高速鐵路調(diào)度指揮GSM-R分組域通信承載能力研究*

劉 斌 左自輝 王開(kāi)鋒

高速鐵路調(diào)度指揮GSM-R分組域通信承載能力研究*

劉 斌1左自輝2王開(kāi)鋒3

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所，100081，北京；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，100081，北京；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，100081，北京//第一作者，助理研究員）

通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（GPRS）是)高速鐵路車地間數(shù)據(jù)通信的重要手段之一，隨著GPRS承載數(shù)據(jù)量的增大，必然帶來(lái)GPRS資源的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。從高速鐵路GPRS應(yīng)用需求出發(fā)，提出了鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R）分組域承載能力測(cè)試方法，測(cè)試不同數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度、不同終端數(shù)量、不同分組數(shù)據(jù)信道（PDCH）數(shù)量條件下GPRS最大吞吐量，并分析數(shù)據(jù)包長(zhǎng)、GPRS終端數(shù)量、PDCH數(shù)量與吞吐量的關(guān)系，從而為GPRS業(yè)務(wù)規(guī)劃提供參考。

高速鐵路；通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)；鐵路數(shù)字移動(dòng)通信；承載能力

通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（GPRS）是在鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R）網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上引入的一種分組交換無(wú)線通信服務(wù)，具有多用戶共享帶寬、傳輸數(shù)據(jù)量大等優(yōu)勢(shì)，可以有效提高頻率復(fù)用率。我國(guó)高速鐵路使用GPRS承載非安全數(shù)據(jù)，對(duì)采用GPRS承載列控業(yè)務(wù)的可行性也進(jìn)行了初步研究。隨著鐵路信息化進(jìn)程的快速發(fā)展，越來(lái)越多的應(yīng)用業(yè)務(wù)需要采用GPRS承載車地之間數(shù)據(jù)通信。然而，GSM-R系統(tǒng)的頻率資源有限，隨著GPRS用戶數(shù)量的增多和數(shù)據(jù)量的增大，必然帶來(lái)GPRS資源的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。

本文提出了一種GSM-R分組域承載能力測(cè)試方法，并設(shè)計(jì)測(cè)試方案，在不同的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度、不同的終端數(shù)量、不同的分組數(shù)據(jù)信道（PDCH）數(shù)量條件下，對(duì)GPRS吞吐量進(jìn)行測(cè)試，詳細(xì)分析測(cè)試結(jié)果，從而為GPRS業(yè)務(wù)規(guī)劃提供參考。

1 GPRS承載能力測(cè)試方法

1.1 GPRS承載的應(yīng)用業(yè)務(wù)

鐵路應(yīng)用系統(tǒng)與GPRS終端之間的數(shù)據(jù)傳送采用GPRS模式，其數(shù)據(jù)發(fā)送的特征主要由應(yīng)用需求決定。不同的應(yīng)用業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)發(fā)送各有特點(diǎn)，但傳輸層均采用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP），網(wǎng)絡(luò)層采用因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（IP）［1］。

GPRS承載的主要業(yè)務(wù)有無(wú)線車次號(hào)校核、列車進(jìn)路預(yù)告、列控設(shè)備動(dòng)態(tài)檢測(cè)、鐵路移動(dòng)售票等，不同應(yīng)用業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)報(bào)文長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)發(fā)送間隔、上下行數(shù)據(jù)分布各不相同，對(duì)GPRS服務(wù)質(zhì)量的需求也不相同。因此，本文從高速鐵路GPRS應(yīng)用需求出發(fā)，設(shè)計(jì)GPRS承載能力測(cè)試方案，測(cè)試GSM-R分組域通信承載能力，并分析影響其性能指標(biāo)的主要因素。

1.2 GPRS承載能力測(cè)試現(xiàn)狀

吞吐量是描述GPRS承載能力的主要指標(biāo)，也是高速鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)驗(yàn)收和工程檢測(cè)的主要指標(biāo)之一。目前，通常采用文件傳輸協(xié)議（FTP）上傳和下載的方法測(cè)試GPRS上下行吞吐量［2］，測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖1所示。在與網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）接口相連的Gi接口連接固定端測(cè)試服務(wù)器，移動(dòng)端測(cè)試控制器通過(guò)FTP下載測(cè)試下行吞吐量，通過(guò)FTP上傳測(cè)試上行吞吐量。

圖1 現(xiàn)有GPRS吞吐量測(cè)試方法

然而，該測(cè)試方法無(wú)法完全反映鐵路GPRS應(yīng)用情況，具有一定的局限性。

（1）鐵路GPRS應(yīng)用業(yè)務(wù)基于UDP，而FTP是建立在TCP（傳輸控制協(xié)議）之上的連接；

（2）受到移動(dòng)臺(tái)時(shí)隙捆綁能力、信令交互開(kāi)銷等因素的影響，采用單個(gè)移動(dòng)臺(tái)測(cè)試得到的結(jié)果不能反映整個(gè)GSM-R網(wǎng)絡(luò)的GPRS吞吐量；

