高速环境对GSM-R通信质量的影响

高速环境对高速环境对 GSM R 通信质量的影响分析通信质量的影响分析 中文摘要 我国的高速铁路普遍采用 CTCS 3 级列控系统 通过 GSM R 无 线网络提供的电路域数据业务实现车地信息双向传输 相比于低速 或者静止条件 在高速条件下车地信息传输会受到多普勒频移 快 速多变多径效应 频繁越区切换等因素的影响 导致出现数据误码 率增大 传输异常中断等问题 会在一定程度上影响列车控制系统 的安全性和可靠性 关键词 高速 列车控制系统 GSM R 网络 数据传输 Abstract China train control system level 3 is widely used in the high speed railways across China and data transmission between onboard and trackside in CTCS 3system is provided by circuit switch data services of GSM R network Compared to low speed or static conditions data transmission under high speed conditions is suffered from problems of frequently short interruptions data error rate increasing and transmission abort issues due to some adverse effects such as Doppler shift fast changing multi path effect frequent handoff and other factors It will affect the security and reliability of the train control system KEYWORDS High speed Train control system GSM R network Data transmission 目 录 1 绪 论 1 1 1 我国列控系统的发展 1 1 2 GSM R 系统概述 1 1 3 CTCS 3 级列车运行控制系统 1 2 高速铁路环境下 GSM R 网络电路域数据传输分析 2 2 1 GSM R 网络数据传输方式和传输流程 2 2 1 1 数据传输方式 2 2 1 2 电路域数据接入和传输流程 4 3 高速环境下的小区规划 6 4 高速环境下影响 GSM R 的一些效应 7 4 1 快速多变多径效应 7 4 2 多普勒效应 7 4 3 频繁越区切换 8 参考文献 9 1 绪 论 1 1 我国列控系统的发展 我国研究和发展列控系统已有约 20 年的时间 尤其是近 10 年来 我国列 控 系统的研究 建设取得了较快的发展 在借鉴和研究国外典型列控系统技术体 系的基础上 充分结合我国列车种类繁多 线路复杂 客货混跑 高低速列车 共线运行等实际情况 2002 年铁道部确定了发展中国铁路列车运行控制系统 简 称 CTCS 的战略 将中国列车控制系统 CTCS China Train Control System 划分 成 5 个等级 包括 CTCS 0 级 CTCS 1 级 CTCS 2 级 CTCS 3 级 CTCS 4 级 CTCS 0 级列控系统由通用机车信号和列车运行监控装置组成 CTCS 1 级列控系统由主体信号和安全性列车运行监控装置组成 面向 160km h 以下的区段 CTCS 1 级列控系统采取大贮存的方式把线路数据全 部贮存在车载设备中 靠逻辑推断地址调取所需的线路数据 结合列车性能计 算给出目标距离式制动曲线 同时 CTCS 1 级列控系统在 CTCS 0 级基础 上增加点式设备 实现了列车运行安全监控的功能 是对 CTCS 0 级列控系统 