GSM-R系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量和接收電平關(guān)系的分析與研究

■ 藺偉 王學(xué)軍 沈京川 蔣志勇

GSM-R系統(tǒng)作為我國高速鐵路通信的基礎(chǔ)裝備，不僅實現(xiàn)了列車無線調(diào)度通信，還承載了列車運行控制的數(shù)據(jù)通信，滿足包括CTCS-3級列控業(yè)務(wù)在內(nèi)的鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)安全可靠性需求，成為GSM-R系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵。影響GSM-R系統(tǒng)承載鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)安全可靠性的關(guān)鍵參數(shù)主要有最小可用接收電平、電波傳播特性等指標(biāo)。

通過理論計算、仿真與試驗測試等綜合方法，以及論述高速鐵路GSM-R系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量和接收電平關(guān)系，提出關(guān)鍵參數(shù)取值，為提高GSM-R系統(tǒng)承載CTCS-3級列控等鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)的可靠性提供參考數(shù)據(jù)。

1 最小可用接收電平

最小可用接收電平指在GSM-R系統(tǒng)滿足規(guī)定可靠性和服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)時，機車車頂天線處的最小接收電平[1]。參照接收機的噪聲門限，結(jié)合我國鐵路沿線典型的電磁環(huán)境，對最小可用接收電平進行理論推算和仿真?；?00～350 km/h列車運行速度條件下的實測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析服務(wù)質(zhì)量中最為關(guān)鍵的接收質(zhì)量（RxQua l）和CSD傳輸干擾率兩個指標(biāo)與接收電平的關(guān)系。通過理論計算仿真和實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，初步獲得最小可用接收電平的取值區(qū)間。

1.1 理論計算和仿真

當(dāng)接收機噪聲門限（以BER的形式給出）確定時，可用接收機的噪聲系數(shù)（NF）表示其接收的靈敏度Si（dBm），如公式（1）所示。

式中：S0/N0為確保BER小于噪聲門限時接收機輸出的信噪比；Ni為接收機輸入噪聲功率，Ni=k T·B，其中k=1.38×10-23J/K，是波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度（K）；B為噪聲帶寬（Hz）。

最小可用信號接收功率SRmin與接收機輸出噪聲比關(guān)系如公式（2）所示。

根據(jù)0.3 GM SK信號的解調(diào)原理， BER理論值Pe表示見公式（3）[2]。

可得SR0/NR0與BER的關(guān)系：

GSM-R系統(tǒng)最小可用接收電平的估算模型則為：

根據(jù)公式（5），載噪比C/N仿真計算參數(shù)取值如下：

（1）GSM-R調(diào)制參數(shù)。鐵路GSM-R系統(tǒng)采用0.3 GM SK調(diào)制方式：B·T=0.3；Rb=270.833 kb/s，B=200 kHz。

（2）信道編碼增益。數(shù)值仿真時設(shè)系統(tǒng)信道編碼增益Gp=0 dB。

（3）誤碼率。按照UIC《GSM-R系統(tǒng)建設(shè)和實施指南》要求，接收信號質(zhì)量（R x Q u a l）95％的結(jié)果應(yīng)不大于4級。以此作為服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)，計算最小接收電平。R xQual=4級時，對應(yīng)的BER為1.6％～3.2％[2]。

（4）GSM-R移動終端接收機指標(biāo)。接收機天饋匹配阻抗R=50Ω；NF要求在3～6 d B，仿真計算時取6 dB。

根據(jù)上述條件，利用公式（5）數(shù)值仿真計算不同誤碼率要求的載噪比（見圖1）[3]。

根據(jù)圖1的仿真結(jié)果，當(dāng)NF=6 dB、Gp=0 dB時，移動終端接收機天線處輸入端射頻信號CNR不小于13.285 d B，即可保證系統(tǒng)BER≤3.2％。

G S M-R系統(tǒng)采用的碼率尺=1/2，約束長度=5，其d∞=7，因此編碼增益Gp=2.43 d B[4]。GSM-R系統(tǒng)所需C/N應(yīng)大于或等于7.855 d B（N F=3 d B條件下）/10.855 d B（NF=6 dB條件下）。實測鐵路沿線清頻后的GSM-R系統(tǒng)電磁環(huán)境噪聲Nitotal約為-92 dBm。

根據(jù)上述條件，結(jié)合C/N的指標(biāo)要求，得到在鐵路沿線典型電磁環(huán)境背景噪聲下，GSM-R系統(tǒng)的最小可用接收電平為-84～-81 dBm。

1.2 測試條件

測試區(qū)段基站分布見圖2，關(guān)閉與被測基站相鄰有關(guān)系的其他基站。被測基站間距平均約12 km，在列車運行速度為300～350 km/h的平原區(qū)段，測試不同接收電平和服務(wù)質(zhì)量的關(guān)系，以確定最小可用接收電平。

1.3 R xQual與接收電平的關(guān)系

對應(yīng)不同的接收電平，將R x Q u a l分組，統(tǒng)計出不同接收電平條件下R xQua l≤4的分布（見圖3）。

為滿足國際鐵路聯(lián)盟（U IC）提出的在R xQual 95％概率條件下統(tǒng)計結(jié)果小于或等于4級的要求，根據(jù)

