铁路GSM-R系统高速适应性测试及分析

田 园，梁轶群，3，4，蒋 韵，3，高尚勇，3，李岸宁，李 德

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所,北京 100081; 2.北京华铁信息技术有限公司,北京 100081; 3.国家铁路智能运输系统工程技术研究中心,北京 100081; 4.中国铁道科学研究院研究生部,北京 100081)

引言

铁路技术水平的不断提高助推了高速铁路向更高速度、更安全舒适、更高标准的方向发展[1]:日本的ALFA-X高速试验车最高试验速度已经达到400 km/h,预计运营速度为360 km/h[2];英国政府于2017年计划建设最高设计速度400 km/h的高速铁路;意大利于2015年研制出测试速度达到390 km/h的高速列车[3],投入运营前在意大利佛罗伦萨、捷克Velim环形试验线开展了400 km/h的走行动力性能、受电弓性能、线路、空气动力学和气流噪声等试验;2015年6月,中铁二院中标了400 km/h的俄罗斯莫斯科—喀山高速铁路设计项目[4]。我国复兴号CR400系列高速动车组已经达到350 km/h的运营速度[5],高速列车技术发展成熟,较为先进,已具备向更高速度提速的潜力,需要对铁路GSM-R系统高速适应性相关指标进行测试及分析。

GSM-R系统是专用于铁路的综合数字无线通信系统,为保证列车运行的安全性和可靠性,定期开展GSM-R系统全面检测工作及高速条件下GSM-R系统适应性研究具有重要意义[6]。于晓泉[7]等针对列车运营速度提升至400 km/h的需求,对现有信号系统进行高速适应性分析,针对存在的主要问题提出适配性修改方案;张大林等[8]基于TRDP协议构建服务质量参数实时检测平台,对最大时延抖动、丢包情况、乱序情况、吞吐量等参数进行实时检测及统计性分析,对列车车载网络的安全性和可靠性加以验证;代赛等[9]研究GSM-R系统在列车运营速度超过350 km/h的高速适应性,通过搭建半实物仿真系统开展QoS测试,分析越区切换场景下速度对服务质量的影响;刘树楷[10]提出需要建立全路数据共享平台以便各个部门及时得到数据,在数据共享平台基础上搭建数据检测/监测平台,对数据进行分析,可用于评估网络质量,最后提出了构建该平台需要解决的关键技术;DU等[11]通过分析、训练瞬时频率直方图在时域的统计特征,提出了一种GSM-R网络带内干扰检测与预警的新方法,并且通过实验证明了在实际应用中该方法的有效性;CAO等[12]使用确定性和随机Petri网(DSPN)对单MT、冗余热备的MT和列车前后有2个冗余的MT 3种场景进行仿真,得出在所有情况下,传输延迟都能满足标准要求的结论,尤其是对于冗余的MT和网络,其概率结果大于99.996%。因此,CTCS-3中的传输延迟标准有必要得到改进。

国内外已经对350 km/h以上速度级列车进行了研究,但尚无400 km/h成熟运营的高速列车。国内既有的GSM-R评价指标及标准、评价技术可能无法完全满足未来更高运营速度的要求,国外也没有成熟的技术体系可以参考借鉴,所以铁路GSM-R系统高速适应性指标的分析研究显得尤为重要。通过对试验数据的相关分析,可以帮助我们对高速铁路GSM-R系统的关键参数进行研究,从而为中国高速铁路的不断发展以及实施中国高铁"走出去"的战略提供理论依据与科技保障[13]。

1 高速铁路GSM-R系统动态检测方案

1.1 测试环境搭建

1.1.1 测试方案

本文测试环境选在高速列车车厢内,使用场强测量接收机连接车顶天线,对GSM-R系统网络覆盖情况进行测试。PC端安装测试软件控制各仪表,获取接收电平、CSD连接建立时延和失败率、CSD数据传输端到端时延和丢包率、CSD连接丢失率、GPRS传输延时、丢包率、峰值吞吐量、平均吞吐量等数据。测试设备连接示意见图1。

