高速鐵路GSM-R通信動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)

■ 楊樹忠 王惠生 吳楠

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

GSM-R系統(tǒng)應(yīng)用起源于歐洲鐵路，我國(guó)21世紀(jì)初引入這一系統(tǒng)，特別是在高速鐵路上，作為指揮高速列車行車及調(diào)度的無(wú)線通信系統(tǒng)。GSM-R系統(tǒng)的正常運(yùn)行對(duì)于保障行車安全具有非常重要的意義，因此對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)是不可或缺的。對(duì)GSM-R系統(tǒng)的檢測(cè)可分為2個(gè)階段，第一階段是在高鐵線路GSM-R通信系統(tǒng)建設(shè)完畢開通運(yùn)營(yíng)前，使用動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)指標(biāo)是否符合開通運(yùn)營(yíng)條件，即聯(lián)調(diào)聯(lián)試；第二階段是高鐵線路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的日常動(dòng)態(tài)檢測(cè)，及時(shí)監(jiān)測(cè)通信設(shè)備及系統(tǒng)的運(yùn)用狀態(tài)，為養(yǎng)護(hù)維修相關(guān)部門提供重要的參考。

目前，已經(jīng)有國(guó)外采購(gòu)和國(guó)產(chǎn)化的GSM-R檢測(cè)系統(tǒng)（硬件和軟件）在0號(hào)高速綜合檢測(cè)列車上應(yīng)用，每個(gè)月對(duì)全路各高速鐵路線路進(jìn)行日常檢測(cè)；更高速度的綜合檢測(cè)列車GSM-R檢測(cè)系統(tǒng)也已用于京滬高速鐵路的日常通信檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目主要包括無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋、語(yǔ)音服務(wù)質(zhì)量、電路域（CSD）服務(wù)質(zhì)量和分組域（GPRS）服務(wù)質(zhì)量等。

2 檢測(cè)系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)《G S M-R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和服務(wù)質(zhì)量（QoS）測(cè)試方法》中規(guī)定的對(duì)GSM-R系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的檢測(cè)項(xiàng)目，新一代高速綜合檢測(cè)列車通信檢測(cè)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）由中央處理服務(wù)器、同步定位子系統(tǒng)、電磁環(huán)境檢測(cè)子系統(tǒng)、GSM-R無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋檢測(cè)子系統(tǒng)、GSM-R服務(wù)質(zhì)量檢測(cè)子系統(tǒng)和GPRS及應(yīng)用功能檢測(cè)子系統(tǒng)等構(gòu)成。其中，中央處理服務(wù)器是整個(gè)通信檢測(cè)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，不僅為上述5個(gè)子系統(tǒng)的硬件設(shè)備提供與中央處理服務(wù)器交互的接口，還為車載軟件提供軟硬件平臺(tái)；同步定位子系統(tǒng)承擔(dān)為綜合測(cè)試系統(tǒng)提供當(dāng)前列車運(yùn)行速度、公里標(biāo)和經(jīng)緯度等時(shí)空同步信息的任務(wù)；電磁環(huán)境檢測(cè)是確保GSM-R系統(tǒng)業(yè)務(wù)在空中接口環(huán)節(jié)可靠性的前提條件；無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋檢測(cè)是確保GSM-R系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的物理基礎(chǔ)，QoS檢測(cè)指標(biāo)是GSM-R網(wǎng)絡(luò)性能的體現(xiàn)；應(yīng)用功能檢測(cè)可直接反映出業(yè)務(wù)應(yīng)用層端到端業(yè)務(wù)的工作狀態(tài)，為了掌握GSM-R系統(tǒng)及其設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，需要對(duì)上述4個(gè)層次的項(xiàng)目進(jìn)行全面檢測(cè)。

圖1 GSM-R檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

由圖1可以看出，新型GSM-R檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)統(tǒng)一的整體，各個(gè)檢測(cè)子系統(tǒng)可分別工作也可聯(lián)合工作。系統(tǒng)可根據(jù)列車運(yùn)行線路等級(jí)（CTCS-2級(jí)、CTCS-3級(jí)）設(shè)定不同的檢測(cè)項(xiàng)目，配置方便靈活，使檢測(cè)參數(shù)更加豐富，有助于檢測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析。使用帶信令的檢測(cè)模塊可以同時(shí)完成CSD通信特性測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)特性測(cè)試。GPRS測(cè)試與調(diào)度命令及車次號(hào)傳輸測(cè)試融合為一個(gè)整體，減少設(shè)備數(shù)量，既降低測(cè)試成本，又減少檢測(cè)對(duì)運(yùn)營(yíng)通信的影響。