R xQ ua l≤4在不同接收電平條件下的分布，當(dāng)列車運行速度為300～350 km/h時，最小可用接收電平取-83 dBm。

1.4 CSD傳輸干擾率與接收電平的關(guān)系

經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，可使基站小區(qū)切換間隔時間大于20 s。假設(shè)不是因切換造成的誤包次數(shù)為m，基站小區(qū)個數(shù)為n，為滿足非切換原因造成的誤包次數(shù)占總誤包次數(shù)的比例小于5％，則兩者的關(guān)系為：

測試數(shù)據(jù)是在列車運行速度300～350 km/h的條件下獲得，平均列車運行速度為330 km/h。目前，CTCS-3級列控區(qū)段的基站平均間距為3 km，切換間隔的平均時間約32.7 s。測試CSD數(shù)據(jù)傳輸干擾率采用4.8 kb/s 40字節(jié)數(shù)據(jù)包測試，數(shù)據(jù)包的發(fā)送間隔10 m s，發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的平均時間為40×8/4 800+10=76 m s。由于模塊需要一定的處理時間，實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的平均時間約85 m s。兩次切換之間平均可發(fā)送約385個數(shù)據(jù)包。分析和統(tǒng)計非切換誤包的測試數(shù)據(jù)，在每次發(fā)生非切換引起的CSD干擾時，數(shù)據(jù)連續(xù)誤包數(shù)集中在2～4包，平均為3包。因此，為達(dá)到傳輸無差錯時間＞20 s（95％）的指標(biāo)要求[5]，非切換引起的CSD數(shù)據(jù)誤包率應(yīng)不超過：BLER=3/385×5.26％=0.041％。對測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計可得，CSD數(shù)據(jù)傳輸全部樣本的誤包率為2.3％。

CSD誤碼與接收電平分布見圖4。當(dāng)R x Le v≥-8 2 d B m時，C S D誤包數(shù)占誤包樣本總數(shù)的比例小于1.36％，對應(yīng)的誤包率為2.3％×1.36％=0.031％，滿足小于0.041％的要求。

1.5 取值

在列車運行速度300～350 km/h條件下，為滿足列控業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量要求，建議最小可用接收電平取-82 d Bm。建議開展測試接收電平為-82 d Bm條件下服務(wù)質(zhì)量的特性研究，積累足夠的測試樣本，確定科學(xué)合理的最小可用接收電平。

2 電波傳播特性

通過研究高速鐵路沿線電波傳播大尺度損耗特性和小尺度衰落特性，在合理的最小可用接收電平取值條件下，為GSM-R系統(tǒng)場強預(yù)測和工程設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。

2.1 大尺度路徑損耗指數(shù)

在天線高度30 m、天線增益17 dBi，以及不同速度條件下，使用測量接收機鎖定被測基站頻點，測得95％地點和時間概率條件下的接收電平分布。速度300～350 km/h和速度小于160 km/h的準(zhǔn)平原區(qū)段接收電平分布（見圖5，圖6）。

統(tǒng)計分析不同速度條件下的無線覆蓋測試數(shù)據(jù)，在電波大尺度傳播模型中的路徑損耗指數(shù)與列車速度無關(guān)，與地形關(guān)系見表1。

表1 路徑損耗指數(shù)與列車速度及地形關(guān)系

2.2 小尺度衰落余量

列車運行速度為160 km/h和300～350 km/h條件下，測得平原地區(qū)的衰落余量。兩組不同速度條件下的衰落余量見圖7。

統(tǒng)計分析結(jié)果表明，雖然列車運行速度不斷提高，但相同地形條件下的衰落余量基本相同，與速度無關(guān)。對不同地形測試數(shù)據(jù)進行分類統(tǒng)計，得到鐵路沿線電波傳播小尺度衰落余量分布（見圖8）。

直放站加漏纜覆蓋地區(qū)的衰落余量最小，平原地區(qū)居中，山區(qū)衰落余量最大。因此，建議工程設(shè)計時根據(jù)不同地形考慮不同的衰落余量，以確保可靠的無線覆蓋。不同地形條件下的衰落余量統(tǒng)計值見表2。

表2 不同地形條件下衰落余量統(tǒng)計值

3 結(jié)論

（1）為保證300～350 km/h列車運行條件下，GSM-R承載CTCS-3級列控等鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，建議最小接收電平取值-82 dBm。

（2）在最高速度為350 km/h條件下，電波大尺度傳播模型中的路徑損耗指數(shù)和小尺度衰落余量與列車速度無明顯關(guān)聯(lián)，與地形有關(guān)。

[1] 鐵道部運輸局. 鐵路GSM—R數(shù)字移動通信系統(tǒng)最小可用接收電平測量方法（V1.0）[S]，2005

[2] Vijay K Ga rg，Joseph E W ilkes. Prin c ip les and App lications o f GSM[M]. Upper Sadd le River，New Jersey[J]. USA：Prentice Hall PTR，1999

[3] 張遙，王群. 基于M ATLAB的GM SK和基帶信號功率譜密度仿真實驗開發(fā)[J]. 南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報，2006，28(2)

[4] Theodore S，RAPPAPORT. 無線通信原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，1999

[5] GSM-R QoS W orking Group. O-2475 ERTMS/GSM-R Quality o f Service Test Specification. Paris：UIC，2006