的全面加强 CTCS 3 级列车运行控制系统是基于 GSM R 无线通信实现车地信息双向 传输 无线闭塞中心生成行车许可 轨道电路实现列车占用检查 应答器实现 列车定位 并具备 CTCS 2 级功能的列车运行控制系统 是当前高速客运专线 发展领域的重要研究和发展对象 2009 年 12 月武广高速铁路和 2010 年 2 月郑 西高速铁路的正式投入运营 标志着 CTCS 3 级列车运行控制系统已成为中国 铁路时速大于 300km 客运专线的重要技术装备 1 2 GSM R 系统概述 GSM R 是一种基于目前世界最成熟和通用的公共无线通信系统 GSM 平 台上的 专门为满足铁路应用而开发的数字式的无线通信系统 针对铁路通信 列车调度 列车控制 支持高速列车等特点 为铁路运营提供定制的附加功能 的一种经济高效的综合无线通信系统 GSM R 系统很多技术借鉴了公网的 GSM 技术 保留了 OSM 的大体结构 使得从一开始 GSM R 系统就是一个成 熟可靠的系统 它的绝大多数软硬件都已在现网中得到检验 不仅如此 由于 二者都可以工作在 900M 频段 因此在无线网络规划方面也是基本相同的 GSM R 系统的规划 设计也可借助于已成熟的 GSM 系统工具 可以方便快捷地为用户提供网络设 计安装 它基于 GSM 的基础结构及其提供的电信业务 提供了铁路特有的基 础业务 并以此作为一个信息化的平台 使得用户可以在这个信息平台上开发 各式各样的铁路应用业务 1 3 CTCS 3 级列车运行控制系统 在 CTCS 3 级列控系统中 车载设备通过无线网络向地面无线闭塞中心 RBC 设备汇报列车位置 请求移动授权 接收并执行来自地面 RBC 设备的控制命令 控制列车安全运行 地面设备通过无线网络向车载设备发送移动授权 实现速 度限制 紧急停车等功能 远程对高速列车的运行进行调度控制 GSM R 无 线网络是 CTCS 3 级列控系统车载设备和地面设备间的传输媒介 CTCS 3 级列控系统通过 GSM R 无线网络进行车地信息传输的交互 CTCS 3 级列控 系统对 GSM R 网络提出了如下相关承载业务和特性需求 1 电路交换模式下的数据传输 2 数据传输允许多速率数据流 即速率自适应 3 异步透明传输模式 4 全速率无线信道 为保障 CTCS 3 级列控系统的高度安全可靠 必须保证车载和地面设备随 时随地都能高效 可靠通信 2 高速铁路环境下 GSM R 网络电路域数据传输分析 2 1 GSM R 网络数据传输方式和流程 2 1 1 数据传输方式 GSM R 网络提供了两种数据传输方式 电路域数据传输和分组域数据传 输 电路域数据传输采用传统的以电路连接为基础的交换方式 在 GSM R 网络数 据传输中被称为 CSD 业务 电路域数据传输的整个过程大致分为建立线路 占 用 线路并进行数据传输 释放线路三个阶段 应用于列控系统中 在进行数据传 输 时 首先需要在车载设备和地面设备间建立起通信链路 该数据传输方式的实 时 性和可靠性好 符合列控业务的数据传输需求 分组域数据传输方式使得用户 能够在端到端分组传送模式下发送和接收数据 由于无线资源采用动态分配方 式 一个用户可分配多个时隙 一个时隙也可由多个用户共享 用户虽然与网 络一直连接 但仅当有数据传送时才占用无线信道资源 属于非安全性的数据 传输业务 1 电路域数据传输 GSM R 网络提供的典型电路域数据传输业务接入方式如图 2 1 所示 TE 终端设备 BSS 基站子系统 MSC 移动交换中心 MT 移动终端 ISDN 综合业务数字网 图 2 1 GSM R 网络电路域数据传输业务接入框图 2 分组域数据传输 GSM R 网络提供的典型分组域数据传输业务接入方式如图 2 2 所示 TE 终端设备 BSS 基站子系统 MSC 移动交换中心 MT 移动终端 SGSN GPRS 业务支持节点 GGSN GPRS 网关支持节点 图 2 2 GSM R 网络分组域数据传输业务接入框图 应用于分组域传输方式的 