既有高速鐵路GSM-R動態(tài)檢測探討

張弘毅，蔣志勇，周瑞文

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司?通信信號研究所，北京???100081；2.北京華鐵信息技術(shù)有限公司，北京???100081）

綜合檢測列車[1]裝載滿足鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R系統(tǒng)）[2]檢測規(guī)范的檢測系統(tǒng)，檢測天線安裝在綜合檢測列車頂部。高速鐵路GSM-R動態(tài)檢測是指綜合檢測列車按規(guī)定速度運行，動態(tài)檢測GSM-R場強覆蓋、GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量等項目是否滿足設(shè)計和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的測試。依據(jù)動態(tài)檢測結(jié)果，對鐵路沿線GSM-R系統(tǒng)進行客觀評價，并指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，動態(tài)檢測數(shù)據(jù)對新建線路GSM-R網(wǎng)絡(luò)開通和既有運營線GSM-R維護至關(guān)重要。

1 既有高速鐵路GSM-R動態(tài)檢測概述

既有高速鐵路GSM-R動態(tài)檢測是指高速鐵路按350?km/h開通運營后，但以 300?km/h降速運營，在恢復(fù)設(shè)計速度運營前再次進行的高速鐵路動態(tài)檢測。針對CTCS-3級列控系統(tǒng)[3]（簡稱C3）既有運營高速鐵路，使用2列CRH380AJ型高速綜合檢測列車A、B，對既有GSM-R系統(tǒng)進行4?d動態(tài)往返檢測，驗證動車組按設(shè)計速度運行條件下GSM-R系統(tǒng)的性能是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。既有高速鐵路GSM-R系統(tǒng)動態(tài)檢測包括GSM-R場強覆蓋和GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量檢測[4-5]。

（1）GSM-R場強覆蓋檢測。綜合檢測列車按規(guī)定速度運行條件下，檢測和統(tǒng)計95%時間地點概率條件下的接收電平[6]，重點查找以下區(qū)段：①越區(qū)覆蓋基站和區(qū)段；②基站之間覆蓋范圍嚴(yán)重不均衡的區(qū)段等。根據(jù)檢測結(jié)果，可對GSM-R基站的發(fā)射功率、天線方向角、天線俯仰角等參數(shù)進行合理調(diào)整，對GSM-R場強覆蓋進行優(yōu)化處理。

（2）GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量檢測。既有高速鐵路GSM-R系統(tǒng)承載CTCS-3級列控?zé)o線傳送業(yè)務(wù)，主要采用單網(wǎng)交織組網(wǎng)方案[7]，GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量檢測內(nèi)容包括：語音通信服務(wù)質(zhì)量檢測、分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量檢測和列控運行控制類電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量檢測[4]。GSM-R語音業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量檢測包括呼叫建立時間、呼叫建立失敗概率、切換成功率、切換中斷時間、組呼建立時間及失敗概率、緊急呼叫建立時間及失敗概率；分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量檢測包括GPRS數(shù)據(jù)傳送時延、數(shù)據(jù)吞吐量指標(biāo)；列控運行控制類電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（CSD）服務(wù)質(zhì)量檢測包括網(wǎng)絡(luò)注冊時延、CSD連接建立時延、CSD連接建立失敗率、CSD數(shù)據(jù)傳輸端到端時延、CSD連接丟失概率、CSD傳輸干擾率（CSD干擾時間、CSD無差錯時間）[1，4，8]。

2 存在的問題及其優(yōu)化

C3高速鐵路GSM-R系統(tǒng)承載CTCS-3級列控業(yè)務(wù)，C3最高運營速度為350?km/h，CTCS-2級列控系統(tǒng)（簡稱C2）最高運營速度為300?km/h，地面無線閉塞中心（RBC）與列車無線通信超時故障是當(dāng)前高速鐵路運營中比較常見的一類故障[9]。無線超時會使列車輸出制動，導(dǎo)致列車從C3級降級到C2級運行，從而影響運輸組織和運營效率[10]。CSD傳輸干擾率（含CSD干擾時間和CSD無差錯時間）是GSM-R服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)中的重要項目，描述GSM-R誤碼性能對列車控制信息傳輸?shù)挠绊懗潭萚11]，是既有C3高速鐵路動態(tài)檢測工作的重點，動態(tài)檢測過程中發(fā)現(xiàn)影響CSD傳輸干擾率達(dá)標(biāo)的3個方面如下。

