基于測試手機(jī)的GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測試系統(tǒng)開發(fā)

馬 汀

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

1 概述

GSM-R系統(tǒng)是鐵路綜合數(shù)字無線通信平臺，主要為調(diào)度通信、鐵路運(yùn)輸作業(yè)、區(qū)間維護(hù)作業(yè)及列控系統(tǒng)應(yīng)用等提供無線通信服務(wù)。在CTCS-3線路中，GSM-R網(wǎng)絡(luò)是CTCS-3級列控系統(tǒng)車-地雙向傳輸?shù)奈ㄒ环绞?，是保障列車安全運(yùn)行的重要手段之一，因而對GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求特別高。根據(jù)鐵路GSM-R系統(tǒng)建設(shè)、調(diào)試和開通經(jīng)驗(yàn)，無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作對于GSM-R網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。GSM-R系統(tǒng)需要在設(shè)備調(diào)試和聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、調(diào)整才能使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量滿足各類業(yè)務(wù)的要求。

為了在設(shè)備調(diào)試和聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段能夠更精確、完整地獲取有用的數(shù)據(jù)信息，本文將討論利用測試手機(jī)開發(fā)GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測試系統(tǒng)。通過對測試功能需求分析，提出測試系統(tǒng)軟件的主要架構(gòu)以及深度的分層模塊設(shè)計(jì)。

2 測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 主要功能

GSM-R網(wǎng)絡(luò)測試與優(yōu)化系統(tǒng)，為GSM-R網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供依據(jù)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存在的問題。按照鐵路測試標(biāo)準(zhǔn)和方法，為無線覆蓋分析、服務(wù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)提供手段，為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整提供依據(jù)。

測試系統(tǒng)應(yīng)該具有全面的QoS指標(biāo)測試功能，以達(dá)到對GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效評估的目的，同時(shí)還應(yīng)有生動(dòng)的數(shù)據(jù)顯示功能、數(shù)據(jù)存儲和回放功能、數(shù)據(jù)報(bào)表功能。

根據(jù)GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的以往經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際分析，測試功能劃分如圖1所示。

1）場強(qiáng)覆蓋測試

測試指標(biāo)包括：鐵路沿線服務(wù)小區(qū)頻道、GPS位置信息、接收場強(qiáng)等信息。測試中通過GPS采集地理位置信息，通過測試手機(jī)采集場強(qiáng)信息，借以測試軟件綜合歸納為圖表，從而分析網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

2）語音撥打測試

由于鐵路業(yè)務(wù)的特殊性，語音呼叫測試主要包括：鐵路緊急呼叫、同一區(qū)域內(nèi)司機(jī)間的組呼、MS-FT的運(yùn)營呼叫、FT-MS的運(yùn)營呼叫、MS之間的運(yùn)營呼叫、低優(yōu)先級呼叫。此類測試主要是從終端用戶角度對網(wǎng)絡(luò)的語音呼叫性能進(jìn)行測試，指標(biāo)包括：語音呼叫建立時(shí)間、語音呼叫建立成功率、越區(qū)切換中斷時(shí)間及切換終端率。

3）列控類數(shù)據(jù)測試

測試指標(biāo)包括：連接建立時(shí)延、連接建立失敗概率、鏈路斷開（失效）概率、用戶數(shù)據(jù)幀傳送時(shí)延、傳輸干擾時(shí)間TTI、傳輸無差錯(cuò)時(shí)間TREC和網(wǎng)絡(luò)注冊時(shí)延。

4）無線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和事件測試

無線網(wǎng)絡(luò)接口存在大量參數(shù)，這些參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整對整個(gè)GSM-R／GPRS網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作具有相當(dāng)?shù)挠绊?，因此在網(wǎng)絡(luò)測試中需要對這些參數(shù)進(jìn)行跟蹤與測試。切換、注冊等無線網(wǎng)絡(luò)事件直接反映網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，是測試中非常關(guān)心的內(nèi)容。這部分內(nèi)容應(yīng)包括：無線網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、發(fā)生事件前后網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化情況、事件發(fā)生的成功率、事件失敗的原因。從對無線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和信令的測試中能夠清晰看出事件發(fā)生及失敗的原因，從而檢測實(shí)際中無線網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生的情況是否和規(guī)劃時(shí)考慮的一致，修整不合理的參數(shù)設(shè)置。

