高速环境下GSM-R网络服务质量测试体系的研究及应用

2012-07-13王欣

铁路通信信号工程技术 2012年1期

王欣

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

近几年中国铁路大规模建设，列车速度不断提升，武广、京沪、哈大等客运专线时速都将达到300 km。GSM-R网络承载CTCS-3级列控系统，其服务质量的好坏直接影响到列车的行驶安全，因此，在网络建成后需要多次调整才能使网络达到最佳状态，网络优化已成为系统集成中的关键技术之一。

在每一次网络参数调整后，都需要一套测试系统对网络服务质量进行检测，并希望能从测试过程中找到现行网络的不足之处，对下一轮的网络优化起到指导作用。但目前市场上的测试系统并不能满足这些需求，而且并不适用于高速环境。

本文将主要研究高速环境下的GSM-R网络服务质量测试体系，使其在满足检测GSM-R网络服务质量是否达标的同时，结合列车在高速环境下的特点，对获取的数据进行多角度的分析，从而对网络优化起到辅助作用。

2 体系结构设计

为了完成QoS指标测试，并同时为辅助网络优化提供支持，综合考虑系统可靠性、可用性、扩展性及兼容性，将本体系分为自动路测系统、地面模拟系统、路测综合分析系统以及后台分析系统4部分，整体结构如图1所示。

自动路测系统与地面模拟系统是整个测试体系的主体与基础，分别作为移动端与固定端进行通信，通过传输数据的存储、比较、统计、分析，以及其他外接设备的信息提取，完成QoS指标测试、基础数据提取等功能。通信原理如图2所示。

自动路测系统（移动端）通过串口控制发射功率为8 W的测试模块，利用Um接口与GSM-R网络进行数据传输，GSM-R网络与ISDN网络相连，再利用接入ISDN网络的ISDN板卡，实现地面模拟系统（固定端）与移动端的通信。

基础数据的获取包括时间、列车速度、位置（公里标和经纬度）、AT指令、Um接口信令、测试数据及测试结果等信息。其中，列车速度与公里标需要从计距装置中提取，经纬度信息需要从GPS中提取。由此可知，自动路测系统由测试模块、GPS、计距装置及自动路测服务器组成；地面模拟系统由ISDN板卡及地面模拟服务器组成。

路测综合分析系统与后台分析系统分别实现在线及离线的列车跟踪、数据分析与统计等功能。路测综合分析系统通过TCP/IP协议实现与自动路测系统的数据交互，实时跟踪列车速度、位置，绘制下行及临小区电平值曲线、下行通信质量曲线，显示Um接口网络信令等。对于在车载端测试的人员，可通过路测综合分析系统查看列车当前信息、网络通信状态。同时，根据上述信息还可发现测试的异常，以及实时分析网络异常原因等；后台分析系统可根据不同的组合条件查询并统计各个QoS指标，另外，还可根据相应的基础数据分析统计，不但能为系统集成提供网络优化的帮助，还可在以后的网络运行维护中，起到趋势分析、网络预警等作用。

3 关键技术分析

1）多个指标合并测试

在本文2中，我们看到QoS指标对测试样本数要求很高，如果每趟列车只测试一个指标，会大大提高测试成本，降低测试效率，甚至不能在预计时间内完成指标测试。所以经过对QoS指标测试方法的分析，将连接建立时延与连接建立失败概率、链路断开（失效）概率与用户数据帧传送时延合并测试，对测试结果分开统计，使测试效率得到提升。

2）固定端测试业务自适应

地面模拟系统作为测试的固定端，通常部署在核心网机房，而自动路测系统则是在列车上，所以当要测试某个业务时，车地间保持业务的统一成为测试的关键。为了节约人力，避免人员误操作，自动路测系统与地面模拟系统增加业务识别接口，后者同时增加业务识别与处理模块，使车载人员使用自动路测系统开始测试某个业务时，地面模拟系统自动识别当前进行的是哪个测试，然后与之匹配，从而可实现地面模拟系统无人值守的智能测试。

3）在线与离线的信令分析

在测试过程中，通过8 W模块可以得到Um接口的信令，这些信令完整地描述一次呼叫流程，当呼叫出现问题时，通过分析信令流程以及信令中的参数，可以辅助找到问题所在。路测综合分析系统实时显示当前信令，并通过解析部分关键信令（如切换、测量报告等）实时绘制曲线图，如图3所示。

