終端進(jìn)行EDGE升級

根據(jù)用途不同，GSM-R模塊分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五類。Ⅰ類模塊用于GSM-R語音業(yè)務(wù)；Ⅱ類模塊用于GSM-R電路域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；Ⅲ類模塊用于GSM-R分組域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，支持GPRS功能；Ⅳ類模塊具備GSM-R語音業(yè)務(wù)和分組域數(shù)據(jù)功能，分時(shí)使用GSM-R語音業(yè)務(wù)或分組域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，分組域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支持GPRS功能；Ⅴ類模塊用于GSM-R分組域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，支持EDGE功能。

隨著鐵路數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的增加，PDCH/EPDCH信道發(fā)生擁塞的概率越來越高，因此會(huì)造成業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延顯著增加。針對上述問題，可以采用網(wǎng)絡(luò)輔助的小區(qū)重選和擴(kuò)展上行TBF釋放兩種方法，降低分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延。

3.3.2 多模化GSM-R終端技術(shù)方案分析

當(dāng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)升級EDGE功能后，終端發(fā)起分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)請求時(shí)，可以接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，也可以接入EDGE網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)GSM-R終端需要進(jìn)行接入模式選擇。

根據(jù)終端的模式選擇方式可以把雙模終端劃分為如下兩類。

第一類，即手動(dòng)雙模，此類終端也可以稱為兩模終端，它具有2種模式的特征，不過在同一時(shí)刻，只能工作在一種模式之下。而且這2種模式之間的相互切換是可以通過人機(jī)界面手動(dòng)切換進(jìn)行選擇。

第二類，此類手機(jī)的顯著特點(diǎn)是：終端工作在單一模式時(shí)，可以通過當(dāng)前的資源和配置情況，檢測和報(bào)告另一種模式的小區(qū)信息，并且不需要人為介入，UE就可以從一種模式自發(fā)地轉(zhuǎn)移到另一種模式。

EDGE與GPRS主要區(qū)別在于物理層的上/下行編碼方式不一致，在終端平臺上可直接在底層做軟件開發(fā)，單平臺上實(shí)現(xiàn)GSM/GPRS/EDGE等多種應(yīng)用。兩類終端支持EDGE上下行編碼技術(shù)的開發(fā)都是一致的。

4 結(jié)束語

本文從3個(gè)方面對EDGE系統(tǒng)在GSM-R網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用進(jìn)行探討。首先分析EDGE系統(tǒng)在高速條件下的QoS。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室半實(shí)物仿真測試結(jié)果，移動(dòng)速度對于EDGE系統(tǒng)性能有一定的影響。EDGE系統(tǒng)采用鏈路自適應(yīng)技術(shù)和增量冗余技術(shù)，有效降低高速移動(dòng)對于系統(tǒng)傳輸誤碼的影響，而且下行數(shù)據(jù)吞吐量、上行數(shù)據(jù)吞吐量及傳輸時(shí)延都會(huì)隨著移動(dòng)速度的增長而產(chǎn)生小量的下降。然后對當(dāng)前高速鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)的既有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和未來擬承載的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行分析，建立業(yè)務(wù)需求模型，明確業(yè)務(wù)對EDGE系統(tǒng)業(yè)務(wù)承載能力的要求。給出既有網(wǎng)絡(luò)資源條件下和Abis接口資源豐富的情況下，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行EDGE升級后的業(yè)務(wù)承載建議。最后分別從Abis接口、基站及BSC和終端幾個(gè)方面對現(xiàn)有GSM-R系統(tǒng)提出升級方案，來達(dá)到EDGE系統(tǒng)的技術(shù)要求。