2.2 測試系統(tǒng)組成

根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)測試內(nèi)容以及在高速鐵路中的測試需求，本系統(tǒng)通過圖形化界面控制測試設(shè)備完成場強(qiáng)覆蓋測試、語音撥打測試、列控?cái)?shù)據(jù)測試等各類測試內(nèi)容，將采集的數(shù)據(jù)以圖表及二維坐標(biāo)圖形實(shí)時(shí)顯示，并存儲于數(shù)據(jù)庫，用以備份作為后續(xù)數(shù)據(jù)分析。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，GSM-R測試系統(tǒng)需要測試手機(jī)、GSM-R測試模塊、GSM測試模塊和GPS接收機(jī)，并需要軟件對這些測試設(shè)備進(jìn)行控制。

測試系統(tǒng)配置包括：便攜計(jì)算機(jī)、測試手機(jī)、GPS接收器、數(shù)據(jù)線、網(wǎng)線、信息采集綜合平臺、顯示分析平臺，并配各車載測試用集中供電單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 測試流程

本系統(tǒng)通過GPS獲取測試機(jī)車移動(dòng)的距離，以時(shí)間觸發(fā)方式進(jìn)行測試，采集測試數(shù)據(jù)，并進(jìn)行研究分析。測試流程如圖3所示。

3 測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為Windows XP，開發(fā)平臺為VS（版本為Microsoft visual studio 2010），主要完成用戶界面和模塊調(diào)用及各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。具體開發(fā)環(huán)境如表1所示。

表1 測試系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

3.1 系統(tǒng)模型

整個(gè)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以分為3層：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和用戶層。數(shù)據(jù)采集層和數(shù)據(jù)處理層通過串口進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)處理層和用戶層通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1）數(shù)據(jù)采集層

信息采集層的功能是控制測試手機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作，對于測試手機(jī)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行解幀，然后按照統(tǒng)一規(guī)定的信息幀格式將數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)處理層。采集控制命令及配置參數(shù)通過RS-232串口、USB端口、網(wǎng)絡(luò)端口傳送到測試手機(jī)和GPS接收機(jī)。采集到的場強(qiáng)信息和其他QoS參數(shù)通過RS-232串口、USB端口、網(wǎng)絡(luò)端口發(fā)回?cái)?shù)據(jù)采集控制單元。

2）數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的分析、存儲和回放。

*數(shù)據(jù)存儲模塊：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲。

*分析模塊：負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)分析接收的數(shù)據(jù)，分析網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。采用Lee氏定律、統(tǒng)計(jì)法等對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

*回放模塊：播放存儲的數(shù)據(jù)，可以輸入不同的鐵路區(qū)間，查看這段區(qū)間內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量信息。

用戶層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示以及測試參數(shù)的設(shè)置。主要有控制中心和測試配置模塊。

*控制中心：負(fù)責(zé)測試系統(tǒng)和測試人員的交互，傳遞測試指令，接收和顯示測試數(shù)據(jù)。

*測試配置模塊：用于設(shè)置測試類型和測試參數(shù)。

3.2 模塊劃分

測試系統(tǒng)包括圖形用戶界面、測試流程控制模塊、數(shù)據(jù)展現(xiàn)窗口模塊、數(shù)據(jù)解析及日志記錄模塊、測試數(shù)據(jù)回放模塊及串口操作模塊；其中測試流程控制模塊與圖形用戶界面、數(shù)據(jù)解析及日志記錄模塊連接，數(shù)據(jù)展現(xiàn)窗口模塊與首選項(xiàng)配置模塊、數(shù)據(jù)解析及日志記錄模塊連接。各個(gè)模塊之間的關(guān)系如圖5所示。

3.3 模塊設(shè)計(jì)

1）圖形用戶界面

圖形用戶界面用來對硬件系統(tǒng)及定位設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，導(dǎo)入有用的數(shù)據(jù)文件，并將設(shè)置的結(jié)果提供給測試流程控制模塊。

