石波

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

CTCS-3線路GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和評(píng)估方法的研究

石波

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

研究GSM-R承載CTCS-3級(jí)列控?cái)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)QoS指標(biāo)，根據(jù)實(shí)際需求，結(jié)合工程測(cè)試、業(yè)務(wù)應(yīng)用情況，提出指標(biāo)優(yōu)化調(diào)整的建議。同時(shí)，分析目前QoS指標(biāo)評(píng)估方法存在的問題，提出優(yōu)化建議。

GSM-R網(wǎng)絡(luò)；CTCS-3列控系統(tǒng)；服務(wù)質(zhì)量（QoS）；評(píng)估方法

隨著近幾年高鐵、客專的建設(shè)，我國(guó)已建成了覆蓋全國(guó)的GSM-R網(wǎng)絡(luò)，覆蓋里程達(dá)到2萬多km[1]，GSM-R系統(tǒng)為保證鐵路行車安全、提高運(yùn)輸效率發(fā)揮了重要作用。

CTCS-3（以下簡(jiǎn)稱C3）業(yè)務(wù)是GSM-R網(wǎng)絡(luò)承載的重要業(yè)務(wù)之一，為了提高系統(tǒng)的可靠性，C3線路GSM-R網(wǎng)絡(luò)采用單網(wǎng)交織覆蓋方式，當(dāng)發(fā)生設(shè)備單點(diǎn)故障時(shí)，相鄰站點(diǎn)仍可提供無線覆蓋，網(wǎng)絡(luò)可繼續(xù)提供業(yè)務(wù)。GSM-R網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)主要依據(jù)國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）規(guī)范制定，驗(yàn)收時(shí)按照全數(shù)、奇數(shù)、偶數(shù)基站3種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試[2]。

本文結(jié)合近幾年客專工程實(shí)踐，對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)和評(píng)估方法進(jìn)行探討，提出相關(guān)建議，為后續(xù)相關(guān)線路的建設(shè)和運(yùn)維提供參考。

1 GSM-R網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)的研究

1.1 概述

我國(guó)GSM-R承載C3業(yè)務(wù)QoS指標(biāo)主要參考UIC相關(guān)技術(shù)規(guī)范（SUBSET093）[3]確定的，如表1所示。

表1 GSM-R承載列控?cái)?shù)據(jù)傳輸QoS指標(biāo)

上述指標(biāo)是為了保證鐵路運(yùn)行目標(biāo)要求的前提條件下提出的要求[4]：

*至少95%的列車能夠正點(diǎn)到達(dá)（小于5%的列車晚點(diǎn)）。

*列車運(yùn)營(yíng)晚點(diǎn)時(shí)間超過5 min。

*不同線路對(duì)列控系統(tǒng)需求不同，典型參數(shù)是：線路長(zhǎng)度600 km，列車運(yùn)行時(shí)間5 h（平均速度120 km/h）。

1.2 GSM-R網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)的確定

1）移動(dòng)臺(tái)發(fā)起的連接建立時(shí)延

該指標(biāo)是根據(jù)GSM-R網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能力而確定的[5]，連接時(shí)延包括端到端連接時(shí)延（如因移動(dòng)終端導(dǎo)致的時(shí)延）。當(dāng)連接時(shí)延超過10 s，則認(rèn)為連接建立失敗。實(shí)測(cè)中，移動(dòng)臺(tái)發(fā)起的連接建立時(shí)延一般為4.5～5 s。

影響該指標(biāo)的主要因素：流程配置、信道指配方式以及硬件、參數(shù)配置、覆蓋、干擾等。

例如，在連接建立過程中涉及到鑒權(quán)、加密（無）等流程，因此，呼叫流程的配置直接決定連接建立時(shí)間。當(dāng)跨MSC呼叫，車載模塊需要先進(jìn)行位置更新（規(guī)范規(guī)定位置更新的優(yōu)先級(jí)高于呼叫），然后延時(shí)發(fā)起呼叫，因此會(huì)增加呼叫建立時(shí)延。從實(shí)際測(cè)試結(jié)果看，測(cè)試結(jié)果可能略高于10 s。此外，對(duì)于早指配方式，需要先指配SDCCH信道，然后再指配TCH信道，而盡早指配、直接指配TCH信道，可縮短呼叫建立時(shí)間。

