CSD數(shù)據(jù)傳輸時延測試持續(xù)丟幀問題分析

邢小琴 王惠生 楊樹忠 郭一鵬

在綜合檢測列車GSM-R網(wǎng)絡電路交換數(shù)據(jù)CSD(Circuit-Switched Data，)傳輸時延測試中，常常發(fā)現(xiàn)持續(xù)丟幀/誤幀現(xiàn)象，有時甚至超過10 km，這樣的現(xiàn)象在多個高鐵線路上頻繁發(fā)生。該問題直接導致:①無法確定出現(xiàn)該現(xiàn)象的區(qū)段網(wǎng)絡是否真存在問題;②如果網(wǎng)絡沒有問題，而是測試軟件的問題，則會影響線路的正常測試。針對這一現(xiàn)象，對問題原因、產(chǎn)生原理進行詳細分析，并在此基礎上提出測試方法的改進建議。

1 問題現(xiàn)象及原理分析

《GSM-R無線網(wǎng)絡覆蓋和服務質(zhì)量 (QoS)測試方法》中，對CSD傳輸時延定義為:移動終端從發(fā)起數(shù)據(jù)幀傳送請求，到該移動終端成功接收并返回數(shù)據(jù)幀之間的時間間隔。采用環(huán)回測試方式，移動測試終端在測試開始時，發(fā)起電路域數(shù)據(jù)呼叫，連接建立后開始向地面固定測試終端發(fā)送測試數(shù)據(jù)幀，地面固定測試終端將收到的數(shù)據(jù)環(huán)回轉(zhuǎn)發(fā)給發(fā)送端，發(fā)送端對接收到的返回數(shù)據(jù)幀進行校驗，對校驗正確的數(shù)據(jù)幀計算傳輸時延。用所測時間間隔的一半作為用戶數(shù)據(jù)幀的傳送時延。測試數(shù)據(jù)幀長度采用30字節(jié) (實際測試采用40字節(jié))，且要求99%以上的統(tǒng)計值應小于500 ms。

在CSD傳輸時延測試中，正常情況下，車載端發(fā)送40字節(jié)數(shù)據(jù)后，在600～1000 ms之間將收到地面端原樣返回的數(shù)據(jù)。車載端發(fā)出數(shù)據(jù)后，測試系統(tǒng)啟動定時器等待8s，若在等待過程中收到錯誤的數(shù)據(jù)或直到定時器超時也沒有收到返回的數(shù)據(jù)，則記為幀丟失 (或幀錯誤)，開始發(fā)送下一個測試數(shù)據(jù)。

案例，2013年11月26日，采用CRH2-150C綜合檢測列車，對京廣高鐵武漢至廣州南段下行線路進行了GSM-R網(wǎng)絡通信檢測，此次測試中采用A和B車載8W通信模塊同時進行CSD數(shù)據(jù)傳輸時延測試，對出現(xiàn)的長時間持續(xù)幀錯誤或丟失的情況進行了統(tǒng)計，見表1。

從表1可以看出，若不考慮測試模塊的不同，則可將持續(xù)幀錯誤/丟失的現(xiàn)象分為2類。

第Ⅰ類，持續(xù)時間長，影響測試距離長，但影響的測試幀數(shù)少。見表1備注欄標記有“▲”的行。在車載測試記錄中表現(xiàn)為發(fā)出測試幀后，沒有收到地面返回的數(shù)據(jù)，等到系統(tǒng)設定的定時器(8 s)超時后才將該測試幀標記為“幀丟失”，同時開始發(fā)送下一個測試幀。在地面服務器測試記錄中觀察到，對于車載測試記錄中的大面積標記為“幀丟失”的數(shù)據(jù)，在地面有接收記錄，但在發(fā)送測試數(shù)據(jù)后沒有返回，從而導致車載測試系統(tǒng)等待超時。