图1 GSM-R系统动态测试环境示意Fig.1 GSM-R system dynamic test environment schematics

1.1.2 试验系统参数

测试中沿线基站数量、平均站间距及设备参数具体如表1所示。

表1 试验系统参数Table 1 Test system parameters

1.2 速度级的选取原则

国家铁路局将高速铁路新建设计时速定义为250 km(含)至350 km(含)[14]。国家发改委将中国高速铁路定义为时速250 km及以上的新线或既有线铁路[15]。250 km/h一般为受到高铁线路标准制约的高铁时速,例如昌九高铁、青荣高铁、南广高铁等。300 km/h和350 km/h为高铁的典型运营速度。380 km/h是以350 km/h的10%上浮计算的高铁验收速度。400 km/h及以上速度等级为高速铁路下一步逐级提速后的目标速度。因此,依照以上内容,测试数据分别选取250,300,350,380 km/h以及400 km/h五个等级。

2 不同速度级GSM-R系统的指标测试及适用性分析

本文选择搭载高速动车组在列车最高试验速度为420 km/h条件下进行试验,试验关键指标如下。

(1)GSM-R系统最小可用接收电平。

(2)GSM-R列控类电路数据传输特性。

(3)不同传输速率CSD传输特性。

(4)GPRS数据传输特性。

通过对试验数据的进一步分析得到更高速度下GSM-R系统关键技术参数。

2.1 最小可用接收电平数据分析

通过对试验数据进行分析,按不同速度等级对接收电平与通话质量RxQual的关系进行统计,结果如图2所示。

图2 接收电平与通话质量RxQual的关系Fig.2 The relationship between receiving level and call quality RxQual

对统计结果进行汇总,可得到:当满足RxQual≤4级要求时,不同运行速度条件下的最小可用接收电平见表2。

表2 RxQual≤4(95%)时最小可用接收电平统计Table 2 Minimum available receiving level statistics when RxQual≤4(95%)

从表2可以看出,当列车运行速度等级为380 km/h时,实际测试得到的系统最小可用接收电平最佳,这与测试段的GSM-R网络主要针对列车运行速度380 km/h进行了网络优化有关。这也从一个侧面表明,通过网络优化和相关参数的调整,GSM-R系统能更好适应不同运营速度等级的需求。

为避免网络优化对GSM-R网络服务质量结果产生影响,本文给出最小接收电平不同速度的建议取值要求如下:250～380 km/h时,选择最小可用接收电平的最差情况-81 dBm;400 km/h时,最小可用接收电平取为-79 dBm。

针对GSM-R无线覆盖和服务质量情况,国际铁路联盟UIC制定了相关标准和技术规范[16],其中要求列车运行速度高于280 km/h条件下满足列控类CSD数据传输要求的GSM-R系统最小可用接收电平为不低于-92 dBm。UIC制定的标准要求环境底噪电平最小不小于-105 dBm,而我国由于通信系统较多导致在实际情况下电磁底噪偏高,所以UIC标准不能直接作为我国铁路测试标准。根据实际测试结果,我国铁路沿线GSM-R频段内的电磁环境底噪一般高达-90～-95 dBm。图3为试验段实际测试的某个基站范围内GSM-R频段电磁环境频谱图。

图3 试验段基站GSM-R频段电磁环境频谱Fig.3 Test section base station GSM-R band electromagnetic environment spectrum

如果按GSM-R频段内的电磁环境平均底噪电平为-95 dBm计算,试验得到的最小可用接收电平-81,-79 dBm所对应的C/I(载波/干扰)分别为14,16 dB,刚好能满足GSM-R网络中“同频道干扰保护比:C/I(载波/干扰)≥12 dB”的要求[17]。因此,通过试验数据统计得到的GSM-R系统最小接收电平取为-81 dBm(380 km/h速度等级)、-79 dBm(400 km/h速度等级)符合我国高速铁路沿线电磁环境底噪声较高的现状。

2.2 列控类电路数据传输特性数据分析

GSM-R系统列控类电路数据传输特性的试验包括以下5项指标[18-19]。

(1)CSD连接建立时延和失败率。

(2)CSD数据传输端到端时延和丢包率。

(3)CSD连接丢失率。

(4)CSD传输干扰时间。

(5)CSD传输无差错时间。

试验中CSD连接建立时延和失败率的测试数据如表3所示。

表3 CSD连接建立时延和失败率试验数据Table 3 CSD connection establishment delay and failure rate test data