2.1 外部干擾導(dǎo)致通信質(zhì)量差產(chǎn)生誤碼

K7附近CSD傳輸干擾率測試時接收電平、接收質(zhì)量分別見圖1和圖2。外部干擾導(dǎo)致質(zhì)差7級，從而影響CSD傳輸干擾時間及無差錯時間，詳細(xì)信息見表1。

圖1 K7附近CSD傳輸干擾率測試時接收電平

圖2 K7附近CSD傳輸干擾率測試時接收質(zhì)量

表1 K7附近CSD傳輸干擾率測試詳細(xì)信息

2.2 切換位置不合理影響CSD無差錯時間

（1）K572附近CSD傳輸干擾率測試時接收電平見圖3。在K572附近，移動測試終端從原基站QFDTZD10向目標(biāo)基站QFD-TZD11運動，切換位置嚴(yán)重偏出設(shè)計預(yù)設(shè)切換區(qū)域，影響CSD無差錯時間指標(biāo)。造成該現(xiàn)象的原因是：基站QFD-TZD10覆蓋電平大于-47?dBm時不觸發(fā)功率切換，直到接近目標(biāo)基站QFD-TZD11后基站QFD-TZD10的信號電平下降并滿足功率切換條件后才發(fā)生切換。詳細(xì)信息見表2。

圖3 K572附近CSD傳輸干擾率測試時接收電平

表2 K572附近CSD傳輸干擾率測試詳細(xì)信息

（2）K1091附近CSD傳輸干擾率測試時接收電平見圖4。在K1091附近，移動測試終端從原基站NJNZJX15向目標(biāo)基站ZhenJiangXi運動切換位置，越過基站ZhenJiangXi后才發(fā)生切換，造成越區(qū)切換現(xiàn)象從而影響CSD無差錯時間指標(biāo)。造成該現(xiàn)象的原因是：基站NJN-ZJX15場強電平一直大于-47?dBm，直到越過目標(biāo)基站ZhenJiangXi后電平下降，并滿足功率切換條件后才發(fā)生切換。詳細(xì)信息見表3。

圖4 K1091附近CSD傳輸干擾率測試時接收電平

表3 K1091附近CSD傳輸干擾率測試詳細(xì)信息

2.3 系統(tǒng)內(nèi)鄰頻干擾造成異常誤碼

K1255附近CSD傳輸干擾率測試時接收電平、接收質(zhì)量分別見圖5和圖6。在K1255附近，同站址雙基站YCH-SZYQ02A、YCH-SZYQ02B位置在基站SZBKSN04（BCCH?1009）與基站YCH-SZYQ01之間，基站SZB-KSN04（BCCH?1016）、基站 YCH-SZYQ01（BCCH?1015）鄰頻，基站SZB-KSN04的場強電平值在基站YCH-SZYQ02A與基站YCH-SZYQ01切換區(qū)域仍有-60??dBm以上的強信號，對移動終端切換至基站YCH-SZYQ01后存在一定程度的網(wǎng)內(nèi)干擾，導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)誤碼，影響CSD傳輸無差錯時間指標(biāo)。詳細(xì)信息見表4。

圖5 K1255附近CSD傳輸干擾率測試時接收電平

圖6 K1255附近CSD傳輸干擾率測試時接收質(zhì)量

表4 K1255附近CSD傳輸干擾率測試詳細(xì)信息

既有C3高速鐵路經(jīng)過開通前聯(lián)調(diào)聯(lián)試和開通后日常運營維護，GSM-R網(wǎng)絡(luò)已日趨合理。在本次動態(tài)檢測中，其GSM-R系統(tǒng)的場強覆蓋、語音通信服務(wù)質(zhì)量、分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量和列控運行控制類電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，動態(tài)檢測過程中僅對CSD干擾率指標(biāo)下降地點（簡稱劣化點）進行整改優(yōu)化，并清除了個別地點附近的外部干擾信號，對部分區(qū)段場強過覆蓋或覆蓋過強進行了調(diào)整，通過場強覆蓋調(diào)整和參數(shù)調(diào)整使越區(qū)切換位置更加合理。