后台分析系统显示某一次呼叫的信令流程，并以列表和流程图两种方式呈现，如图4所示。在列表中，点击某条信令，会出现参数详细解析，帮助网络优化人员分析信令中参数的含义。

4）下行测量报告分布统计与趋势分析

为了在网络优化过程中，快速定位哪些小区通信质量不好，在后台分析系统中按照时间段统计下行测量报告的分布，并制作相关图表。

其中下行电平值、下行通信质量均为小区内该级别测量报告数与总测量报告数的百分比。当某级别的百分比高于或低于阀值时，用特殊颜色标注，表示该小区可能存在异常，需要相关人员检查。

另一方面，当GSM-R网络系统运行一段时间后，可根据电平值和通信质量百分比的变化趋势，预测网络设备故障或老化等问题，每个小区按照时间-百分比绘制二维坐标曲线图，当曲线起伏很大，或呈上升（下降）趋势时，应该检查网络设备状态，尽早预防网络故障。如图5所示。

5）非正常切换的原因分析

移动端与固定端建立连接后，在数据帧传输过程中，总会出现丢帧、误帧等现象，而其中一个主要因素就是切换，错误的切换点和非正常切换（非功率预算切换、乒乓切换等）都会影响服务质量，所以想要提高网络服务质量，及时调整切换点和避免非正常切换都成为重要手段。为了辅助分析切换原因，结合地形、基站位置、切换方向、切换结果（成功或失败）、下行电平值信息等，为网络优化人员提供直观的分析途径。

6）支持多速率、变长度数据包

我国CTCS-3级列控系统刚刚应用，什么样的网络环境可以使服务质量最优还有待研究，所以本测试体系支持9.6 kb/s、4.8 kb/s以及2.4 kb/s的传输速率，并且支持数据帧长度为30 byte和40 byte两种格式。通过对测试结果的比对分析，提供探究网络最优的手段。

7）多格式数据存储

本体系中的各系统物理部署分散，且后台分析系统以客户端的形式，可安装在不同电脑上，所以数据存储及共享的兼容性要求很高。数据库检索方便，但需要可以连接到数据库的网络环境，移动不便；文件可随时拷贝、移动，但可读性差，检索效率低。综合考虑各系统间的数据流向和应用，每个系统支持文件形式和数据库形式的数据存储和读取，其中文件类型包括：文本文档、XML、EXCEL。这样，系统间数据接口灵活，且可随时移动、应用。

4 实际中的成功应用

1）多种组合、灵活应用

考虑到测试人员不固定，水平参差不齐，并且可能事先未经过正规的培训等因素，本测试体系为用户提供了友好的界面，测试前只需简单配置几个参数，就可以开始测试。并且针对不同水平和需求的人员，可以提供多种组合方式，灵活应用。下面简单列举几种组合方式。

组合一：测试人员对网络优化了解不深，只需知道测试指标是否达标

在这种情况下，车载端只需打开自动路测系统，选择需要测试的指标，开始测试。当测试结束时，界面上会自动显示测试结果，测试人员填写测试记录就可完成。

组合二：在组合一的前提下，网络优化人员需要通过测试数据分析网络状态

测试过程中，自动路测系统会将测试过程数据、信令信息等数据存储在相应路径下。测试结束时，测试人员将这些数据拷贝或发送给网络优化人员。网络优化人员通过在本机安装的后台分析系统，导入这些数据，然后统计分析不同指标或趋势，辅助分析网络状态。

组合三：测试人员承担着网络优化的职责，希望实时分析网络状态

在车载端，将路测综合分析系统接入自动路测系统，测试时，路测综合分析系统会实时处理得到的各类数据，绘制测量报告曲线图，显示并解析信令信息，描绘列车行驶轨迹、切换位置及结果等，使网络优化人员可以对网络进行在线分析。同时，由于在线和离线分析的角度有所不同，测试结束后，可参照组合二中描述的方法，离线分析网络状态。

2）成功案例

2007年底，铁道部正式启动了武广CTCS-3级技术攻关工作，GSM-R网络系统集成、网络优化等工作是全新的，需要探索的。在没有任何经验的前提下，我们自主研发GSM-R网络服务质量测试体系，结合网络优化的经验，不断提出新的思路和需求，及时改进再投入应用，力争使每一次测试的利用率达到最高。最终GSM-R网络服务质量全部达标，武广客运专线正式开通。同时，我们利用该测试体系积累了大量的数据，加以分析统计，为网络优化提供了数据保障。

此外，沪宁、沪杭等客运专线也成功的利用本测试体系完成网络优化工作。