GSM-R高速網(wǎng)絡(luò)無(wú)線性能提升技術(shù)及驗(yàn)證系統(tǒng)

■ 李少楠 張勛

作為信號(hào)及列控系統(tǒng)的傳輸平臺(tái)，GSM-R需要滿(mǎn)足列車(chē)運(yùn)行速度從0～500 km/h的無(wú)線通信要求，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和可靠性提出了很高的要求。多普勒效應(yīng)與多徑傳播會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)失真，使接收信號(hào)的頻譜發(fā)生擴(kuò)展，所以對(duì)GSM-R系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如何在列車(chē)高速運(yùn)行（大于220 km/h）的條件下保證無(wú)線鏈路的穩(wěn)定是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。為此，提出GSM-R高速性能解決方案，解決多普勒頻偏和快速切換控制等難題，可有效提升高速下的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

1 無(wú)線性能提升關(guān)鍵技術(shù)

1.1 自動(dòng)頻率校正技術(shù)（AFC）

在高速移動(dòng)狀態(tài)下，受多普勒效應(yīng)影響，移動(dòng)臺(tái)頻率信息會(huì)產(chǎn)生偏移，如果GSM-R通信系統(tǒng)不采取預(yù)防措施，當(dāng)列車(chē)時(shí)速高于220 km時(shí)，無(wú)線通信可能會(huì)出現(xiàn)中斷。

目前，高速鐵路列車(chē)時(shí)速已達(dá)到350 km甚至更高，傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)已不能滿(mǎn)足高速鐵路要求。采用AFC技術(shù)糾正高速下的多普勒頻率偏移問(wèn)題，其解調(diào)門(mén)限可達(dá)到1 000 Hz，即AFC可適應(yīng)時(shí)速500 km范圍內(nèi)的多普勒頻移。與此同時(shí)，將AFC創(chuàng)新應(yīng)用于GPRS，保證高速情況下，GPRS業(yè)務(wù)性能不受影響。

1.2 快速切換算法

當(dāng)移動(dòng)終端在已建立呼叫的狀態(tài)下從一個(gè)基站移動(dòng)到另一個(gè)基站時(shí)，它將執(zhí)行切換以實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道資源的改變，列車(chē)會(huì)快速地從一個(gè)基站到達(dá)另一個(gè)基站的覆蓋區(qū)。如果采用傳統(tǒng)切換算法，列車(chē)上的移動(dòng)臺(tái)將沒(méi)有足夠時(shí)間改變無(wú)線信道，從而造成通信鏈路中斷。

快速切換算法是專(zhuān)為高速鐵路而設(shè)計(jì)，可確保高速狀態(tài)下切換的實(shí)時(shí)性和可靠性（見(jiàn)圖1）。（1）多普勒頻移切換算法是基于自動(dòng)頻率校正功能的一種加快切換判決的切換算法。在高速移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合，通過(guò)縮短切換判決時(shí)間，達(dá)到縮短切換帶、提升小區(qū)間切換性能的目的。（2）快速PBGT切換算法是一種基于路徑損耗的切換。在移動(dòng)臺(tái)快速移動(dòng)條件下，迅速切換至更好小區(qū)獲得服務(wù)，保持通信連接，提升小區(qū)間切換性能；同時(shí)，使移動(dòng)臺(tái)在高速移動(dòng)條件下，在有限切換帶內(nèi)一次切換失敗后進(jìn)行第二次切換成為可能。

1.3 鏈型小區(qū)切換

充分利用鐵路近線型覆蓋的特點(diǎn)，形成鏈型鄰區(qū)，通過(guò)對(duì)移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向的預(yù)測(cè)和判斷，使用戶(hù)在鏈型小區(qū)間移動(dòng)，提高切換成功率，提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，鏈型鄰區(qū)更充分地保障了小區(qū)間切換的可靠性。

1.4 多站點(diǎn)共小區(qū)技術(shù)

多站點(diǎn)共小區(qū)技術(shù)即多個(gè)不同位置點(diǎn)的射頻拉遠(yuǎn)模塊（RRU）設(shè)備配置相同的頻率組，通過(guò)基帶處理單元（BBU）控制實(shí)現(xiàn)多個(gè)RRU 的同步收發(fā)。邏輯上這幾個(gè)不同位置點(diǎn)的RRU屬于同一小區(qū)，鐵路終端從一個(gè)位置點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)位置點(diǎn)時(shí)就無(wú)需切換。采用共小區(qū)技術(shù)后，一方面可減少切換次數(shù)，提升網(wǎng)絡(luò)性能；另一方面，頻率的復(fù)用距離增加，在相同的信噪比下，頻率規(guī)劃變得簡(jiǎn)單易行。