（3）無(wú)法測(cè)試多個(gè)移動(dòng)臺(tái)并發(fā)傳送數(shù)據(jù)對(duì)GPRS吞吐量的影響；

（4）無(wú)法精細(xì)控制數(shù)據(jù)報(bào)文大小、數(shù)據(jù)發(fā)送間隔等參數(shù)。

1.3 改進(jìn)后的GPRS承載能力測(cè)試方法

本文對(duì)現(xiàn)有的GPRS承載能力測(cè)試方法進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新的GPRS承載能力測(cè)試設(shè)備，如圖2所示。該設(shè)備由固定端GPRS測(cè)試服務(wù)器、移動(dòng)測(cè)試終端和移動(dòng)端測(cè)試控制器構(gòu)成。測(cè)試設(shè)備利用全球定位系統(tǒng)（GPS）保持時(shí)間同步，測(cè)試數(shù)據(jù)傳送采用UDP，并且可支持多個(gè)移動(dòng)測(cè)試終端并發(fā)工作。

（1）測(cè)試接口為 Igsm（t）和Gi接口。

（2）測(cè)試控制器可以同時(shí)控制多個(gè)移動(dòng)測(cè)試終端進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

（3）通過(guò)在固定端GPRS測(cè)試服務(wù)器發(fā)送不同長(zhǎng)度UDP數(shù)據(jù)包的方式測(cè)試下行吞吐量，通過(guò)在移動(dòng)端測(cè)試控制器發(fā)送不同長(zhǎng)度UDP數(shù)據(jù)包的方式測(cè)試上行吞吐量。

（4）下行吞吐量測(cè)試時(shí)，在I gsm（t）接口處計(jì)算每秒通過(guò)的最大字節(jié)數(shù)和下行數(shù)據(jù)傳送時(shí)延；上行吞吐量測(cè)試時(shí)，在Gi接口處計(jì)算每秒通過(guò)的最大字節(jié)數(shù)和上行數(shù)據(jù)傳送時(shí)延。

（5）通過(guò)比較發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量和接收方正確接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量計(jì)算數(shù)據(jù)發(fā)送成功率。

圖2 改進(jìn)后的GPRS承載能力測(cè)試方法

改進(jìn)后的GPRS承載能力測(cè)試方法能根據(jù)實(shí)際需求選擇不同數(shù)量的測(cè)試移動(dòng)終端，可設(shè)置數(shù)據(jù)報(bào)文長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)發(fā)送周期等參數(shù)，通信協(xié)議與鐵路GPRS應(yīng)用業(yè)務(wù)一致。因此，該測(cè)試方法能夠更好地反映目前應(yīng)用條件下GPRS實(shí)際承載能力。

2 GPRS承載能力測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證改進(jìn)后的GPRS承載能力測(cè)試方法的合理性和有效性，在大西鐵路客運(yùn)專線原平西至太原段高速綜合試驗(yàn)段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該區(qū)段共有GSM-R基站25套，所有小區(qū)上行默認(rèn)GPRS編碼方式為CS-1，下行默認(rèn)GPRS編碼方式為CS-2，最高試驗(yàn)速度為350 km/h。

搭載高速綜合檢測(cè)列車，采用本文所設(shè)計(jì)的GPRS承載能力測(cè)試設(shè)備，選擇典型的數(shù)據(jù)包長(zhǎng)（78 B、314 B、512 B）、終端數(shù)量（1～8個(gè)）、PDCH 數(shù)量（1個(gè)、4個(gè)），測(cè)試不同條件下所能達(dá)到的最大吞吐量。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

3 測(cè)試結(jié)果分析

從理論分析和實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)看，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度、GPRS終端數(shù)量、PDCH數(shù)量是影響GPRS吞吐量的關(guān)鍵因素。

表1 GPRS吞吐量測(cè)試結(jié)果匯總

3.1 數(shù)據(jù)包長(zhǎng)對(duì)吞吐量的影響

從GPRS空中接口協(xié)議棧可以看出，應(yīng)用數(shù)據(jù)承載在無(wú)線鏈路層、邏輯鏈路控制、子網(wǎng)相關(guān)會(huì)聚協(xié)議、IP、UDP 等子層之上［3］，因此計(jì)算應(yīng)用業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)速率時(shí)不應(yīng)包含無(wú)線鏈路層及以上各層的開(kāi)銷。在不考慮協(xié)議棧各子層數(shù)據(jù)塊中填充數(shù)據(jù)、可能的數(shù)據(jù)分包及附加開(kāi)銷影響的情況下，不同長(zhǎng)度業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的理論數(shù)據(jù)傳送速率如表2所示。其中，開(kāi)銷是指無(wú)線鏈路層及以上各層協(xié)議幀頭和幀尾所占用字節(jié)之和的最小值；凈荷比率是UDP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與UDP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和開(kāi)銷之和的比值。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度越大，凈荷比率越高，信道資源的利用率也越高。理論分析和實(shí)際測(cè)試結(jié)果均表明，在一定數(shù)據(jù)包長(zhǎng)范圍內(nèi)，增大數(shù)據(jù)包長(zhǎng)可以提高數(shù)據(jù)吞吐量。