該指標(biāo)與列車進(jìn)入C3列控區(qū)段的時(shí)間以及鏈路中斷后再次建立新的連接而占用的時(shí)間相關(guān)。根據(jù)《CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范》[6]，在其他等級(jí)轉(zhuǎn)換為C3等級(jí)的轉(zhuǎn)換區(qū)域內(nèi)，GSM-R網(wǎng)絡(luò)連接建立時(shí)間按照10 s/次，保證2次連接考慮。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)比較完善并且持續(xù)進(jìn)行監(jiān)控、優(yōu)化和維護(hù)時(shí)，GSM-R網(wǎng)絡(luò)能滿足指標(biāo)要求。

2）連接建立失敗概率

該指標(biāo)根據(jù)[EEIG 04E117]研究的綜合推論提出，主要考慮了列車進(jìn)入ETCS2（以下簡(jiǎn)稱E2）列控線路時(shí)，為到達(dá)運(yùn)營(yíng)時(shí)間小于5 min，按照連接建立失敗率的QoS要求是2×10-5/h，最終綜合考慮各種因素，確定時(shí)間連接建立失敗率＜10-4是可以接受的。

當(dāng)僅允許1次安全連接建立嘗試時(shí)，連接建立失敗率必須＜10-4。當(dāng)允許2次連接建立嘗試時(shí)，列車不能成功進(jìn)入E2（由連接建立失敗所導(dǎo)致）的概率等于這2次嘗試的連接建立失敗率的乘積，即每次連接建立失敗率＜10-2，列車不能成功進(jìn)入Level 2的概率是10-4=10-2×10-2。

連接建立失敗的原因主要有設(shè)備硬件原因（如基站載頻板故障、配線問題）、干擾等。

該指標(biāo)可能影響列車進(jìn)入列控區(qū)段（E2或C3）的時(shí)間以及鏈路中斷后再次建立新的連接而占用的時(shí)間。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)比較完善并且持續(xù)進(jìn)行監(jiān)控、優(yōu)化和維護(hù)時(shí)，GSM-R網(wǎng)絡(luò)能滿足指標(biāo)要求。

3）傳輸時(shí)延(40 Byte用戶數(shù)據(jù)塊)

該指標(biāo)主要根據(jù)列控系統(tǒng)行車許可（MA）延伸傳輸場(chǎng)景確定的。

在GSM-R傳輸速率為4800 bit/s、誤碼率為10-4、MA長(zhǎng)度為250 Byte～500 Byte的情況下，可計(jì)算GSM-R網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延。經(jīng)過綜合測(cè)試和統(tǒng)計(jì)，最后取定GSM-R網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延不大于0.5 s?？紤]HDLC誤幀的重傳等因素，要求99%情況下滿足該指標(biāo)要求（歐洲測(cè)試幀為30 Byte，我國(guó)為40 Byte）。

影響該指標(biāo)的因素包括應(yīng)用層數(shù)據(jù)包大?。〝?shù)據(jù)包越長(zhǎng)，傳輸時(shí)延越長(zhǎng)）、傳輸速率等。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)比較完善并且持續(xù)進(jìn)行監(jiān)控、優(yōu)化和維護(hù)時(shí)，GSM-R網(wǎng)絡(luò)能滿足指標(biāo)要求。

4）連接丟失概率

根據(jù)[EEIG 04E117]，在T_NVCONTACT沒有超時(shí)的情況下，連接丟失影響如下：

*降低運(yùn)輸效率。連接丟失后列車將會(huì)進(jìn)行制動(dòng)，在制動(dòng)過程中嘗試3次重新建立連接，之后獲得新的MA后進(jìn)行加速。

*影響MA更新時(shí)間，導(dǎo)致列車運(yùn)營(yíng)晚點(diǎn)。由于連接丟失指示和重新建立列控安全連接導(dǎo)致的時(shí)延計(jì)入MA傳輸時(shí)延內(nèi)（200 Byte的MA約為1 s），因此，當(dāng)連接丟失時(shí)，MA延伸后的運(yùn)營(yíng)目標(biāo)不大于12 s時(shí)延無法實(shí)現(xiàn)。