表1 持續(xù)幀錯誤/丟失現(xiàn)象統(tǒng)計

第Ⅱ類，持續(xù)時間比第一類稍短，相同速度條件下，影響測試距離也較短，但影響的測試幀數(shù)較多。見表1中備注欄標記有“△”的行。

對車載測試記錄進行分析發(fā)現(xiàn)，這類現(xiàn)象中連續(xù)2個記錄的時間間隔小于一個測試幀從車載端發(fā)出到接收到地面返回該測試幀所需的正常時間，而按照間隔一個記錄來算，2個時間之差卻正好是一個測試幀的正常測試時間。

舉例說明:圖1右側(cè)記錄中 (對應表中B模塊測試的第8行)，按照測試記錄規(guī)則，第“13401”行與第“13400”的時間差值即為第“13400”測試幀的測試時間，將記錄中相應的時間相減得為141 ms。而此次測試中40字節(jié)的測試幀從車載端發(fā)出到接收到地面返回的數(shù)據(jù)所需時間最小應為297×2=594 ms，平均時間為380×2=760 ms(參考表2中傳輸時延測試統(tǒng)計結果)。141 ms遠小于594 ms，也就是說，此時收到的數(shù)據(jù)并非等待的第“13400”幀。而第“13402”與第“13400”的時間差值為750 ms，接近平均值水平。由此可以推斷，車載測試系統(tǒng)應該是將接收到的網(wǎng)絡干擾數(shù)據(jù) (切換或是其他環(huán)境造成的干擾信號)當成正在等待的數(shù)據(jù)幀接收，并做出幀校驗錯誤的判斷，從而導致了后續(xù)多個數(shù)據(jù)的錯位。

圖1 干擾數(shù)據(jù)導致的幀錯位

表2 2013年11月26日CSD傳輸時延測試結果統(tǒng)計

這類現(xiàn)象可以通過圖1中左側(cè)的時序圖來說明。車載端發(fā)送第N個測試幀后，在較短的時間內(nèi)收到一個來自網(wǎng)絡的干擾數(shù)據(jù)，測試系統(tǒng)將該干擾數(shù)據(jù)當做地面返回的第N個幀接收，經(jīng)過幀校驗錯誤后記為幀丟失 (現(xiàn)有測試系統(tǒng)將幀丟失和幀錯誤統(tǒng)一標記為幀丟失)。同時開始發(fā)送第N+1個測試幀。在等待第N+1測試幀返回的時候，收到了地面返回的第N個數(shù)據(jù)幀，測試系統(tǒng)將其與第N+1幀比較，雖然幀校驗結果正確，但序號不一致，因而第N+1個測試幀的測試結果被判斷為幀丟失，實際上此時的第N+1幀還在傳輸途中。依此循序往復，直到在某次切換或干擾發(fā)生時，第N+m+1幀在傳輸中完全丟失后，從第N+m幀開始測試才會恢復正常。

2013年2月、3月、5月、8月、11月采用B模塊對京廣高鐵進行了傳輸時延測試，并對CSD傳輸時延測試中的持續(xù)丟幀現(xiàn)象進行統(tǒng)計。統(tǒng)計結果:2月16次，3月12次，5月17次，8月21次，11月8次，總共發(fā)生了74次持續(xù)丟幀現(xiàn)象，其中第Ⅰ類現(xiàn)象所占比例為58%，第Ⅱ類現(xiàn)象所占比例為42%。在2013年8月的測試中總共出現(xiàn)21次持續(xù)丟幀現(xiàn)象，為各月測試中出現(xiàn)次數(shù)最多的一回。表3是對京廣高鐵測試中，每月發(fā)生的持續(xù)丟幀/錯誤現(xiàn)象總時間、持續(xù)丟幀/錯誤的總幀數(shù)，以及總共影響的測試距離的統(tǒng)計。可以看到，在2013年8月的測試中，這類現(xiàn)象影響測試距離累計達150 km。這樣的現(xiàn)象在其他線路、用其他型號的測試終端也時有發(fā)生。這樣的丟幀/錯幀現(xiàn)象如果出現(xiàn)在C3列控系統(tǒng)應用中，必然會嚴重影響車-地通信。如果這類現(xiàn)象不是線路本身的原因，而是測試系統(tǒng)的原因，則會影響所測線路部分區(qū)段的測試?？傊@類現(xiàn)象應該得到解決。