GSM-R檢測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)使用高度集成化結(jié)構(gòu)，用于服務(wù)質(zhì)量測(cè)試的通信模塊和基于CPCI總線的中央處理服務(wù)器及同步定位子系統(tǒng)的部件都可以在不拆開機(jī)箱的情況下進(jìn)行安裝和拆卸，便于設(shè)備更換和維修；此外，硬件平臺(tái)除保證現(xiàn)有設(shè)備使用接口外，還預(yù)留多個(gè)USB、COM、LAN、SATA、DVI等接口，便于硬件系統(tǒng)進(jìn)行必要擴(kuò)展。

由于硬件系統(tǒng)高度集成化，可以不再使用CIR作為檢測(cè)系統(tǒng)的一部分，檢測(cè)系統(tǒng)中的通信模塊可以作為語(yǔ)音通話使用，在操作界面上可以輸入被叫號(hào)碼發(fā)起語(yǔ)音通話，測(cè)試模塊的音頻信息連接到放大器接入話筒和手柄完成操作。目前，該新型GSM-R檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)已經(jīng)獲得國(guó)家專利。

2.2 軟件系統(tǒng)組成

軟件系統(tǒng)分為3個(gè)獨(dú)立部分，車載端的同步定位軟件、GSM-R綜合測(cè)試軟件及地面端的配合測(cè)試軟件。其中，同步定位軟件通過(guò)采集連接CPCI總線脈沖記數(shù)卡的記數(shù)值和GPS信息為綜合測(cè)試系統(tǒng)提供速度、里程和經(jīng)緯度等時(shí)空信息，也可以連接現(xiàn)有檢測(cè)列車綜合同步信息進(jìn)行自動(dòng)定位和距離校準(zhǔn)。

GSM-R綜合測(cè)試軟件分為實(shí)時(shí)測(cè)試、數(shù)據(jù)回放分析和后臺(tái)統(tǒng)計(jì)分析三大類功能。實(shí)時(shí)測(cè)試功能根據(jù)不同類型的線路配置不同的檢測(cè)項(xiàng)目，可以完成包括語(yǔ)音短呼、長(zhǎng)呼、電路域（CSD）服務(wù)質(zhì)量、分組域（GPRS）服務(wù)質(zhì)量在內(nèi)的QoS測(cè)試功能及調(diào)度命令等應(yīng)用測(cè)試功能，在實(shí)時(shí)測(cè)試過(guò)程中伴隨著信令解析、電子地圖顯示等輔助功能。回放分析根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)試過(guò)程中存儲(chǔ)的測(cè)試文件，模擬再現(xiàn)整個(gè)測(cè)試過(guò)程，回放過(guò)程中可對(duì)數(shù)據(jù)和曲線進(jìn)行聯(lián)動(dòng)分析。聯(lián)動(dòng)分析指當(dāng)處于非正在回放狀態(tài)時(shí)（回放完畢，暫停回放，停止回放），可以使用鼠標(biāo)雙擊曲線繪圖區(qū)域的某一個(gè)公里標(biāo)處，其他實(shí)時(shí)的視圖或列表也相應(yīng)定位到該公里標(biāo)處，這樣可以進(jìn)行故障聯(lián)合定位與原因查找。

地面端的配合測(cè)試軟件主要完成QoS的配合測(cè)試?？勺鳛檎Z(yǔ)音呼叫測(cè)試中的FAS臺(tái)，自動(dòng)接聽車載端的呼叫；可作為電路域服務(wù)質(zhì)量（CSD）中數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)和干擾率測(cè)試的地面服務(wù)器，自動(dòng)接聽車載端呼叫并按指令與車載端交互幀數(shù)據(jù)；還可作為分組域服務(wù)質(zhì)量測(cè)試的服務(wù)器，與車載端配合完成分組域的傳輸時(shí)延（Ping和UDP）測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)吞吐量（FTP上傳/下載）測(cè)試。

同步定位子系統(tǒng)的加入使綜合測(cè)試系統(tǒng)能夠與現(xiàn)有車載檢測(cè)系統(tǒng)在原有硬件基礎(chǔ)上完成軟件的無(wú)縫升級(jí)；綜合測(cè)試系統(tǒng)的松耦合模塊化設(shè)計(jì)方便系統(tǒng)二次開發(fā)和升級(jí)，信令解析和聯(lián)動(dòng)分析為故障準(zhǔn)確定位提供重要指導(dǎo)。