如果在連接丟失和連接重建之后，新的MA在列車停止之前沒有到達(dá)列車，晚點(diǎn)時(shí)延大于5 min的QoS目標(biāo)對(duì)連接丟失率有直接的影響，即連接丟失率的要求為：≤2.7×10-4/h。

如果在連接丟失和連接重建之后，新的MA在列車停止之前到達(dá)列車，列車可以重新加速。運(yùn)營(yíng)延遲小于5 min的QoS目標(biāo)對(duì)連接丟失率有直接影響，即對(duì)連接丟失率的要求為：≤2.2×10-3/h。

在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中，要求連接丟失率≤10-2/h。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)接近完美并且持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、優(yōu)化和維護(hù)時(shí)，能夠符合該指標(biāo)的要求。

5）傳輸干擾時(shí)間Tti

傳輸干擾用于衡量數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼性能。對(duì)于無線信道，其數(shù)據(jù)傳輸性能具有不確定性，由于用戶數(shù)據(jù)傳輸是突發(fā)的，誤碼率的統(tǒng)計(jì)值不能準(zhǔn)確反映ETCS的需求，因此，針對(duì)一些應(yīng)用消息，規(guī)定在指定時(shí)間內(nèi)完成地對(duì)車的數(shù)據(jù)傳輸，歐洲規(guī)范建立了一種業(yè)務(wù)模型，來反映出GSM-R網(wǎng)絡(luò)所有相關(guān)特性。

在發(fā)生無線越區(qū)切換時(shí)，會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)出錯(cuò)或者中斷。Tti值的確定首先考慮涵蓋列車以在運(yùn)行旅程中全部“常規(guī)”數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，最差的情況是“帶有強(qiáng)拆的小區(qū)切換”。

在這種情況下，必須在所選小區(qū)中釋放掉低優(yōu)先級(jí)呼叫之后，才能完成切換。在強(qiáng)拆低優(yōu)先級(jí)呼叫過程中，切換小區(qū)中的數(shù)據(jù)傳輸將繼續(xù)進(jìn)行，假定當(dāng)前通信質(zhì)量較差，切換的原因是“更好小區(qū)切換”，在切換過程中，列車向該無線小區(qū)方向移動(dòng)了300 ms之后，原切換小區(qū)的QoS將會(huì)更差，如圖1所示。

圖1 小區(qū)切換導(dǎo)致傳輸干擾示意圖

可接受的最大傳輸干擾(Tti)持續(xù)時(shí)間假設(shè)為1 s：其中：

*釋放強(qiáng)拆呼叫時(shí)延：約600 ms。

*切換時(shí)延：約300 ms[EIRENE SRS§3.3.4]。

根據(jù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分布特性，確定傳輸干擾時(shí)間Tti＜0.8 s (95%)，＜1 s (99%)。

影響該指標(biāo)的因素包括切換中斷時(shí)間、傳輸干擾、線路長(zhǎng)度等。當(dāng)發(fā)生切換時(shí)，由于物理信道發(fā)生了變化，因此車地之間數(shù)據(jù)傳輸會(huì)發(fā)生丟失，該指標(biāo)提出是按照列控應(yīng)用層面數(shù)據(jù)傳輸幀考慮，因此傳輸干擾時(shí)間一般比越區(qū)中斷時(shí)間按大于200～300 ms考慮。

在確定該指標(biāo)時(shí)，切換時(shí)間按300 ms考慮（同步切換），但現(xiàn)階段GSM系統(tǒng)基站之間為異步切換，因此，切換中斷時(shí)間測(cè)試值不大于500 ms。同時(shí)，通過對(duì)C3系統(tǒng)車地?cái)?shù)據(jù)通信進(jìn)行分析，發(fā)生切換時(shí)，C3車地正在進(jìn)行通信的概率一般為1%～10%，切換會(huì)導(dǎo)致車地?cái)?shù)據(jù)包的某一幀數(shù)據(jù)發(fā)生誤碼，CRC校驗(yàn)顯示錯(cuò)誤，后續(xù)車地會(huì)重傳該數(shù)據(jù)包，因此，該指標(biāo)的數(shù)值可根據(jù)GSM-R網(wǎng)絡(luò)實(shí)際性能和C3應(yīng)用業(yè)務(wù)的需求進(jìn)一步優(yōu)化，適當(dāng)調(diào)整。