3 檢測數(shù)據(jù)差異性對比分析

分析檢測數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，2列綜合檢測列車的傳輸干擾率檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果相近，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但同列綜合檢測列車在不同運行方向的傳輸干擾率檢測數(shù)據(jù)存在一定差異，而且不同列綜合檢測列車運行方向相同時傳輸干擾率檢測數(shù)據(jù)也存在一定差異。檢測數(shù)據(jù)的差異除個別偶發(fā)外界干擾導(dǎo)致，主要是越區(qū)切換位置差異導(dǎo)致的CSD傳輸無差錯時間差異。當(dāng)綜合檢測列車的1車處于綜合檢測列車運行前方（通信檢測系統(tǒng)位于綜合檢測列車的前半段）時，相鄰基站間的切換位置相對比較合理；而當(dāng)綜合檢測列車的8車處于綜合檢測列車運行前方（通信檢測系統(tǒng)位于綜合檢測列車的后半段）時，相鄰基站間的切換位置相對比較滯后，部分區(qū)段甚至出現(xiàn)綜合檢測列車通過基站后才觸發(fā)切換的現(xiàn)象，例如圖3（基站下發(fā)生越區(qū)切換）和圖4（越過基站后發(fā)生切換）中的情況，這種切換位置的差異會對CSD傳輸干擾率的調(diào)整優(yōu)化帶來困擾。

在動態(tài)檢測第3天和第4天，安排相同車體類型的綜合檢測列車A、B進行場強覆蓋和CSD傳輸干擾率動態(tài)對比試驗，并在第3天檢測結(jié)束后申請2列綜合檢測列車前進端換端。綜合檢測列車運行方向及其前進端信息見表5。

表5 綜合檢測列車運行方向及其前進端信息

3.1 GSM-R場強覆蓋對比

第3天、第4天測試過程中GSM-R基站的功率、天線俯仰角、天線方向角等均保持不變，對比不同綜合檢測列車（A/B）、不同運行方向（上行/下行）、不同車體朝向（檢測設(shè)備在綜合檢測列車前端/后端）在相同區(qū)段的場強測試數(shù)據(jù)。合并第3天、第4天綜合檢測列車A、B各自上、下行方向GSM-R場強覆蓋測試數(shù)據(jù)，選擇相同的區(qū)間進行對比，典型的場強覆蓋對比見圖7—圖10（圖中均為95%時間、地點概率下的場強覆蓋電平統(tǒng)計值）。

圖7 第3天綜合檢測列車A上、下行方向GSM-R場強覆蓋對比

圖8 第4天綜合檢測列車A上、下行方向GSM-R場強覆蓋對比

圖9 第3天綜合檢測列車B上、下行方向GSM-R場強覆蓋對比

圖10 第4天綜合檢測列車B上、下行方向GSM-R場強覆蓋對比

對比綜合檢測列車A、B當(dāng)天不同運行方向場強覆蓋可以得出：（1）被測基站在綜合檢測列車上、下行不同測試條件下的場強覆蓋趨勢保持一致；（2）大部分地點的場強電平值相差不大，波動值較小，但在一些地點（圖中以紅色圓圈表示）的場強值有一定偏差，個別地點甚至超過10??dB，但偏差較大的地點均不在切換交疊區(qū)域。

分別對比綜合檢測列車A和B在第3天和第4天相同地點、相同運行方向的場強覆蓋測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果也有一定差異性，差異值較大的地點有明顯不同，這與綜合檢測列車的車體朝向相反有關(guān)。

對2列綜合檢測列車不同條件下GSM-R場強覆蓋測試數(shù)據(jù)的對比可知，綜合檢測列車運行方向、車體朝向的不同，對GSM-R場強覆蓋的測試結(jié)果有一定影響，但總體影響不大，僅在部分地點會有測試結(jié)果相差較大的情況出現(xiàn)。

3.2 CSD傳輸干擾率對比

既有高速鐵路GSM-R系統(tǒng)承載C3級列控業(yè)務(wù)，移動終端在相鄰基站間切換位置的不合理比較容易造成CSD傳輸干擾率中CSD傳輸無差錯時間指標(biāo)劣化，CSD傳輸干擾率是動態(tài)檢測項目中最難達(dá)標(biāo)的指標(biāo)，也是最能反映C3級列控數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)實際運用效果的一項指標(biāo)。

在第1天、第2天的檢測中發(fā)現(xiàn)，2列綜合檢測列車的檢測結(jié)果存在一定差異性，主要體現(xiàn)在2個方面：（1）同一列綜合檢測列車上、下行檢測結(jié)果有一定差異；（2）不同綜合檢測列車在同為上行（或下行）方向的檢測結(jié)果有一定差異。