表3 京廣高鐵采用B模塊測試按月統(tǒng)計

2 實驗驗證

2.1 第Ⅰ類現(xiàn)象

提取2013年11月26日，采用A和B模塊同時進行CSD數(shù)據(jù)傳輸時延測試時的地面數(shù)據(jù)傳輸記錄，發(fā)現(xiàn)地面測試系統(tǒng)存在收到車載端發(fā)送的數(shù)據(jù)后不返回的情況，正是造成車載測試端出現(xiàn)成片“幀丟失”現(xiàn)象的原因。將地面測試軟件更換為其他相同功能軟件后，在2013年12月多個高鐵線路的測試中，均沒有發(fā)生此類現(xiàn)象。由此可確定為地面測試軟件有問題。

2.2 第Ⅱ類現(xiàn)象

為了證實對第Ⅱ類現(xiàn)象產(chǎn)生原因分析的正確性，在車載端測試軟件中增加了數(shù)據(jù)接收記錄功能來觀察數(shù)據(jù)接收情況。測試時開啟該項記錄功能，對數(shù)據(jù)接收過程進行跟蹤。圖2所示為車載測試系統(tǒng)接收到干擾數(shù)據(jù)的情況:①表示車載測試系統(tǒng)經(jīng)A模塊向地面發(fā)送大小為40字節(jié)的第95號測試幀(倒數(shù)第3、第4位表示幀號)。②表示車載測試系統(tǒng)經(jīng)A模塊收到地面服務器返回的測試幀，幀校驗錯誤表明該數(shù)據(jù)在傳輸過程中受到了干擾。③表示車載測試系統(tǒng)經(jīng)A模塊向地面發(fā)送第96號測試幀。④表示車載測試系統(tǒng)經(jīng)A模塊收到一個干擾數(shù)據(jù)，因其幀頭為7E(7E為測試幀的幀頭)，所以測試系統(tǒng)將其當成地面返回的第96號測試幀，CRC校驗錯誤表明該幀與發(fā)送的96號幀不完全相同。此時距③中的發(fā)送時間間隔僅為32 ms。在測試記錄中已將第96號測試幀記為“幀丟失”。⑤表示車載測試系統(tǒng)經(jīng)A模塊向地面發(fā)送第97號測試幀。⑥表示車載測試系統(tǒng)經(jīng)A模塊收到地面返回的第96號測試幀，校驗正確，但與當前等待的第97號測試幀不相同，因此在測試記錄中將第97號測試幀記為“幀丟失”。

之后的數(shù)據(jù)依此類推，即發(fā)生了測試數(shù)據(jù)大面積持續(xù)丟幀的現(xiàn)象。在車載測試記錄中可以看到，持續(xù)丟幀結束的時候往往發(fā)生在某次切換之后。也就是說，在切換的時候，某個幀的幀頭丟失或整個幀完全丟失時正好結束了幀錯位現(xiàn)象，使得測試恢復正常。

以上實驗證實了第Ⅱ類現(xiàn)象的發(fā)生確實與車載測試系統(tǒng)干擾數(shù)據(jù)的處理方式有關，并且產(chǎn)生的條件是干擾數(shù)據(jù)中有“7E”。

3 測試方法改進建議

圖2 車載測試系統(tǒng)接收到干擾數(shù)據(jù)

由于第Ⅱ類現(xiàn)象出現(xiàn)的原因與車載測試系統(tǒng)對測試中偶然收到的包含“7E”的干擾數(shù)據(jù)的處理方式有關。為了避免這類現(xiàn)象的發(fā)生，可以考慮采用以下2個方案:

1.車載測試系統(tǒng)發(fā)出一個測試幀后，若在小于的時間內(nèi)收到一個數(shù)據(jù)幀，則直接丟棄，繼續(xù)等待當前測試幀。根據(jù)經(jīng)驗△t推薦值為400 ms。

2.車載測試系統(tǒng)若收到CRC校驗結果正確的幀，但是與當前等待幀的幀號不同，則直接丟棄，繼續(xù)等待當前測試幀。試驗中，采用這種歸避方法，消除了第Ⅱ類現(xiàn)象的發(fā)生。

《GSM-R無線網(wǎng)絡覆蓋和服務質(zhì)量 (QoS)測試方法》中對CSD數(shù)據(jù)傳輸時延測試說明:

用戶數(shù)據(jù)傳輸時延的定義為移動終端數(shù)據(jù)幀發(fā)起傳送請求到該移動終端數(shù)據(jù)幀成功接收的時間間隔;地面固定測試端將收到的數(shù)據(jù)幀環(huán)回轉(zhuǎn)發(fā)給發(fā)送端，其轉(zhuǎn)發(fā)反應時間應盡可能小甚至可以忽略;在Igsm(t)接口，用開始傳送移動測試終端數(shù)據(jù)幀 (發(fā)送數(shù)據(jù)幀的第一比特)到接收完從固定測試終端返回來的同一數(shù)據(jù)幀 (接收完數(shù)據(jù)幀的最后一個比特)的時間間隔的一半作為用戶數(shù)據(jù)幀的傳送時延;只統(tǒng)計成功接收到的數(shù)據(jù)幀的傳送時延。

對于上述規(guī)范內(nèi)容，在實際開發(fā)測試系統(tǒng)時會有不同的理解，會做出不同的處理。從測試記錄數(shù)據(jù)中可以看出，現(xiàn)在綜合檢測列車采用的測試系統(tǒng)對于地面服務器返回測試數(shù)據(jù)的處理方法是，地面測試服務器軟件將接收到的、來自車載端的任何數(shù)據(jù)不做任何處理、無延遲地立即返回。如果一個測試數(shù)據(jù)在地面端分兩段甚至多段接收到，也會將多次接收到的數(shù)據(jù)分別返回。也就是說，地面測試服務器不分辨接收到的數(shù)據(jù)片段是數(shù)據(jù)還是干擾，如果接收到來自網(wǎng)絡的干擾數(shù)據(jù)也會返回給車載端。地面測試服務器如果接收到錯誤的測試數(shù)據(jù)也會返回給車載端。地面測試服務器沒有完整接收數(shù)據(jù)并校驗的過程。

若先不考慮單程的話，用戶數(shù)據(jù)傳送時延，應該是發(fā)送端從開始發(fā)送第一個字節(jié)數(shù)據(jù)到地面端接收到最后一個字節(jié)數(shù)據(jù)的時間間隔。由于車載和地面測試系統(tǒng)時間不統(tǒng)一，不能從地面測試系統(tǒng)計算數(shù)據(jù)傳輸時延，所以需要考慮環(huán)回測試的方法。地面測試服務器等接收到完整測試數(shù)據(jù)，再將校驗正確的數(shù)據(jù)返回到車載測試系統(tǒng)，車載測試系統(tǒng)計算的時延則是單程測試的2倍。這樣的方式更符合測試要求，也減少了車載測試系統(tǒng)接收到干擾數(shù)據(jù)的幾率。

4 小結

本文針對高速檢測列車GSM-R網(wǎng)絡CSD傳輸時延測試中的持續(xù)丟幀問題，將測試原理與實際測試中的問題數(shù)據(jù)相結合進行深入分析，找出了持續(xù)丟幀問題的根本原因，并對分析結果進行實驗驗證。進而對現(xiàn)有GSM-R網(wǎng)絡通信檢測系統(tǒng)中的缺陷提出了改進建議。

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