1.5 增強(qiáng)的NACC提升數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)性能

網(wǎng)絡(luò)輔助的小區(qū)重選（NACC）可有效加快小區(qū)重選速度，縮短由于切換所引起的數(shù)據(jù)中斷時(shí)間，使正在進(jìn)行的分組業(yè)務(wù)中斷時(shí)間由幾秒降低為300～700 m s。

圖1 快速切換算法

1.6 合理的GSM-R網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和覆蓋設(shè)計(jì)

GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋有其特殊性，為保證高可靠性和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能，合理的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃將從基站的選址、合理的切換區(qū)域設(shè)計(jì)、天饋的增益和方位角、有針對(duì)性的站型及特殊區(qū)域特殊考慮5個(gè)方面入手，最大程度提升無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能。

2 高速無(wú)線性能仿真驗(yàn)證系統(tǒng)

2.1 性能驗(yàn)證系統(tǒng)框架

高速仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的目標(biāo)是通過(guò)無(wú)線信道建模，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)盡量真實(shí)地模擬GSM-R高速無(wú)線信道。實(shí)驗(yàn)室高速性能仿真驗(yàn)證系統(tǒng)主要分為2個(gè)部分：無(wú)線信道建模和算法/網(wǎng)絡(luò)級(jí)驗(yàn)證（見(jiàn)圖2）。

無(wú)線信道建模過(guò)程中，對(duì)GSM-R典型覆蓋和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，獲得符合高鐵特點(diǎn)的信道級(jí)無(wú)線信道模型；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)高速仿真平臺(tái)模擬高鐵無(wú)線信道，對(duì)GSM-R設(shè)備特定條件下的算法級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)高速性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，獲得不同列車(chē)運(yùn)行速度和組網(wǎng)解決方案下的性能基線數(shù)據(jù)。

2.2 高速無(wú)線信道建模

信道建模需要定義GSM-R高鐵信道徑數(shù)、每徑功率、衰落帶寬、Ric ian K因子等信道特征，目前高速仿真驗(yàn)證系統(tǒng)中使用的信道模型既包括符合3GPP協(xié)議規(guī)定的TU市區(qū)（低速）、RA郊區(qū)（高速）、HT山區(qū)地形信道模型（高速），也包括特定站點(diǎn)工參下的高速切換場(chǎng)景。某個(gè)典型的高速切換電平和頻偏變化基線見(jiàn)圖3。

2.3 高速仿真驗(yàn)證平臺(tái)

高速仿真驗(yàn)證平臺(tái)的核心部件為2臺(tái)高性能的2×2通道無(wú)線信道仿真儀、GSM-R QoS測(cè)試工具。該平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室組網(wǎng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

RFI為無(wú)線射頻接口，設(shè)備通過(guò)射頻線連接，保證器件間的射頻隔離度。無(wú)線信道仿真儀在被測(cè)小區(qū)的上下行鏈路上實(shí)現(xiàn)雙向信道模型，用于精確模擬高鐵信道特征。GSM-R QoS測(cè)試工具的作用是根據(jù)自動(dòng)化腳本發(fā)起GSM-R語(yǔ)音和列控業(yè)務(wù)，對(duì)服務(wù)質(zhì)量（QoS）數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，進(jìn)行快速業(yè)務(wù)驗(yàn)證。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于GSM-R高速鐵路無(wú)線傳播模型的認(rèn)識(shí)始終是無(wú)線性能算法設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的基礎(chǔ)，因此，對(duì)高速無(wú)線信道進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，獲得高速條件下的GSM-R信道特征具有非常重要的意義。在信道測(cè)量的基礎(chǔ)上，基于高速仿真驗(yàn)證平臺(tái)，甚至可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)真實(shí)再現(xiàn)實(shí)際線路的無(wú)線信號(hào)覆蓋。

圖2 GSM-R無(wú)線性能仿真驗(yàn)證總體框架

圖3 切換下的覆蓋電平和頻偏曲線

圖4 高速仿真驗(yàn)證平臺(tái)結(jié)構(gòu)

[1] 鐘章隊(duì)，李旭，蔣文怡，等. 鐵路GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2007

[2] L Poutas. ERTM S/GSM-R Quality o f Service Test Specification[S]，2006