例如，第2天檢測中，綜合檢測列車A在下行方向共發(fā)現(xiàn)13個造成CSD傳輸干擾率指標(biāo)下降的地點，在上行方向則發(fā)現(xiàn)30個造成CSD傳輸干擾率指標(biāo)下降的地點。與之相對比的是，綜合檢測列車B在上行方向發(fā)現(xiàn)15個造成CSD傳輸干擾率指標(biāo)下降的地點，在下行方向則發(fā)現(xiàn)30個造成CSD傳輸干擾率指標(biāo)下降的地點。

在檢測過程中發(fā)現(xiàn)，2列綜合檢測列車相同運行方向的GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量檢測結(jié)果存在一定差異，為了進一步驗證差異的規(guī)律性，第3天、第4天安排差異對比試驗，對CSD傳輸干擾率的測試數(shù)據(jù)進行分析，對比不同綜合檢測列車（A/B）、不同運行方向（上行/下行）、不同檢測設(shè)備位置（檢測設(shè)備在列車前端/后端）等條件下相鄰基站間切換位置的差異。第3天與第4天CSD傳輸干擾率指標(biāo)下降地點統(tǒng)計對比見表6。

表6 第3天與第4天CSD傳輸干擾率指標(biāo)下降地點統(tǒng)計對比

從表中可以看出，2列綜合檢測列車2?d共4個往返的檢測中，每列車出現(xiàn)的CSD傳輸干擾率指標(biāo)下降地點的總數(shù)量每天均為40多個，相差不大。同一列在2?d的檢測數(shù)據(jù)按列車運行方向?qū)Ρ却嬖诓灰恢滦?，且正好相反：綜合檢測列車A在第3天下行方向出現(xiàn)的劣化點數(shù)量明顯少于上行方向，而第4天下行方向出現(xiàn)的劣化點數(shù)量則明顯多于上行方向。綜合檢測列車B在第3天下行方向出現(xiàn)的劣化點數(shù)量明顯多于上行方向，第4天下行方向出現(xiàn)的劣化點數(shù)量則明顯少于上行方向。

再按照檢測設(shè)備所在位置進行分析，2列綜合檢測列車2?d的整個檢測范圍CSD干擾率檢測結(jié)果基本一致，均是檢測設(shè)備位于列車運行方向前端時出現(xiàn)的劣化點數(shù)量明顯少于檢測設(shè)備位于列車運行方向后端時的情況，只有不到一半的比例，也與第1天和第2天檢測數(shù)據(jù)的差異性現(xiàn)象一致。

為了進一步印證這一規(guī)律，對第3天和第4天測試中相鄰基站間切換位置的合理性進行梳理和比對。在第4天綜合檢測列車B的檢測數(shù)據(jù)中隨機找出20個切換位置相對比較合理的樣本和20個切換位置相對滯后比較嚴(yán)重的樣本，以這40個樣本去比對第3天綜合檢測列車B在相同區(qū)段的測試樣本，以及綜合檢測列車A在第3天和第4天在相同區(qū)段的測試樣本。

（1）綜合檢測列車B檢測數(shù)據(jù)中切換位置相對合理的樣本在不同列車運行方向、不同車體朝向（第3天與第4天車體朝向不同）條件下的典型對比見圖11、圖12。

（2）綜合檢測列車A在第3天和第4天相同區(qū)段的測試情況見圖13、圖14。

圖11 綜合檢測列車B不同列車運行方向、不同車體朝向切換位置典型對比（情況1）

圖12 綜合檢測列車B不同列車運行方向、不同車體朝向切換位置典型對比（情況2）

圖13 綜合檢測列車A不同列車運行方向、不同車體朝向切換位置典型對比（情況1）

圖14 綜合檢測列車A不同列車運行方向、不同車體朝向切換位置典型對比（情況2）

只有圖14中第4天下行方向切換位置相對滯后，其他測試樣本在綜合檢測列車A上行、下行不同運行方向，以及第3天和第4天不同車體朝向條件下的切換位置都相對比較合理，這個切換位置相對滯后的樣本正好出現(xiàn)在檢測設(shè)備位于綜合檢測列車后端的條件下。

（3）對隨機選出20個區(qū)段的2列綜合檢測列車不同運行方向、不同車體朝向條件下的切換數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果是其中有11個區(qū)段的切換位置都比較合理，而另外9個區(qū)段則有切換位置相對滯后的現(xiàn)象，9個區(qū)段切換位置相對滯后的樣本均出現(xiàn)在檢測設(shè)備位于綜合檢測列車后端的條件下。

