高速鐵路無線通信系統(tǒng)半實(shí)物仿真技術(shù)與QoS仿真分析研究

■ 熊磊

GSM-R作為鐵路神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)承載CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（C3），直接關(guān)系到鐵路運(yùn)行效率與安全。因此，對高速鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）提出了更為嚴(yán)格的要求[1]。

高速鐵路建設(shè)中，一般選擇在試驗(yàn)段（或先導(dǎo)段、先行段）上對GSM-R系統(tǒng)的性能進(jìn)行現(xiàn)場測試，有力保障GSM-R系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。然而現(xiàn)場試驗(yàn)需要投入大量人力、物力，而且存在試驗(yàn)時間較為有限，環(huán)境限制因素較多，參數(shù)（如基站高度、發(fā)射功率、移動速度等）不易調(diào)整，勞動強(qiáng)度大，電波傳播環(huán)境無法精確控制和重復(fù)等不足。

高速鐵路無線通信系統(tǒng)半實(shí)物仿真將計(jì)算機(jī)仿真與硬件試驗(yàn)相結(jié)合，采用信道仿真設(shè)備模擬高速鐵路現(xiàn)場的電波傳播環(huán)境，而GSM-R網(wǎng)絡(luò)、終端則與高速鐵路現(xiàn)場盡可能保持一致，從而實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境開展高速鐵路GSM-R性能測試。半實(shí)物仿真準(zhǔn)確性高，為實(shí)時仿真，可以進(jìn)行設(shè)備測試，與現(xiàn)場試驗(yàn)相比，實(shí)施成本低，能夠方便設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，可以保證測試的完備性；仿真環(huán)境透明、可控，而且能夠精確重復(fù)，目前已在航天航空、武器設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、電力等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1 半實(shí)物仿真

高速鐵路無線通信系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺以信道仿真儀為核心（見圖1），由QoS測試軟件、移動終端、GSM-R網(wǎng)絡(luò)、固定用戶接入交換系統(tǒng)（FAS）、車站臺、Abis接口監(jiān)測系統(tǒng)及射頻配件和射頻電纜構(gòu)成。除信道仿真儀以外，其他設(shè)備均與高速鐵路現(xiàn)場保持一致。信道仿真儀能夠模擬高速鐵路各種典型場景（如高架橋、路塹、平原、丘陵）、移動速度、覆蓋電平、噪聲和干擾強(qiáng)度的各種無線信道，具有多個并行的仿真通道，其參數(shù)均可以獨(dú)立設(shè)定。QoS測試軟件可以對不同信道環(huán)境下的各項(xiàng)QoS指標(biāo)進(jìn)行測試。Abis接口監(jiān)測系統(tǒng)對整個通信過程中Abis接口信令進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)分析，并可以直觀地顯示上、下行接收電平（RXLEV）、接收質(zhì)量（RXQUAL）和越區(qū)切換進(jìn)程。

2 高速鐵路無線通信系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺功能

2.1 高速鐵路無線信道特性分析

列車運(yùn)行速度的提高會導(dǎo)致信道衰落速度的加快，要保證通信的可靠性，需要合理確定接收機(jī)的最小可用接收電平。鐵道部GSM-R規(guī)范中規(guī)定98％的地點(diǎn)覆蓋電平高于-92 d Bm，這一電平在350 km/h及以上高速鐵路上的性能如何，是目前關(guān)注較多的問題。高速鐵路無線通信系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺可方便地設(shè)定各種移動速度（如250，350，420 km/h）與接收電平，并對系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真。通過各種仿真條件下，對Ab is接口監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，可以分析接收電平與接收質(zhì)量、速度之間的關(guān)系等，為確定350 km/h及以上高速鐵路的最小可用接收電平提供數(shù)據(jù)支持和驗(yàn)證。

仿真實(shí)驗(yàn)繪制了列車運(yùn)行速度為350 km/h時，當(dāng)下行接收電平分別為-72，-82 ，-92 d Bm時，下行接收質(zhì)量RXQUAL的分布（見圖2）。由圖2可知，隨著接收電平的下降，接收質(zhì)量會發(fā)生一定程度的下降。在-92 d Bm時，RXQUAL小于3的概率約為0.933 8，基本可以滿足通信質(zhì)量要求。

2.2 高速鐵路QoS指標(biāo)測試

由仿真平臺模擬高速鐵路各種無線信道環(huán)境，QoS測試系統(tǒng)控制移動終端進(jìn)行GSM-R話音業(yè)務(wù)、電路域數(shù)據(jù)和分組域數(shù)據(jù)的QoS指標(biāo)進(jìn)行測試（見表1）。測試完全按照鐵道部QoS測試規(guī)范進(jìn)行。

QoS指標(biāo)測試可以用于分析高速鐵路周邊環(huán)境、移動速度、覆蓋電平、噪聲干擾等對各項(xiàng)QoS指標(biāo)的影響，對高速鐵路GSM-R系統(tǒng)在各種條件下的性能進(jìn)行準(zhǔn)確分析評估，為保障GSM-R系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，合理進(jìn)行GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供支撐。

表1對移動速度為80，160 ，350 km/h，接收電平為50 d Bm，無同頻干擾條件下話音業(yè)務(wù)呼叫建立時間進(jìn)行了比較。由表1可知，隨著移動速度的提高，呼叫建立時間的最大值、最小值和平均值都有一定程度的增加，但較為有限。

2.3 越區(qū)切換模擬

越區(qū)切換是GSM-R移動性管理的重要內(nèi)容，當(dāng)高速列車以350 km/h運(yùn)行時，以現(xiàn)有3 km的基站間距考慮，每分鐘大約發(fā)生2次越區(qū)切換，越區(qū)切換相當(dāng)頻繁。保證高速鐵路越區(qū)切換的可靠性是當(dāng)前GSM-R需要解決的重要問題之一。

越區(qū)切換見圖3。平臺可以獨(dú)立、實(shí)時地對各基站的信號加以控制，模擬列車運(yùn)行過程中處于不同位置時，各個基站場強(qiáng)的變化規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)在各種無線信道環(huán)境下對越區(qū)切換的仿真。依托平臺，可以研究切換參數(shù)（如信號電平切換門限、信號質(zhì)量切換門限、切換容限、平均窗口等）對切換性能的影響，為合理配置參數(shù)，避免乒乓效應(yīng)，提高切換成功率提供技術(shù)支持。

2.4 設(shè)備高速適應(yīng)性測試

仿真平臺可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對GSM-R通信設(shè)備（如車載8 W模塊，手持移動終端等）的高速適應(yīng)性進(jìn)行測試。仿真平臺可以方便地設(shè)定各種測試環(huán)境，從而保證測試的完備性。此外，仿真平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對仿真的精確控制與重復(fù)，可以方便地進(jìn)行故障排查與定位和性能比較。目前已有多家設(shè)備廠商在仿真平臺上對設(shè)備的高速性進(jìn)行了測試，根據(jù)測試結(jié)果有針對性地對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)備的高速適應(yīng)性（如多普勒校正技術(shù)）。

3 結(jié)束語

高速鐵路無線通信系統(tǒng)半實(shí)物仿真雖然不可能完全替代現(xiàn)場測試，但在高速鐵路無線通信技術(shù)研究、QoS分析、越區(qū)切換性能優(yōu)化、設(shè)備研發(fā)等領(lǐng)域能夠發(fā)揮較大作用，對于確保高速鐵路GSM-R系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有十分重要的意義。

[1] 鐘章隊(duì)，李旭，蔣文怡，等. 鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）[M]. 北京：中國鐵道出版社，2003