此外，由于傳輸干擾時(shí)間是統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，主要與小區(qū)切換相關(guān)，但受干擾的影響，因此，正常情況下線路較長(zhǎng)，容易達(dá)標(biāo)，線路越短，越難達(dá)標(biāo)。目前歐洲標(biāo)準(zhǔn)沒有考慮和線路長(zhǎng)度的關(guān)系，因此，應(yīng)是對(duì)于不同長(zhǎng)度的線路指標(biāo)應(yīng)不同。建議不僅考慮受到干擾影響的相對(duì)比例，還應(yīng)考慮受到干擾的絕對(duì)數(shù)量。

6）傳輸無差錯(cuò)時(shí)間（傳輸恢復(fù)時(shí)間）Trec

傳輸干擾期間錯(cuò)誤傳輸或遺漏的用戶數(shù)據(jù)單元必須通過重傳來糾正。重傳將導(dǎo)致時(shí)延和無線信道的高負(fù)荷。因此，在傳輸干擾之后，必須跟隨一個(gè)無錯(cuò)傳輸?shù)碾A段，稱為恢復(fù)期。

在恢復(fù)之后的正常數(shù)據(jù)傳輸階段，用戶數(shù)據(jù)單元按照應(yīng)用消息所要求的數(shù)據(jù)吞吐量傳送。

傳輸無差錯(cuò)時(shí)間（最小恢復(fù)時(shí)間）Trec應(yīng)至少包括一條待傳輸應(yīng)用信息用戶數(shù)據(jù)單元的時(shí)間。對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的應(yīng)用消息（以500 Byte應(yīng)用消息為例，將被拆為若干個(gè)幀），發(fā)送端發(fā)送消息后，發(fā)生干擾，2 s后發(fā)送端確認(rèn)重傳應(yīng)用層消息，600 ms后發(fā)送RR幀進(jìn)行確認(rèn)，重傳數(shù)據(jù)0.8～2 s，600 ms后，接受端向發(fā)送端發(fā)送RR幀進(jìn)行確認(rèn)，傳輸時(shí)延500 ms。

圖2 “傳輸干擾”事件

綜上所示，收到傳輸無差錯(cuò)時(shí)間約為2 s（定時(shí)器判斷干擾）＋0.6 s（RR幀確認(rèn)）+2.0 s（傳輸時(shí)長(zhǎng)）+0.6 s（RR幀確認(rèn)）+0.5 s（RR幀傳輸時(shí)延）=5.7 s，即Trec=7 s?？紤]統(tǒng)計(jì)分布特性，傳輸無差錯(cuò)時(shí)間（傳輸恢復(fù)時(shí)間）Trec＞7 s（99%）。

Subset093沒有說明20 s指標(biāo)具體如何確定，實(shí)際是按照360 km/h、無線小區(qū)2 km考慮，推算出來每20 s切換1次。

該指標(biāo)也是統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，主要與小區(qū)切換相關(guān)，因此對(duì)基站最小間距有明確的要求，即根據(jù)列車車速，結(jié)合該指標(biāo)要求確定基站間距的最小值。

7）網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)時(shí)延

歐洲技術(shù)規(guī)范沒有對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)時(shí)延指標(biāo)確定的過程進(jìn)行描述，根據(jù)GSM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，GSM-R終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)過程包括頻段掃描和小區(qū)選擇等過程，該指標(biāo)根據(jù)GSM-R網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能力提出。

測(cè)試中采用靜態(tài)測(cè)試方法，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案完善、設(shè)備正常情況下，GSM-R網(wǎng)絡(luò)能符合該指標(biāo)要求。