在列车高速运行条件下,CSD连接建立时延和失败率指标满足相关标准的要求[20]。

试验中CSD数据传输端到端时延和丢包率的测试数据见表4。

表4 CSD数据传输端到端时延和丢包率试验数据Table 4 CSD data transmission end-to-end delay and packet loss rate test data

在列车高速运行条件下,CSD数据传输端到端时延指标满足相关标准的要求。

试验中CSD连接丢失率的测试数据见表5。

表5 CSD连接丢失率试验数据Table 5 CSD connection loss rate test data

在列车高速运行条件下,CSD连接丢失率指标满足相关标准的要求。

试验中CSD传输干扰时间的测试数据见表6。

表6 CSD传输干扰时间试验数据Table 6 CSD transmission interference time test data

在列车高速运行条件下,CSD传输干扰时间指标满足相关标准的要求。

试验中CSD传输无差错时间的测试数据见表7。

表7 CSD传输无差错时间试验数据Table 7 CSD transmits error-free time test data

在列车高速运行条件下,CSD传输无差错时间指标满足相关标准的要求。

列车运行速度300～420 km/h时, GSM-R系统列控类CSD服务质量满足标准要求。

对统计结果进行汇总,得到不同速度级别下CSD传输连接建立时延及失败率的变化情况,结果如图4所示;不同速度级别下CSD数据传输端到端时延的变化情况,结果如图5所示;不同速度级别下传输干扰时间的变化情况,结果如图6所示。

图4 CSD传输连接建立时延及失败率与速度的关系统计结果Fig.4 Statistical results of the relationship between CSD transmission connection establishment delay and failure rate and speed

图5 CSD数据传输端到端时延与速度的关系统计结果Fig.5 Statistical results of the relationship between end-to-end delay and speed of CSD data transmission

图6 CSD传输干扰时间试验数据Fig.6 CSD transmission interference time test data

不同速度等级条件下,CSD传输连接建立时延及失败率与速度没有明显的关系,速度对CSD传输连接建立时延及失败率几乎没有影响。

不同速度等级条件下的CSD数据传输端到端时延99%统计值约为420 ms,差值<7 ms。CSD数据传输端到端时延与列车运行速度没有关系。

对于CSD传输干扰率而言,CSD传输干扰时间是关注的重点。这里重点对CSD传输干扰时间与速度的关系进行分析。

不同速度等级条件下的CSD传输干扰时间95%统计值相差不大,变化不明显。速度对CSD传输干扰时间的影响较小,可以认为基本没有影响。

列车运行速度300～420 km/h条件下,速度对列控类电路数据传输特性基本没有影响。

2.3 GPRS数据传输特性分析

试验中进行了GPRS数据传输特性的测试,包括传输延时、丢包率、峰值吞吐量、平均吞吐量等[21]。

2.3.1 GPRS传输延时

GPRS传输延时及丢包率试验数据见表8。

表8 GPRS传输延时测试数据Table 8 GPRS transmission delay test data

与行车相关的业务对GPRS时延要求较高,根据GPRS时延等级的评价标准[22],需达到1级。综合表8测试结果,实际测试中,GPRS传输延时达到1级,符合标准要求。

按不同延时等级对GPRS传输延时试验数据进行分类统计,结果见表9。

表9 GPRS传输延时分类统计数据Table 9 GPRS transmission delay classification statistical data

按照CTCS-3级列控系统对数据传输延时的要求,CSD数据端到端传输延时(40字节数据包)的99%统计值应小于500 ms。表8中,128字节数据包GPRS传输延时的99%统计值为475 ms,达到小于500 ms的要求。表9中,传输延时小于500 ms的比例为99.27%,达到高于99%的要求。试验中使用的是128字节的数据包,若使用40字节的列控数据包,传输时延还会减小。从试验结果看, GPRS数据传输方式可以满足列控系统端到端传输延时99%小于500 ms的要求。

