胡雯雯

摘要：隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，高速鐵路行業(yè)也取得了顯著發(fā)展，其中GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用功不可沒。隨著鐵路速度的增加，通信信道穩(wěn)定性和可靠性成為一個(gè)挑戰(zhàn)，通信中經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳錯(cuò)、延遲和越區(qū)切換等問題。本文旨在基于GSM-R無線通信系統(tǒng)，分析列車在高速行駛過程中進(jìn)行越區(qū)切換時(shí)，無線信道數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，以保證高速列車的實(shí)時(shí)高質(zhì)量通信。

關(guān)鍵詞：GSM-R，無線信道，越區(qū)切換，通信質(zhì)量

隨著我國高鐵和無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通信技術(shù)和高鐵的密切結(jié)合將成為經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的新動力。在未來，隨著無線通信技術(shù)水平不斷提高，人們的需求也會隨之增大，特別是對于傳輸速率和通信質(zhì)量的需求。隨著高鐵的行駛速度不斷提升，有的時(shí)速甚至達(dá)到350km以上，信道的傳輸特性也將會發(fā)生變化。因此，如何在不斷變化的信道中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量傳輸成為無線通信研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。只有不斷提高信號在具有時(shí)變特性的信道中的穩(wěn)定性，才能規(guī)劃出符合高速列車特點(diǎn)的無線通信系統(tǒng)[1]。

GSM-R是專門用于滿足高鐵通信需求的無線通信系統(tǒng)。在高速鐵路系統(tǒng)中，GSM-R是不可或缺的一部分，它解決了高鐵在通信業(yè)務(wù)方面的各種需求。但高速鐵路系統(tǒng)中的通信仍面臨著一些挑戰(zhàn)，其中數(shù)據(jù)信號在無線信道上的傳輸有效性和可靠性是關(guān)注的重點(diǎn)[2]，在實(shí)際應(yīng)用中，越區(qū)切換阻塞等問題經(jīng)常發(fā)生。這主要?dú)w因于沿線環(huán)境的復(fù)雜性以及列車高速行駛的影響，這些因素都嚴(yán)重影響了信號在無線信道中的傳輸質(zhì)量[3]。

在鐵路領(lǐng)域中，國際鐵路聯(lián)盟對專用調(diào)度通信有具體的要求，因此GSM-R系統(tǒng)為了滿足這些要求，在GSM（全球系統(tǒng)移動通信）的基礎(chǔ)上添加了通用集群和調(diào)度通信的功能。GSM-R系統(tǒng)基于GSM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，專注于鐵路應(yīng)用。在20世紀(jì)90年代，國際鐵路聯(lián)盟與歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織共同提出了下一代鐵路通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

隨后，GSM-R系統(tǒng)成為車地之間進(jìn)行信息傳遞的鐵路專用通信系統(tǒng)。為了滿足鐵路運(yùn)輸通信和調(diào)度指揮的需求，根據(jù)國家規(guī)劃，正在建設(shè)“八橫八縱”鐵路網(wǎng)。在這個(gè)規(guī)劃中，GSM-R網(wǎng)絡(luò)被用來實(shí)現(xiàn)全部覆蓋，以提升鐵路網(wǎng)服務(wù)的全面性[4]。這意味著GSM-R系統(tǒng)在鐵路通信中發(fā)揮著重要的作用。

一、GSM-R移動通信系統(tǒng)

（一）GSM-R系統(tǒng)概述

GSM-R系統(tǒng)主要設(shè)備包括地面設(shè)備、車載設(shè)備以及車的傳輸設(shè)備。通過車載設(shè)備和地面通信站之間的信息傳遞，地面通信站可以處理覆蓋范圍內(nèi)列車的信息，并將其傳輸給列車。這樣，列車就可以正常有序地運(yùn)行[5]。GSM-R系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在GSM-R系統(tǒng)中，數(shù)字傳輸系統(tǒng)是連接各子系統(tǒng)的傳輸信道，其中包括為提供相關(guān)服務(wù)所需要的傳輸設(shè)備或單元，比如傳輸光纜、傳輸電纜以及其他相關(guān)傳輸設(shè)備等[6]。