1.3 GSM-R網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)優(yōu)化調(diào)整建議

從C3線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試來看，傳輸干擾時(shí)間、無差錯(cuò)傳輸2個(gè)指標(biāo)達(dá)標(biāo)最難，需要投入很大的人力物力。根據(jù)前述對(duì)指標(biāo)來源的研究分析，在確保業(yè)務(wù)應(yīng)用不受影響的前提下，結(jié)合指標(biāo)實(shí)際測(cè)試情況以及業(yè)務(wù)使用要求，現(xiàn)提出如下修改建議。

1）傳輸干擾時(shí)間指標(biāo)

由前述可知，該指標(biāo)是在切換時(shí)間300 ms考慮（同步切換）的前提下推算出來的，而目前現(xiàn)網(wǎng)基站間的切換均為異步切換，中斷時(shí)間小于500 ms。經(jīng)過理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)試、驗(yàn)證，切換中斷時(shí)間為300 ms和500 ms，對(duì)C3車地?cái)?shù)據(jù)通信的影響基本相同，沒有本質(zhì)差別。

采用異步切換時(shí)，必須是手機(jī)/車載臺(tái)在收到切換命令后，連續(xù)不斷地向目標(biāo)小區(qū)發(fā)送handover access消息，直到收到包含定時(shí)提前量（TA）的physical information消息，或者手機(jī)/車載臺(tái)的T3124超時(shí)，因此需要的時(shí)間較長(zhǎng)。

為了縮短切換中斷時(shí)間，有的廠家通過使用預(yù)同步切換（pre-sync）的方式，切換中斷時(shí)間符合小于300 ms要求。該方式下，無線終端預(yù)知目標(biāo)小區(qū)的定時(shí)提前量(TA)，從而無線終端不需要等待目標(biāo)基站下發(fā)的physical information消息，也不需要持續(xù)發(fā)送handover access消息（在預(yù)同步切換中，只需要發(fā)送4個(gè)handover access即可）。

在C3車地?cái)?shù)據(jù)通信過程中，當(dāng)發(fā)生基站之間切換時(shí)，車地?cái)?shù)據(jù)傳輸會(huì)發(fā)生中斷，進(jìn)而導(dǎo)致C3數(shù)據(jù)包中的部分?jǐn)?shù)據(jù)幀出錯(cuò)。車地?cái)?shù)據(jù)包按10～235 Byte、傳輸速率按4800 bit/s考慮，可得車地消息受切換影響速度越高、站間距越小、數(shù)據(jù)包越長(zhǎng)，影響越大，但總概率小于3%，即100個(gè)消息中有3個(gè)消息會(huì)受到切換影響。具體如表2所示。

表2 不同線路GSM-R基站切換對(duì)C3應(yīng)用數(shù)據(jù)的影響概率

通過對(duì)C3線路接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)，數(shù)據(jù)鏈路層會(huì)概率性出現(xiàn)FCS校驗(yàn)錯(cuò)誤。當(dāng)發(fā)生FCS校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，通過數(shù)據(jù)重傳，會(huì)保證車地正常通信。例如，提取某個(gè)車的PRI接口數(shù)據(jù)，16：08：16.514車向地發(fā)送I幀（113號(hào)），在此期間車載終端正在發(fā)生切換（見A接口切換信息），數(shù)據(jù)出錯(cuò)，F(xiàn)CS校驗(yàn)為錯(cuò)誤，16：08：17.357，車載設(shè)備重傳該幀，數(shù)據(jù)通信恢復(fù)正常，如圖3、4所示。

綜上所示，切換對(duì)C3車地?cái)?shù)據(jù)通信影響較小，300 ms和500 ms中斷時(shí)間差別不大，即使發(fā)生數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤，可后續(xù)重傳其中某一幀數(shù)據(jù)，恢復(fù)正常通信。因此，建議結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)傳輸干擾時(shí)間進(jìn)行修改，若按實(shí)際切換中斷時(shí)間小于500 ms考慮，該指標(biāo)可修改為＜1.0 s（95%）、＜1.2 s（99%）。