（4）對第4天綜合檢測列車B的檢測數(shù)據(jù)中隨機找出20個切換位置相對滯后比較嚴(yán)重的區(qū)段，使用同樣的對比方式，對2列綜合檢測列車不同運行方向、不同車體朝向條件下的切換數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果2列綜合檢測列車只有3個區(qū)段的切換位置比較合理，變化不大，而另外17個區(qū)段不同綜合檢測列車的切換位置均有較大變化。對比結(jié)果顯示：檢測設(shè)備位于綜合檢測列車前端時，相鄰基站間的切換位置相對比較合理；切換位置滯后比較嚴(yán)重的樣本則全部出現(xiàn)在檢測設(shè)備位于綜合檢測列車后端的條件下。

（5）通過對2列綜合檢測列車不同運行方向、不同車體朝向CSD傳輸干擾率測試數(shù)據(jù)的對比，可以得出結(jié)論：①綜合檢測列車車體朝向（通信檢測設(shè)備位置）與運行方向?qū)纬藽SD傳輸干擾率檢測有一定影響，通信檢測設(shè)備位于綜合檢測列車運行方向前端時的CSD傳輸干擾率相對較好，通信檢測設(shè)備位于綜合檢測列車運行方向后端時的CSD傳輸干擾率有所劣化，主要原因是在一些區(qū)段會出現(xiàn)相鄰基站間切換位置比較滯后、甚至越過基站才觸發(fā)切換，從而對CSD無差錯時間等指標(biāo)產(chǎn)生比較明顯的影響。②單列綜合檢測列車進行CSD傳輸干擾率往返測試時，統(tǒng)計了包括不同運行方向、不同車體朝向的檢測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結(jié)果基本一致，無明顯差異。

綜合檢測列車A、B的通信檢測系統(tǒng)均安裝在3號車，CIR、ATP等車載設(shè)備則安裝在1號車、8號車或16號車（16節(jié)編組），動車組正常運行時均使用位于綜合檢測列車最前端的CIR、ATP等車載設(shè)備實現(xiàn)相關(guān)功能。即使3號車位于綜合檢測列車運行方向的前端時，3號車通信檢測系統(tǒng)的檢測條件也與1號車CIR、ATP等車載設(shè)備的實際運用條件存在一定差異，這種差異性的量化是下一步研究的目標(biāo)。

4 結(jié)論與建議

（1）既有C3高速鐵路經(jīng)過開通前聯(lián)調(diào)聯(lián)試和日常運營維護，GSM-R網(wǎng)絡(luò)日趨合理，為恢復(fù)按設(shè)計速度運營而進行的高速鐵路GSM-R動態(tài)檢測，能夠發(fā)現(xiàn)并解決的問題主要是列控運行控制類電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量檢測指標(biāo)劣化。問題產(chǎn)生的原因是干擾（GSM-R系統(tǒng)內(nèi)部、外部）和切換位置不合理，其中切換位置不合理是主要原因。

（2）綜合檢測列車運行方向、車體朝向?qū)SM-R場強覆蓋的測試結(jié)果有一定影響，但不影響總體結(jié)果。

（3）綜合檢測列車車體朝向、運行方向?qū)纬藽SD傳輸干擾率檢測有比較明顯的影響，通信檢測設(shè)備位于綜合檢測列車運行方向前端時的CSD傳輸干擾率指標(biāo)更接近動車組正常運營的場景。

（4）綜合檢測列車進行CSD傳輸干擾率往返測試，檢測結(jié)論統(tǒng)計值相近，差異不明顯。

需要進一步研究綜合檢測列車通信檢測設(shè)備安裝位置與動車組運營設(shè)備（CIR、ATP等車載設(shè)備）安裝位置不同，造成的移動終端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生的差異，并研究采取合理補償措施修正動態(tài)檢測數(shù)據(jù)的可行性。目前建議在綜合檢測列車的兩端均加裝通信檢測采集設(shè)備接入通信檢測系統(tǒng)，檢測過程中使用靠近綜合檢測列車前進端檢測采集設(shè)備進行檢測，更接近于CIR、ATP等車載設(shè)備的實際運用條件，其檢測數(shù)據(jù)更能反映運營列車的真實情況。在目前綜合檢測列車檢測設(shè)備安裝條件下，動態(tài)檢測過程中應(yīng)安排綜合檢測列車換端，使用通信檢測設(shè)備處于綜合檢測列車運行前進端的CSD傳輸干擾率檢測數(shù)據(jù)指導(dǎo)C3級高速鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，提高整改優(yōu)化效率。