在鐵路運(yùn)輸中，列車在行駛過程中需要進(jìn)行無線電通信，例如在固定點(diǎn)和移動點(diǎn)之間，或者移動點(diǎn)之間進(jìn)行通信。這種通信是為了確保列車能夠進(jìn)行高效可靠的信息交流，以保障列車的安全運(yùn)行，并防止作業(yè)事故的發(fā)生[6]。

（二）GSM-R相關(guān)技術(shù)

1.調(diào)制技術(shù)

在無線移動通信系統(tǒng)中，頻率較高的信號需要采用調(diào)制技術(shù)進(jìn)行有效傳輸。隨著列車速度的增加，無線傳輸信道不斷變化，即使是相鄰字符間的無線傳輸信道特性也存在差異。為了改善快速衰落特性和多普勒頻移效應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)最大吞吐量，通常采用高斯濾波最小頻移鍵控調(diào)制方式進(jìn)行無線通信[7]。

2.交織技術(shù)

列車通常以較高的速度行駛，因此GSM-R系統(tǒng)無線傳輸信道具有不穩(wěn)定性。盡管交織技術(shù)可以糾正一個(gè)或者少量個(gè)數(shù)的誤比特[7]，但是當(dāng)無線傳輸信道受到強(qiáng)烈干擾并發(fā)生頻繁變化時(shí)，會導(dǎo)致相連的誤比特增多，此時(shí)交織技術(shù)可能無法完全糾正。

二、基于GSM-R的移動通信無線信道

（一）基于GSM-R無線信道特性分析

在高速鐵路通信系統(tǒng)中，無線傳輸信道與一般的固定通信網(wǎng)的信道存在差異。高速鐵路通信系統(tǒng)中的無線傳輸信道面臨更加復(fù)雜的地理環(huán)境，例如列車高速行駛時(shí)，信號的接收功率會發(fā)生一定的損耗。此外，信號在復(fù)雜多變的傳輸環(huán)境中也會發(fā)生變化，從而影響通信質(zhì)量。正是由于無線傳輸信道的不確定性，使得無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性還有待提升。

1.同頻干擾

頻率復(fù)用是一種常用的無線通信技術(shù)，但它也會引發(fā)同頻干擾問題。當(dāng)有用信號和干擾信號共用同一頻率時(shí)，它們在放大和調(diào)頻過程中可能混淆在一起，導(dǎo)致接收機(jī)性能下降，阻塞或降低接收靈敏度，以及通信質(zhì)量下降等嚴(yán)重后果[8]。為了提高GSM-R系統(tǒng)的頻率利用率，人們必須在考慮同頻干擾的情況下，合理調(diào)整同頻小區(qū)之間的間隔。

2.通話質(zhì)量和傳輸干擾

衡量無線移動通信傳輸?shù)挠行?biāo)準(zhǔn)是通話質(zhì)量，它能夠直接反映無線移動通信系統(tǒng)的水平。通話質(zhì)量通過計(jì)算信道編碼前的錯(cuò)誤比特率的平均值來衡量，因此它直接影響通信質(zhì)量的好壞，并且可用作評估傳輸干擾程度和信號在無線信道中可靠傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)之一。在GSM-R系統(tǒng)中，RxQual用于表示接收端接收到的通信數(shù)據(jù)的期望值，取值范圍為0至7[8]，如表1所示。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，當(dāng)通話質(zhì)量達(dá)到4級及以上時(shí)，誤比特率超過1.6%，平均值為2.26%。這表明存在較大的傳輸干擾。因此，可以得出結(jié)論：誤比特率越高，傳輸干擾就越大。但通話質(zhì)量的好壞不僅僅由傳輸干擾因素決定，還受到其他不同的干擾因素的影響。因此，僅僅通過改善誤比特率并不能直接改善通話質(zhì)量或用于實(shí)際的信號傳輸控制。在研究信號傳輸干擾時(shí)，人們需要綜合考慮不同的干擾因素的影響。