2）傳輸無差錯(cuò)時(shí)間（最小恢復(fù)時(shí)間）

該指標(biāo)Trec應(yīng)至少包括一條待傳輸應(yīng)用信息用戶數(shù)據(jù)單元的時(shí)間。歐標(biāo)根據(jù)HDLC數(shù)據(jù)重傳性能，推出了7 s（99%）指標(biāo)。

對(duì)于95%情況下，20 s指標(biāo)要求較高，存在4個(gè)方面的問題：a.切換會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用層數(shù)據(jù)包的某一幀錯(cuò)誤，切換完成后可重傳該幀，因此應(yīng)從應(yīng)用角度規(guī)定95%情況下指標(biāo)具體數(shù)值，而不是從GSM-R子系統(tǒng)角度規(guī)定指標(biāo)值；b.從業(yè)務(wù)實(shí)際應(yīng)用情況看，傳輸無差錯(cuò)時(shí)間大于20 s（85%～90%）時(shí)，車地通信正常，詳見表3瑞士鐵路測(cè)試結(jié)果；c.從需求角度計(jì)算，按照C3數(shù)據(jù)包1024 Byte（應(yīng)用層）、1476 Byte（數(shù)據(jù)鏈路層）計(jì)算，傳輸無差錯(cuò)時(shí)間應(yīng)大于2 s（定時(shí)器判斷干擾）＋0.6 s（RR幀確認(rèn)）+3.5 s（傳輸時(shí)長(zhǎng)）+0.6 s（RR幀確認(rèn)）+0.5 s（RR幀傳輸時(shí)延）=7.2 s；d.該指標(biāo)沒有考慮指標(biāo)與線路長(zhǎng)度關(guān)系，線路長(zhǎng)度越短，指標(biāo)越難符合要求。此外，該指標(biāo)只考慮了受到傳輸干擾影響的相對(duì)比例，沒考慮傳輸干擾的絕對(duì)數(shù)量。

圖3 切換中斷導(dǎo)致C3數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)（PRI接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)）

圖4 切換中斷導(dǎo)致C3數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)（A接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)）

因此，建議結(jié)合實(shí)際情況優(yōu)化調(diào)整該指標(biāo)，10 s（99%）或20 s（90%），具體可進(jìn)一步測(cè)試驗(yàn)證。

2 GSM-R網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)評(píng)估方法的研究

2.1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

在國(guó)外，UIC建議E2線路在工程設(shè)計(jì)時(shí)，要保證無單點(diǎn)故障，降級(jí)模式下（如GSM-R系統(tǒng)的某個(gè)網(wǎng)元故障），GSM-R業(yè)務(wù)不中斷。

表3 瑞士鐵路OBB2011-2012年E2鐵路QoS測(cè)試結(jié)果［7］

工程驗(yàn)收測(cè)試時(shí)，網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)在實(shí)際運(yùn)行條件進(jìn)行測(cè)試，包括商業(yè)運(yùn)行速度等。實(shí)際進(jìn)行測(cè)試時(shí)，考慮到逐個(gè)關(guān)閉單個(gè)基站設(shè)備，需要測(cè)試的時(shí)間比較長(zhǎng)，因此，部分國(guó)家采用關(guān)閉奇數(shù)基站或者偶數(shù)基站的情況下進(jìn)行測(cè)試。

工程驗(yàn)收階段，根據(jù)“高速鐵路動(dòng)態(tài)驗(yàn)收指導(dǎo)意見”，GSM-R系統(tǒng)驗(yàn)收內(nèi)容包括：場(chǎng)強(qiáng)覆蓋測(cè)試和QoS測(cè)試。采用交織冗余覆蓋方式時(shí)，應(yīng)在全部基站打開、奇數(shù)基站打開和偶數(shù)基站打開3種條件下分別進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋和電路域列車控制類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量動(dòng)態(tài)檢測(cè)，不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下指標(biāo)要求均相同。

2.2 存在問題

現(xiàn)階段GSM-R網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)評(píng)估方法存在如下問題。

問題1：半數(shù)站對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量評(píng)估方法不能反映實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，反而過于嚴(yán)格，增加了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作的難度、工作量。