表2 不同包長(zhǎng)應(yīng)用業(yè)務(wù)理論數(shù)據(jù)傳送速率

3.2 GPRS終端數(shù)量對(duì)吞吐量的影響

圖3是包長(zhǎng)512 B條件下，不同信道數(shù)量、不同鏈路方向吞吐量的測(cè)試結(jié)果。由圖3可見(jiàn)，在4個(gè)PDCH條件下，當(dāng)終端數(shù)量小于4個(gè)時(shí)，上行吞吐量隨終端數(shù)量增加而上升；當(dāng)終端數(shù)量大于4個(gè)時(shí)，上行吞吐量隨終端數(shù)量增加變化不明顯。在4個(gè)PDCH條件下，下行吞吐量隨終端數(shù)量增加變化不明顯。在1個(gè)PDCH條件下，上下行吞吐量隨終端數(shù)量增加變化均不明顯。這與GPRS終端時(shí)隙捆綁能力相關(guān)，一般而言，下行方向能同時(shí)捆綁3個(gè)或4個(gè)PDCH，上行方向能捆綁1個(gè)或2個(gè)PDCH。

3.3 PDCH數(shù)量對(duì)吞吐量的影響

圖3 GPRS終端數(shù)量對(duì)吞吐量的影響

通過(guò)計(jì)算4個(gè)和1個(gè)PDCH條件下最大吞吐量的比值來(lái)評(píng)估PDCH數(shù)量對(duì)吞吐量的影響。計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可知，上行條件下，若移動(dòng)臺(tái)數(shù)量大于等于4個(gè)，4個(gè)PDCH吞吐量與1個(gè)PDCH吞吐量的比值約在3.55～3.93之間；下行條件下，4個(gè) PDCH吞吐量與 1個(gè) PDCH吞吐量的比值在 4左右?？梢?jiàn)，吞吐量與信道數(shù)量基本上同比例增長(zhǎng)。

表3 不同終端數(shù)時(shí)的4信道吞吐量與1信道吞吐量之比

4 結(jié)論

本文結(jié)合 GSM-R分組域應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì) GPRS的實(shí)際承載能力進(jìn)行測(cè)試，分析數(shù)據(jù)包長(zhǎng)、GPRS終端數(shù)量、PDCH數(shù)量與吞吐量的關(guān)系。

（1）采用512 B數(shù)據(jù)包長(zhǎng)、4個(gè) PDCH測(cè)試時(shí)，上行數(shù)據(jù)吞吐量最大約為 5.08 kB/s，下行數(shù)據(jù)吞吐量最大約 為 5.29 kB/s。

（2）數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)包越長(zhǎng)，應(yīng)用層數(shù)據(jù)凈荷比率越高，吞吐量也越大。

（3）當(dāng)全部 PDCH被占用后，隨著終端數(shù)量的增加，吞吐量變化不大。

（4）吞吐量與PDCH數(shù)量基本上同比例增長(zhǎng)。

［1］ 中華人民共和國(guó)鐵道部.GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信應(yīng)用技術(shù)條件第九分冊(cè)：數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用接口及設(shè)備：TJ/DW 014—2012［S］.北 京 ：中 國(guó) 鐵 道出 版 社 ，2012：1-11.

［2］ 國(guó)家鐵路局.鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R）工程檢測(cè)規(guī)程 ：TB 10430— 2014［S］ .北 京 ：中 國(guó) 鐵 道出 版 社 ，2014：56-59.

［3］ 鐘章隊(duì)，蔣文怡，李紅君.GPRS通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)［M］.北京：人民郵電出版社，2001：233-331.

On the Bearing Capacity of GSM-R General Packet Radio Service in High-speed Railway Dispatching Command

LIU Bin，ZUO Zihui，WANG Kaifeng

GPRS is one of the important means of data communication between train and ground for high-speed railway.With the increase of GPRS traffic load，the competition among GPRSresources will inevitably increase.In this paper，a method to test the bearing capacity of GPRS is proposed to meet the requirements of high-speed railway GPRS，it can test the maximum throughput of GPRS under different packet lengths，different user numbers and different PDCH （packet data channel） numbers，the relationship between them is analyzed to provide a reference for GPRS performance planning.

high-speed railway； GPRS（general packet radio service）； GSM-R（global system for mobile communicationsrailway）； bearing capacity

U285.21：U238

10.16037/j.1007-869x.2017.10.005

First-author′s address Signal&Communication Research Institute，China Academy of Railway Sciences，100081，Beijing，China

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1534202）

2017-02-16）