（二）基于GSM-R無線通信的越區(qū)切換分析

GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)是高速鐵路運(yùn)行的基礎(chǔ)和保障。它主要沿著鐵路線逐步擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，形成一個(gè)穩(wěn)定且獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有效支持高速列車在更高的速度下完成高質(zhì)量的通信。由于網(wǎng)絡(luò)分布的特點(diǎn)，GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)采用線狀覆蓋的方式（如圖2所示），這種覆蓋形式不僅降低了相鄰小區(qū)之間的距離和數(shù)量，還為小區(qū)的最優(yōu)選擇和高效切換提供了有力的保障。

越區(qū)切換是指高速列車從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)切換到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)的過程，或者是語音信號從一個(gè)信道切換到另一個(gè)信道的過程。這種切換是為了保持語音信號的正常傳輸，以應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的變化或信道質(zhì)量的變差。

為了保證語音通信信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，一種常見的做法是將語音傳輸信道連接到新的空閑語音信道上，以避免受到其他通信或干擾源的影響，提高語音傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性。對于無線通信系統(tǒng)來說，越區(qū)切換失敗、切換位置錯(cuò)誤以及切換頻繁等問題都可能導(dǎo)致性能變差。在實(shí)際應(yīng)用中，GSM-R系統(tǒng)的越區(qū)切換成功率通常較高，但仍然存在切換頻繁甚至不合理的情況。

針對這一問題，在鐵路數(shù)字移動無線通信系統(tǒng)GSM-R中，可以通過調(diào)整越區(qū)切換的兩個(gè)小區(qū)切換時(shí)間和切換距離來科學(xué)進(jìn)行控制，以控制無線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。通過這樣的調(diào)整，即使發(fā)生越區(qū)切換失敗，列車仍有足夠的時(shí)間和距離去進(jìn)行第二次越區(qū)切換[9]。另外，在保證鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)GSM-R符合350km/h的運(yùn)行速度要求[10]的前提下，還可以提高越區(qū)切換的效率，并將前后兩次越區(qū)切換的時(shí)間控制在10秒以內(nèi)。這樣一來，可以提高越區(qū)切換的效率和效果，同時(shí)提高通信的有效性和可靠性。

三、GSM-R越區(qū)切換模型及仿真分析

在GSM-R模型中，越區(qū)切換的信息處理時(shí)間平均值為0.5s，圖3為GSM-R越區(qū)切換的Petri網(wǎng)模型。

在GSM-R系統(tǒng)中，時(shí)延要求分別為0.5s（95％）、1.2s（99％）和2.4s（99.99％）。在Time NET中進(jìn)行仿真分析，P1為越區(qū)切換的概率，P2為切換后狀態(tài)概率，P3為RBC處理后狀態(tài)概率。

圖4是GSM-R發(fā)生越區(qū)切換的仿真概率曲線，運(yùn)行時(shí)間為10秒。從圖可以看出，越區(qū)切換的概率在0.4%～0.8%之間波動，也就是GSM-R越區(qū)切換發(fā)生的平均值在0.6%左右。當(dāng)時(shí)間趨于無窮大時(shí)，其概率為0.589%，仿真結(jié)果與GSM-R技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)接近。

從圖P2和P3中，在t=0時(shí)刻時(shí)，此時(shí)P2的概率為100%，同樣在t=0時(shí)刻，P3對應(yīng)的概率為0。通過圖5和圖6分析得到：P2和P3的概率和為定值，即說明了進(jìn)行越區(qū)切換的P為定值，基于GSM-R切換時(shí)通信的穩(wěn)定性得到了保障。

四、結(jié)束語

綜上所述，通過對基于GSM-R的通信系統(tǒng)中的無線信道進(jìn)行優(yōu)化，可以提升通信的穩(wěn)定性和質(zhì)量，從而保證信號傳輸?shù)目煽啃浴Ｍㄟ^調(diào)整越區(qū)切換的小區(qū)切換時(shí)間和切換距離，以及控制無線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋距離，可以提高通信系統(tǒng)的性能，減少切換頻率和錯(cuò)誤，進(jìn)一步提升通信的有效性和可靠性。這樣的優(yōu)化措施確保了在GSM-R通信系統(tǒng)中的信號傳輸具有較高的可靠性，為用戶提供了更為穩(wěn)定的通信質(zhì)量和服務(wù)。