趙軍武

(1.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統(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)展機遇。

GPRS作為第二代移動通信向第三代的過渡技術(shù)，是GSM的移動分組業(yè)務(wù)，在公網(wǎng)上各個國家都開通了增強型數(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特點的同時，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。

1.1 EDGE技術(shù)特征

EDGE包括EGPRS和ECSD，在引入EDGE時充分考慮和原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，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、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)傳輸時會根據(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層檢測出誤碼會調(diào)整調(diào)制編碼方式進(jìn)行誤報重傳。這與GPRS系統(tǒng)僅能選擇同樣的編碼方式進(jìn)行重傳相比，會有更高的傳輸成功概率，也可以有效降低傳輸時延和丟包率。基于現(xiàn)有的實驗室設(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 不同移動速度條件下EDGE QoS測試（終端接收電平-75，單時隙）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)量變化時迅速調(diào)整編碼方案，因此不會造成明顯的時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

針對不同的鐵路運營線路，當(dāng)前中國鐵路專用移動數(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)備動態(tài)監(jiān)測信息、機車信號狀態(tài)信息、工務(wù)軌道動態(tài)監(jiān)測信息和客運安全監(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）、動車工況監(jiān)控、基礎(chǔ)設(shè)施健康管理系統(tǒng)、移動售票和ATO實現(xiàn)精確停車及列車車門站臺屏蔽門聯(lián)動業(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，此項業(yè)務(wù)的特點是業(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)層描述每個用戶每次業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包需要發(fā)送的個數(shù)、數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔以及每個數(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)僅分配一個靜態(tài)PDCH，兩個動態(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環(huán)內(nèi)基站，每個基站僅能額外多支持一個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)，如移動售票和ATO實現(xiàn)精確停車及列車車門站臺屏蔽門聯(lián)動等業(yè)務(wù)。為了保證業(yè)務(wù)不會發(fā)生擁塞，建議額外增加新的動態(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，保證每個基站能夠支持8個EPDCH，那么從理論上分析，EDGE網(wǎng)絡(luò)每個小區(qū)至少可以同時支持兩個帶寬需求小于200 kbit/s的業(yè)務(wù)終端?？紤]到新增業(yè)務(wù)需求，除了可以滿足小帶寬業(yè)務(wù)（移動售票和ATO實現(xiàn)精確停車及列車車門站臺屏蔽門聯(lián)動）的承載需求，還可以滿足機車遠(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，多項業(yè)務(wù)并發(fā)的概率增大，網(wǎng)絡(luò)擁塞的隱患也會相應(yīng)增加。因此需要有相應(yīng)的機制，保證網(wǎng)絡(luò)資源無法滿足所有即時業(yè)務(wù)傳輸時，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。因為GGSN和SGSN設(shè)備獨立于用戶數(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64 kbit/s時隙）為單位進(jìn)行設(shè)置。目前Abis接口資源以及采用的時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EDGE基站支持單終端4個MCS-9時隙的傳輸，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)和時隙內(nèi)分配的前提下，可以采用平均分配空閑的時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，因此會造成業(yè)務(wù)的傳輸時延顯著增加。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)的傳輸時延。

3.3.2 多?；疓SM-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，可以接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，也可以接入EDGE網(wǎng)絡(luò)，此時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界面手動切換進(jìn)行選擇。

第二類，此類手機的顯著特點是：終端工作在單一模式時，可以通過當(dāng)前的資源和配置情況，檢測和報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)實驗室半實物仿真測試結(jié)果，移動速度對于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)吞吐量及傳輸時延都會隨著移動速度的增長而產(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。