GPRS 网络在 GSM R 原有网络的基础上增加了 GPRS 业务支持节点 SGSN 和 GPRS 网关支持节点 GGSN 两个功能实体 SGSN 相当于传统 GSM 系统中的 MSC VLR 主要功能是对移动台进行鉴权 移动性管理和路由选择 GGSN 是用于接入外部数据网络和业务的节点 SGSN 和 GGSN 的功能可以在一个物理节点内实现 也可以放置在不同的物理节点内 GPRS 共用 GSM R 系统的基站 但 BSC 需要增加处理分组数据及无线分组信 道管理的分组控制单元 PCU 同时 BSC 中还要增加新的移动性管理软件 分 组域传输方式的移动终端需要支持 GPRS 业务 GPRS 分组域数据传输通道建 立成功后 移动端和固定端都被 GGSN 分配一个口地址 双方通过 TCP IP 方 式进行数据交互 无论是电路域数据传输还是分组域数据传输 数据传输有两 种模式 透明和非透明模式 1 透明模式 对于透明模式 信息流通过无线信道时由无线信道传输方案提供的前向纠错 机制完成纠错 在传输速率较低的情况下 采用透明模式能得到较好的传输效 果 2 非透明模式 对于非透明模式 除了由无线信道传输方案提供的前向纠错机制外 还使用 了差错重发机制 如果另一端不能正确收到本端发送的信息时 本端应能重发 该 信息 非透明模式的残余误码率优于透明模式 但是它的吞吐量和传输时延会 随 着无线信道传输质量的改变而变化 2 1 2 电路域数据接入和传输流程 在进行电路域数据传输时 电路域数据主叫应用设备首先要通过 AT 指令 控制 GSM R 无线模块拨号 无线模块根据接入指示将被叫信息传输给 GSM R 网络 由 GSM R 网络根据被叫号码寻找相应的被叫实体 分配相应 的数据传输通道 呼叫建立成功后 双方就可以进行正常的数据交互 应用数 据经过一系列速率适配和协议处理 传送至对端 即完成了数据的发送和接收 传输完毕 一方控制挂断 释放数据链路 目前 GSM R 网络电路域数据业务 主要应用于移动车载设备呼叫地面固定设备 数据接入和传输的具体流程如图 2 3 所示 图 2 3 GSM R 电路域数据接入与传输流程图 图2 3中左侧为移动主叫设备 对应于CTCS 3级列控系统车载无线控制单 元和GSM R无线模块 右侧为地面侧固定设备 对应于CTCS 3级列控系统地 面无线闭塞中心 车载进行呼叫时 首先要检测无线模块的网络注册状态及接 收电平 如果成功注册网络且接收电平满足通信需求 则通过AT CBST指令设 置电路域数据传输业务的承载速率 目前国内列控相关业务使用的数据传输速 率主要有9600bps和4800bps两种 9600bps的数据承载速率主要应用于中低速线 路 如大秦线 青藏线 对于时速超过300kin的高速列控线路 例如CTCS 3 级列控线路 主要使用4800bps的业务承载速率 原因是在高速条件下无线信道 的质量会出现一定程度的恶化 9600bps的电路域数据传输误码率无法达到规定 的指标要求 承载速率设置完毕 通过AT命令朋m 被叫号码执行呼叫 尝试 连接被叫侧的应用实体 如果接入正常 返回CONNECT连接成功 则GSM R 无线模块可以由空闲模式正式转入专用模式 进入正常的数据传输过程 如果 GSM R网络或应用实体在传输过程中出现异常 传输会被断开 车载侧 GSM R无线模块返回NO CARIEER AT指令 表明GSM R无线模块退出专用 模式 返回空闲模式 地面侧PRI接口会通过正常的呼叫挂断信令通知被叫用户 释放相关资源 如果传输过程中未出现异常 传输完毕 主叫侧可以通过正常 的ATH或将串口DTR信号置低挂断当前呼叫 地面侧PRI接口同样会通过正常 的呼叫挂断信令通知被叫用户 释放相关资源 3高速环境下的小区规划 高速铁路环境下的 GSM R 系统需要在时速 200 350km h 下运行 要为列 控系统提供双向信息传输通道 并提供无线列调 车次号及调度命令信息传送 区间公务移动通信等业务 参照欧洲规范 GSM R 