2.3.2 GPRS数据吞吐量

GPRS数据吞吐量试验数据见表10。进行下行GPRS数据吞吐量测试时的动车组最高运行速度约为421 km/h,进行上行GPRS数据吞吐量测试时的动车组最高运行速度则约为416 km/h。

表10 GPRS数据吞吐量测试数据Table 10 GPRS data throughput test data

根据GPRS数据吞吐量级别的评价标准,在列车高速运行条件下,GPRS数据传输指标均能满足标准中对GPRS业务QoS指标的要求,具体等级对应情况见表11。

表11 GPRS数据传输指标等级对应Table 11 GPRS data transmission index level corresponding

2.3.3 GPRS传输延时与速度关系

对GPRS传输延时的测试数据按照不同速度级别进行分类分析和统计,结果见表12。

表12 GPRS传输延时不同速度级别统计结果Table 12 GPRS transmission delay statistical results of different speed levels

从表12可知,不同速度等级下GPRS传输平均延时在173～181 ms之间,差距不大,与速度没有明显的相关性。

对GPRS传输95%延时测试数据的统计结果按照不同速度等级绘制变化趋势图,结果见图7。

图7 GPRS传输95%延时实验数据统计结果Fig.7 GPRS 95% transmission delay experimental data statistics results

从图7可以看出,不同速度等级下GPRS传输95%延时在188～257 ms之间,变化范围略大。其中,在列车速度为300～330 km/h及高于390 km/h时GPRS传输95%延时值略大,为257 ms,可能与这两个速度级别下样本数略少影响95%统计值有关。如果排除这2个样本点,可以看出随着速度的增加,GPRS传输95%延时略有增加,但增加值较小,速度对GPRS传输95%延时值的影响较小。

2.3.4 GPRS数据吞吐量与速度关系

对不同速度等级下的GPRS下行和上行数据传输吞吐量测试数据进行统计,结果分别见表13和表14。

表13 GPRS数据吞吐量(下行)不同速度级别统计结果Table 13 Statistical results of data throughput (downlink) at different speed levels

表14 GPRS数据吞吐量(上行)不同速度级别统计结果Table 14 Statistical results of data throughput (uplink) at different speed levels

从表14中可以看出,随着速度的增加, GPRS数据传输平均吞吐量未见明显下降。理论上,随着速度的增加产生快衰落,终端接收到的信号较弱,导致误码率增加,丢包率和重传次数增多,吞吐量降低。但实际测试中,终端接收信号大部分保持在-70 dBm以上,高于-81 dBm(380 km/h等级)、-79 dBm(400 km/h等级),满足最小可用接收电平要求,即使移动终端出现瞬时较深的衰落,实际接收信号也远好于其接收灵敏度,不会影响GPRS数据的传输,所以GPRS数据传输吞吐量没有明显变化。

3 结论

我国目前已建成了现代化的铁路网以及发达的高铁网,正在加快推进交通强国铁路先行规划纲要。400 km/h的高速铁路是未来世界铁路的发展趋势,列车速度的提高需要各系统保持健康的服役状态,因此,各系统在高速环境下适应性的测试与研究尤为重要。

GSM-R系统多年来在铁路的运输中发挥了重要作用。本文对不同速度级GSM-R系统指标的测试结果进行了研究分析,得出更高速度下GSM-R系统关键技术参数的适应性结论如下。

(1)更高速度下,建议根据我国高速铁路沿线电磁环境底噪声较高的现状和实测数据将GSM-R系统最小接收电平要求从目前的-92 dBm按照速度等级不同分别修改为-81 dBm(380 km/h)、-79 dBm(400 km/h)。

(2)列车运行速度为300～420 km/h时,速度对列控类电路数据传输特性指标基本没有影响,GSM-R系统列控类CSD服务质量具有良好的高速适应性。

(3)列车运行速度为300～420 km/h时,GSM-R系统GPRS数据传输特性高速适应性较好。在接收电平较好的条件下,速度对GPRS传输延时、吞吐量等关键指标没有明显影响。

综上,本文对GSM-R系统在高速条件下的适应性进行了评价,为我国实现开通更高速度铁路提供了技术参考,并为我国实现更高水平高速铁路技术的引领提供了技术支撑。