在實(shí)際應(yīng)用中，GSM-R網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，一般為單個(gè)基站或直放站設(shè)備故障，或者一個(gè)傳輸環(huán)上的3～5個(gè)基站同時(shí)發(fā)生故障，沒有奇數(shù)或偶數(shù)同時(shí)故障的場(chǎng)景。而GSM-R工程驗(yàn)收時(shí)，需要在半數(shù)站條件下對(duì)QoS指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，不能反映真實(shí)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的狀態(tài)，尤其是，當(dāng)關(guān)閉奇數(shù)或偶數(shù)基站時(shí)，由于覆蓋電平整體下降，GSM-R抗干擾能力隨之下降，指標(biāo)達(dá)標(biāo)難度增大。

此外，QoS指標(biāo)與基站數(shù)量密切相關(guān)，由于基站數(shù)量減少一半，當(dāng)發(fā)生一處切換異常等，與全數(shù)站條件相比，指標(biāo)不能達(dá)標(biāo)的概率增大一倍。

問題2：現(xiàn)行評(píng)估方法沒有考慮直放站單點(diǎn)故障情況下QoS指標(biāo)的測(cè)試。

C3線路GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋采取了一系列技術(shù)冗余措施，包括基站的設(shè)置、直放站設(shè)置等。目前的測(cè)試方法只考慮了基站單點(diǎn)故障，沒有考慮直放站單點(diǎn)故障時(shí)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況。

問題3：半數(shù)站情況下，無法驗(yàn)證基站單點(diǎn)故障時(shí)切換異常、基站環(huán)路承載業(yè)務(wù)異常等內(nèi)容。

由于半數(shù)基站情況下，關(guān)閉了一層基站，實(shí)際應(yīng)用中，單個(gè)基站發(fā)生故障，因此，根據(jù)目前的測(cè)試方法，下述情況應(yīng)在工程階段進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

1）半數(shù)站關(guān)閉，沒有測(cè)試單個(gè)基站故障時(shí)，可能存在的異?；厍星闆r。

如圖5所示，以4號(hào)基站為例，4號(hào)基站的鄰區(qū)包括2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)基站。4號(hào)到3號(hào)、5號(hào)基站的切換門限（3 dB）低于4號(hào)到2號(hào)、6號(hào)基站的切換門限（如6 dB），這樣車載設(shè)備從4號(hào)基站優(yōu)先切換到3號(hào)或5號(hào)基站。當(dāng)4號(hào)基站故障，列車從3號(hào)基站切換到5號(hào)基站。

圖5 交織單網(wǎng)基站單點(diǎn)故障示意圖

但是，實(shí)際應(yīng)用中，車載設(shè)備應(yīng)該從2號(hào)基站→3號(hào)基站→5號(hào)基站，4號(hào)基站故障時(shí)，由于2號(hào)基站和3號(hào)基站覆蓋電平可能重疊，如圖5所示，車載設(shè)備切換順序?yàn)椋?號(hào)基站→3號(hào)基站→2號(hào)基站，列車?yán)^續(xù)往前方運(yùn)行，2號(hào)基站電平已較低，但由于2號(hào)基站與5號(hào)基站不是鄰區(qū)關(guān)系，因此不能切換到5號(hào)基站，最終導(dǎo)致車地通信掉線。

2）半數(shù)站關(guān)閉，當(dāng)單個(gè)基站故障時(shí)，可能存在的鄰頻干擾問題。

例如，采用的7頻組復(fù)用的方式，如表4所示。

表4 7頻組復(fù)用方式頻率規(guī)劃

全數(shù)基站情況下同頻復(fù)用距離為21 km，鄰頻隔2個(gè)基站。半數(shù)基站情況下的同頻復(fù)用距離擴(kuò)展到14組（0/2/4/6/1/3/5/7基站發(fā)射，14×3=42 km），網(wǎng)內(nèi)同頻干擾的可能性降到最低，鄰頻隔2個(gè)基站，即2和5基站存在鄰頻，所以鄰頻干擾可能是交織型網(wǎng)絡(luò)中比同頻更大的隱患，但半數(shù)基站的驗(yàn)收方式也把這個(gè)問題掩蓋了。