网络的最小接收电平建议 为 92dBm 95 覆盖率 机车天线顶部接收 沿铁路线实现场强无缝连续覆 盖并达到系统 QoS 要求是无线网络规划的一项重要任务 铁路沿线的场强覆 盖规划 一般可根据场强覆盖预测模型进行电波的传播预测 在实现无线信号 无缝覆盖的基础上 还应该根据线路最高设计时速对切换重叠区进行很好地规 划 保证足够的重叠区长度 以满足快速越区切换的需要 重叠区域的设置对 越区切换的影响很大 若重叠区太小 可能会出现弱场 导致切换中接收不到 信令而通信中断 若重叠区太大 会导致严重的同频干扰 对列控通信质量造成 不利影响 因此要想解决好铁路沿线的切换问题 需要合理设计重叠区域的大 小 在 GSM R 网络中 根据小区的覆盖半径可以将小区分为三类 宏小区 小 区和微小区 在宏小区中 基站的天线安装位置一般要超过周围房顶的最高高 度路径损耗主要取决于移动台周围房顶的衍射和散射 主要射线是在房顶上传 播的 宏小区的半径最小 1km 一般均超过 3km 对于宏小区可以采用 Hata 宏蜂窝传播模型 150 l000MHz 来计算路径损耗 宏小区覆盖适用于城市 郊区和乡村地区的铁路环境 高速环境下的小区覆盖类型主要为宏小区 而其 它两种覆盖主要适用于在车站或者编组站等环境 决定重叠区长度的因素有两 个 切换距离和切换容限 这里只论述前者 切换距离即为从触发切换开始到 切换完成之间列车所行进的距离 切换距离主要取决于列车速度 如果不单独 考虑列车速度和切换时间的影响 则分别计算 中小城市环境 郊区环境 乡 村准开放环境以及乡村开放环境下四种情况下的切换带长度对于重叠区长度的 影响 一般来说 切换距离与重叠区长度呈简单的线性关系 切换带越长 则 重叠区越长 并且在相同切换带长度时 重叠区长度依中小城市到乡村开放环 境次序增长 重叠区的长度主要取决于不同环境下的小区覆盖半径 4高速环境影响 GSM R 的一些效应 4 1 快速多变多径效应 在铁路环境中 铁路沿线的各种反射和散射体都沿铁路两侧随机的分布 铁 路沿线的地形主要分为以下几种 平原开阔 平原丛林 山区 桥梁 隧道 城 区和涵洞 路堑 高架桥 车站 市区等 铁路两旁具有隔离防护网 交流电 气 化铁路的高架电网 形成了一种特殊的带状无线通信环境 当列车在平原行驶 电波传播主要受地面反射的影响 绕射 反射都很弱 当列车在山区 丘陵和 路 堑区段行驶时 铁路沿线分布的障碍物较多 电波会发生复杂的反射 绕射和 散 射 多径效应比较明显 根据在路堑地段的步行实际测试 在同一位置接收的 电 平波动幅度会达到 10 15dB 特别是在带有弯道的路堑区段 上行通话效果较 差 当列车行驶经过车站或者在车站停留时 此时的传播环境类似于市区的地 形环境 唯一不同的是 车站存在站棚 或者有天桥和高架通道 也会带来一 些多径效应 多径衰落可以从空间和时间两个方面来描述和测试 从空间角度来看 沿 列车运动方向 接收信号的幅度随着距离变动而衰减 其中本地的反射物所引 起的多径效应呈现较快的幅度变化 从时域角度来看 由于各个路径的长度不 同 信号到达接收端的时间就不同 这样 如从基站发送一个脉冲信号 则接 收信号中不仅包含该脉冲 而且还包含它的各个时延信号 这样由于多径效应 引起的接收信号中脉冲的宽度扩展现象 称为时延扩展 时延扩展会影响移动 通信系统的通信质量 4 2多普勒效应 由于列车的不断运动 固定点接收到的载波频率将随运动速度的不同 产 生 不同的频率偏移 这种现象称为多普勒效应 而在高速铁路环境下 高速列车 的 移动速度要远高于一般的汽车的移动速度 故它的多普勒频移加大 衰落现象 更 加严重 由于列车和基站之间的相对运动 或者是多信道环境中物体的运动引 起无线信道的时变特性 因此在无线数字通信中 接收端每隔一段时间即要对 信道进行估计 用来捕获信道的时变信息 及时调整接收端的信道模型 多普 勒扩展和相干时间就是描述信道时变特性的两个参数 对于高速铁路环境 采用的覆盖方式为线状覆盖而非面状覆盖 绝大多数 情 况下