3 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析處理

新型GSM-R檢測(cè)系統(tǒng)的典型數(shù)據(jù)分析處理功能大致分為三類：（1）測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)圖2）；（2）網(wǎng)絡(luò)特性數(shù)據(jù)（信令）的實(shí)時(shí)解析；（3）測(cè)試數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)同步分析。聯(lián)動(dòng)同步分為2個(gè)方面，一是同一模塊不同顯示狀態(tài)的同步，二是不同檢測(cè)模塊的定位同步。

圖2 GSM-R檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和統(tǒng)計(jì)分析

在使用GSM-R檢測(cè)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)之前，需要為每個(gè)設(shè)備配置相應(yīng)的檢測(cè)任務(wù)，包括語(yǔ)音短呼測(cè)試、長(zhǎng)呼測(cè)試、CSD中的連接建立時(shí)延、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和傳輸干擾率測(cè)試、分組域服務(wù)質(zhì)量中的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延（Ping和UDP）測(cè)試和吞吐量（FTP上傳/下載）測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)時(shí)延測(cè)試和應(yīng)用功能測(cè)試。實(shí)時(shí)測(cè)試過(guò)程中，對(duì)于每個(gè)測(cè)試任務(wù)除顯示單次測(cè)試結(jié)果外，還提供實(shí)時(shí)的統(tǒng)計(jì)信息，如成功率、失敗率、連接失效率、丟包率、統(tǒng)計(jì)建立時(shí)延和傳輸時(shí)延等。圖2下半部給出以短呼測(cè)試為實(shí)例的實(shí)時(shí)測(cè)試記錄列表和實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)列表，這些實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)列表將是生成統(tǒng)計(jì)結(jié)果報(bào)表的根本依據(jù)。

為了更好地檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，獲取盡可能多的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)及信息，對(duì)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線接口Um與網(wǎng)絡(luò)交互的信令進(jìn)行采集和解析具有非常重要的意義。新型GSM-R檢測(cè)系統(tǒng)軟件可以使用2 W或8 W帶信令模塊進(jìn)行信令采集，并利用幀格式規(guī)則進(jìn)行信令的全解析。

測(cè)試數(shù)據(jù)和信令信息的多樣化為信息組合定位網(wǎng)絡(luò)故障提供了可能性，而聯(lián)動(dòng)同步分析為準(zhǔn)確定位網(wǎng)絡(luò)故障提供了重要保障。圖3是聯(lián)動(dòng)同步分析測(cè)試數(shù)據(jù)回放視圖，在這個(gè)界面中可以點(diǎn)擊任一個(gè)顯示窗口，其他窗口都可以用相關(guān)標(biāo)記同步到同一公里標(biāo)的檢測(cè)數(shù)據(jù)上。點(diǎn)擊圖3左下部的層三信令，在曲線上顯示標(biāo)記處信令對(duì)應(yīng)的接收電平、通信質(zhì)量、C/I等指標(biāo)，同時(shí)圖3右下方顯示出這個(gè)信令的具體解析內(nèi)容。除此之外，同一測(cè)試任務(wù)和不同測(cè)試任務(wù)的其他沒(méi)顯示的視圖也已經(jīng)同步到相同公里標(biāo)處的數(shù)據(jù)上。上述部分或所有同步信息的組合能夠更加準(zhǔn)確地定位網(wǎng)絡(luò)事件的原因：如由服務(wù)小區(qū)和最強(qiáng)的鄰小區(qū)電平忽高忽低引起的乒乓切換、切換失敗原因、掉話原因（電平低或話音質(zhì)量差）等，進(jìn)而為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)的檢測(cè)系統(tǒng)將向著便攜式和自動(dòng)化（無(wú)人值守）方向發(fā)展，硬件平臺(tái)將更加高度集成化和多樣化，也能給為網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析處理提供更加有力的手段。

[1] 科技運(yùn)［2008］170號(hào) GSM-R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和服務(wù)質(zhì)量（QoS）測(cè)試方法（V1.0）[S]，2008

[2] LOG STB 008 G GSMR AT Commands Description and MRM STB 010 M MRM Technical Specifications Version G[S]，2001

[3] Sagem，Trace protocol specificationV4.08.00 revision C[S]，2007

[4] ETSI. GSM 04.06 version 8.0.1 Release[S]，1999

[5] ETSI. GSM 05.08 version 8.0.1 Release[S]，1999

[6] ETSI. GSM 05.10 version 8.0.1 Release[S]，1999

圖3 聯(lián)動(dòng)同步分析