問題4：QoS測(cè)試方法中按幀發(fā)送數(shù)據(jù)（每10 ms發(fā)送1幀），對(duì)于C3應(yīng)用業(yè)務(wù)，應(yīng)用層較大數(shù)據(jù)包需要分幀傳送，可能由于基站時(shí)鐘參數(shù)設(shè)置問題導(dǎo)致丟幀，造成車地通信時(shí)，應(yīng)用層重新組包數(shù)據(jù)不全，進(jìn)而導(dǎo)致C3降級(jí)。對(duì)于上述情況QoS測(cè)試方法無法測(cè)試驗(yàn)證。

2.3 GSM-R網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)及評(píng)估方法建議

根據(jù)本報(bào)告前述研究?jī)?nèi)容，C3線路GSM-R網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)收建議不要按照全數(shù)站和半數(shù)站加以區(qū)分，而是要根據(jù)設(shè)計(jì)原則（避免單點(diǎn)故障）確定測(cè)試條件，并盡可能最接近網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)用狀態(tài)，確保GSM-R承載C3業(yè)務(wù)運(yùn)用質(zhì)量。

建議：

1）為了測(cè)試驗(yàn)證單點(diǎn)故障時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，可抽取一定比例的基站環(huán)或基站進(jìn)行抽測(cè)，根據(jù)對(duì)2013和2014年GSM-R網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況調(diào)查情況，基站故障率不高于5%，基站環(huán)故障率不高于0.5%，具體比例可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)確定，并適當(dāng)增加。

2）補(bǔ)充抽取一定比例的直放站，在關(guān)閉這些直放站的條件下進(jìn)行QoS指標(biāo)測(cè)試。

3）補(bǔ)充針對(duì)C3應(yīng)用層較大數(shù)據(jù)包分幀傳送場(chǎng)景，進(jìn)行業(yè)務(wù)層面QoS相關(guān)測(cè)試。

3 結(jié)束語

綜上所述，我國(guó)GSM-R承載列控業(yè)務(wù)的QoS指標(biāo)參考了歐洲相關(guān)技術(shù)規(guī)范確定。歐洲提出各項(xiàng)指標(biāo)時(shí)，在一定的前提條件下，從需求出發(fā)進(jìn)行推算，考慮了系統(tǒng)技術(shù)能力限制，結(jié)合實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析而確定的。目前，經(jīng)過多年的實(shí)踐驗(yàn)證和充分應(yīng)用，建議進(jìn)一步對(duì)指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整，確保指標(biāo)確定和評(píng)估方法科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、經(jīng)濟(jì)合理。

[1] 中國(guó)鐵路GSM-R對(duì)外標(biāo)準(zhǔn)組.中國(guó)鐵路對(duì)外標(biāo)準(zhǔn)工作信息簡(jiǎn)報(bào).2013，42：11.

[2] 鐵道部建設(shè)司.鐵建設(shè)[2010]214.高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收指導(dǎo)意見[S].2010.

[3] ERTMS/ETCS－GSM-R Interfaces Class 1 Requirements. REF： SUBSET-093[S]. v2.3.0, 2005-10-10,16.

[4] EEIG ERTMS User Group. EEIG O4E177. ETCS/GSM-R Quality Service-Operational Analysis.14thoct，2005，14.

[5] ERTMS/ETCS－GSM-R Interfaces Class 1 Requirements. REF： SUBSET-093[S]. v2.3.0, 2005-10-10,23

[6] 鐵道部科學(xué)技術(shù)司，鐵道部運(yùn)輸局.科技運(yùn)[2008]168號(hào) CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范[S].2008.

[7] OBB ERIG3442. ETCS L2- QoS Measurements（2011-2012）[S].2

The paper gives a research on QoS indexes for transmitting CTCS-3 train control data over GSM-R network, and puts forward the suggestion to optimizing and adjusting the indexes. Meanwhile, it analyzes the methods of evaluating the QoS indexes and presents the optimization suggestion.

GSM-R network; CTCS-3 train control system; QoS; evaluation methods

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.02.006

2015-01-25）

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)重大課題項(xiàng)目（2013XDD2-A）