電廠汽輪機(jī)在檢修維護(hù)中涉及了較多的作業(yè)內(nèi)容，其中主要的幾類檢修維護(hù)內(nèi)容為：葉輪的檢修及維護(hù)、汽輪機(jī)異響，振動(dòng)現(xiàn)象的檢修及維護(hù)、汽輪機(jī)凝汽器的檢修及維護(hù)、汽輪機(jī)油系統(tǒng)的檢修及維護(hù)、汽輪機(jī)大軸的檢修及維護(hù)。

2）測試流程控制模塊

通過模塊配置，控制各硬件進(jìn)行測試流程。對數(shù)據(jù)解析及日志記錄模塊提供的不同事件、控制硬件模塊做出相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，比如手機(jī)收到的數(shù)據(jù)如果是通話建立成功，則可以控制手機(jī)斷開從而進(jìn)行下一次通話。

3）數(shù)據(jù)展現(xiàn)窗口模塊

用于顯示數(shù)據(jù)解析及日志記錄模塊輸出后的各種信息。

4）數(shù)據(jù)解析及日志記錄模塊

提供對各硬件模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并生成相應(yīng)的事件，將數(shù)據(jù)和事件記錄到日志文件中；同時(shí)為數(shù)據(jù)展現(xiàn)窗口提供解析后的數(shù)據(jù)，為測試流程控制模塊提供各種事件。

5）測試數(shù)據(jù)回放模塊

對日志文件進(jìn)行回放，再現(xiàn)測試的整個(gè)流程；查看任意一點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

6）串口操作模塊

提供串口連接、斷開、寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)等操作。

4 測試功能實(shí)現(xiàn)

4.1 圖形用戶界面

如圖6所示，無線網(wǎng)絡(luò)測試軟件菜單欄從左到右分別為文件、工具、測試、回放、視圖和幫助等6項(xiàng)。

1）文件

包含連接、斷開、數(shù)據(jù)文件保存目錄設(shè)置、導(dǎo)入基站數(shù)據(jù)、輸入起始里程、退出系統(tǒng)等功能。

2）工具

包含發(fā)送AT指令、語音撥號、CSD數(shù)據(jù)撥號、生成EXCEL統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。

3）測試

包含開始測試、暫停測試、繼續(xù)測試、停止測試、重新?lián)芴柕裙δ堋?/p>

4）回放

對已保存數(shù)據(jù)的回放功能，包含.dat文件及.csv文件的打開。

5）視圖

對視圖版面相關(guān)的調(diào)整等功能。

6）幫助

測試軟件的相關(guān)幫助文檔。

4.2 測試成果演示

在武廣客運(yùn)專線武漢站附近10 km左右的區(qū)域，進(jìn)行功能測試。

測試指標(biāo)包括鐵路沿線服務(wù)小區(qū)頻道、GPS位置、接收場強(qiáng)等信息。實(shí)測中對GSM-R頻段進(jìn)行掃描，輸出的場強(qiáng)電平信息、越區(qū)切換信息、信號質(zhì)量信息、列車運(yùn)行軌跡等，相關(guān)功能如圖7、8所示。

由于測試路徑距鐵軌有一定的橫向距離，且信號接收于車體內(nèi)部，建筑物、橋梁以及車體本身的遮擋對接收信號強(qiáng)度有一定的衰減。經(jīng)分析，測試軟件能正常完成場強(qiáng)測試要求，并準(zhǔn)確記錄場強(qiáng)信息。

5 結(jié)束語

本文介紹了無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測試工具的主要功能需求以及模塊設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)方案，通過模擬測試及試用，測試系統(tǒng)能準(zhǔn)確無誤的將場強(qiáng)、語音撥打、列控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)刃畔⒉杉⒄限D(zhuǎn)存于數(shù)據(jù)庫中，方便分析可能的質(zhì)量隱患或故障，從而制定網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整方案，確保GSM-R網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。測試工具要有待經(jīng)工程實(shí)際測試應(yīng)用后進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，使之更符合應(yīng)用需求。

[1]李航，劉宏志.基于ESPI的GSM-R場強(qiáng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，27

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[2] TB10418-2003鐵路運(yùn)輸通信施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] Nick Randolph，David Gardner，Michael Minutillo.Visual Studio 2010高級編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.