高速铁路调度指挥GSM-R分组域通信承载能力研究*

刘 斌 左自辉 王开锋

高速铁路调度指挥GSM-R分组域通信承载能力研究*

刘 斌1左自辉2王开锋3

（1.中国铁道科学研究院通信信号研究所，100081，北京；2.中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，100081，北京；3.中国铁道科学研究院，100081，北京//第一作者，助理研究员）

通用分组无线业务（GPRS）是)高速铁路车地间数据通信的重要手段之一，随着GPRS承载数据量的增大，必然带来GPRS资源的竞争问题。从高速铁路GPRS应用需求出发，提出了铁路数字移动通信系统（GSM-R）分组域承载能力测试方法，测试不同数据包长度、不同终端数量、不同分组数据信道（PDCH）数量条件下GPRS最大吞吐量，并分析数据包长、GPRS终端数量、PDCH数量与吞吐量的关系，从而为GPRS业务规划提供参考。

高速铁路；通用分组无线业务；铁路数字移动通信；承载能力

通用分组无线业务（GPRS）是在铁路数字移动通信系统（GSM-R）网络基础上引入的一种分组交换无线通信服务，具有多用户共享带宽、传输数据量大等优势，可以有效提高频率复用率。我国高速铁路使用GPRS承载非安全数据，对采用GPRS承载列控业务的可行性也进行了初步研究。随着铁路信息化进程的快速发展，越来越多的应用业务需要采用GPRS承载车地之间数据通信。然而，GSM-R系统的频率资源有限，随着GPRS用户数量的增多和数据量的增大，必然带来GPRS资源的竞争问题。

本文提出了一种GSM-R分组域承载能力测试方法，并设计测试方案，在不同的数据包长度、不同的终端数量、不同的分组数据信道（PDCH）数量条件下，对GPRS吞吐量进行测试，详细分析测试结果，从而为GPRS业务规划提供参考。

1 GPRS承载能力测试方法

1.1 GPRS承载的应用业务

铁路应用系统与GPRS终端之间的数据传送采用GPRS模式，其数据发送的特征主要由应用需求决定。不同的应用业务，数据发送各有特点，但传输层均采用用户数据报协议（UDP），网络层采用因特网互联协议（IP）［1］。

GPRS承载的主要业务有无线车次号校核、列车进路预告、列控设备动态检测、铁路移动售票等，不同应用业务的数据报文长度、数据发送间隔、上下行数据分布各不相同，对GPRS服务质量的需求也不相同。因此，本文从高速铁路GPRS应用需求出发，设计GPRS承载能力测试方案，测试GSM-R分组域通信承载能力，并分析影响其性能指标的主要因素。

1.2 GPRS承载能力测试现状

吞吐量是描述GPRS承载能力的主要指标，也是高速铁路GSM-R网络动态验收和工程检测的主要指标之一。目前，通常采用文件传输协议（FTP）上传和下载的方法测试GPRS上下行吞吐量［2］，测试结构如图1所示。在与网关GPRS支持节点（GGSN）接口相连的Gi接口连接固定端测试服务器，移动端测试控制器通过FTP下载测试下行吞吐量，通过FTP上传测试上行吞吐量。

图1 现有GPRS吞吐量测试方法

然而，该测试方法无法完全反映铁路GPRS应用情况，具有一定的局限性。

（1）铁路GPRS应用业务基于UDP，而FTP是建立在TCP（传输控制协议）之上的连接；

（2）受到移动台时隙捆绑能力、信令交互开销等因素的影响，采用单个移动台测试得到的结果不能反映整个GSM-R网络的GPRS吞吐量；

（3）无法测试多个移动台并发传送数据对GPRS吞吐量的影响；

（4）无法精细控制数据报文大小、数据发送间隔等参数。

1.3 改进后的GPRS承载能力测试方法

本文对现有的GPRS承载能力测试方法进行改进，设计了一种新的GPRS承载能力测试设备，如图2所示。该设备由固定端GPRS测试服务器、移动测试终端和移动端测试控制器构成。测试设备利用全球定位系统（GPS）保持时间同步，测试数据传送采用UDP，并且可支持多个移动测试终端并发工作。

（1）测试接口为 Igsm（t）和Gi接口。

（2）测试控制器可以同时控制多个移动测试终端进行数据收发。

（3）通过在固定端GPRS测试服务器发送不同长度UDP数据包的方式测试下行吞吐量，通过在移动端测试控制器发送不同长度UDP数据包的方式测试上行吞吐量。

（4）下行吞吐量测试时，在I gsm（t）接口处计算每秒通过的最大字节数和下行数据传送时延；上行吞吐量测试时，在Gi接口处计算每秒通过的最大字节数和上行数据传送时延。

（5）通过比较发送方发送的数据包数量和接收方正确接收的数据包数量计算数据发送成功率。

图2 改进后的GPRS承载能力测试方法

改进后的GPRS承载能力测试方法能根据实际需求选择不同数量的测试移动终端，可设置数据报文长度、数据发送周期等参数，通信协议与铁路GPRS应用业务一致。因此，该测试方法能够更好地反映目前应用条件下GPRS实际承载能力。

2 GPRS承载能力测试结果

为验证改进后的GPRS承载能力测试方法的合理性和有效性，在大西铁路客运专线原平西至太原段高速综合试验段进行了现场试验。该区段共有GSM-R基站25套，所有小区上行默认GPRS编码方式为CS-1，下行默认GPRS编码方式为CS-2，最高试验速度为350 km/h。

搭载高速综合检测列车，采用本文所设计的GPRS承载能力测试设备，选择典型的数据包长（78 B、314 B、512 B）、终端数量（1～8个）、PDCH 数量（1个、4个），测试不同条件下所能达到的最大吞吐量。测试结果如表1所示。

3 测试结果分析

从理论分析和实际测试结果来看，数据包长度、GPRS终端数量、PDCH数量是影响GPRS吞吐量的关键因素。

表1 GPRS吞吐量测试结果汇总

3.1 数据包长对吞吐量的影响

从GPRS空中接口协议栈可以看出，应用数据承载在无线链路层、逻辑链路控制、子网相关会聚协议、IP、UDP 等子层之上［3］，因此计算应用业务的数据速率时不应包含无线链路层及以上各层的开销。在不考虑协议栈各子层数据块中填充数据、可能的数据分包及附加开销影响的情况下，不同长度业务数据包的理论数据传送速率如表2所示。其中，开销是指无线链路层及以上各层协议帧头和帧尾所占用字节之和的最小值；净荷比率是UDP业务数据与UDP业务数据和开销之和的比值。业务数据包长度越大，净荷比率越高，信道资源的利用率也越高。理论分析和实际测试结果均表明，在一定数据包长范围内，增大数据包长可以提高数据吞吐量。

表2 不同包长应用业务理论数据传送速率

3.2 GPRS终端数量对吞吐量的影响

图3是包长512 B条件下，不同信道数量、不同链路方向吞吐量的测试结果。由图3可见，在4个PDCH条件下，当终端数量小于4个时，上行吞吐量随终端数量增加而上升；当终端数量大于4个时，上行吞吐量随终端数量增加变化不明显。在4个PDCH条件下，下行吞吐量随终端数量增加变化不明显。在1个PDCH条件下，上下行吞吐量随终端数量增加变化均不明显。这与GPRS终端时隙捆绑能力相关，一般而言，下行方向能同时捆绑3个或4个PDCH，上行方向能捆绑1个或2个PDCH。

3.3 PDCH数量对吞吐量的影响

图3 GPRS终端数量对吞吐量的影响

通过计算4个和1个PDCH条件下最大吞吐量的比值来评估PDCH数量对吞吐量的影响。计算结果如表3所示。由表3可知，上行条件下，若移动台数量大于等于4个，4个PDCH吞吐量与1个PDCH吞吐量的比值约在3.55～3.93之间；下行条件下，4个 PDCH吞吐量与 1个 PDCH吞吐量的比值在 4左右。可见，吞吐量与信道数量基本上同比例增长。

表3 不同终端数时的4信道吞吐量与1信道吞吐量之比

4 结论

本文结合 GSM-R分组域应用特点，对 GPRS的实际承载能力进行测试，分析数据包长、GPRS终端数量、PDCH数量与吞吐量的关系。

（1）采用512 B数据包长、4个 PDCH测试时，上行数据吞吐量最大约为 5.08 kB/s，下行数据吞吐量最大约 为 5.29 kB/s。

（2）数据包长度在一定范围内，数据包越长，应用层数据净荷比率越高，吞吐量也越大。

（3）当全部 PDCH被占用后，随着终端数量的增加，吞吐量变化不大。

（4）吞吐量与PDCH数量基本上同比例增长。

［1］ 中华人民共和国铁道部.GSM-R数字移动通信应用技术条件第九分册：数据传输应用接口及设备：TJ/DW 014—2012［S］.北 京 ：中 国 铁 道出 版 社 ，2012：1-11.

［2］ 国家铁路局.铁路数字移动通信系统（GSM-R）工程检测规程 ：TB 10430— 2014［S］ .北 京 ：中 国 铁 道出 版 社 ，2014：56-59.

［3］ 钟章队，蒋文怡，李红君.GPRS通用分组无线业务［M］.北京：人民邮电出版社，2001：233-331.

On the Bearing Capacity of GSM-R General Packet Radio Service in High-speed Railway Dispatching Command

LIU Bin，ZUO Zihui，WANG Kaifeng

GPRS is one of the important means of data communication between train and ground for high-speed railway.With the increase of GPRS traffic load，the competition among GPRSresources will inevitably increase.In this paper，a method to test the bearing capacity of GPRS is proposed to meet the requirements of high-speed railway GPRS，it can test the maximum throughput of GPRS under different packet lengths，different user numbers and different PDCH （packet data channel） numbers，the relationship between them is analyzed to provide a reference for GPRS performance planning.

high-speed railway； GPRS（general packet radio service）； GSM-R（global system for mobile communicationsrailway）； bearing capacity

U285.21：U238

10.16037/j.1007-869x.2017.10.005

First-author′s address Signal&Communication Research Institute，China Academy of Railway Sciences，100081，Beijing，China

*国家自然科学基金项目（U1534202）

2017-02-16）