EDGE技术在铁路GSM-R网络中的应用探讨

赵军武

(1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

随着中国高铁全面建设，GSM-R专用数字移动通信系统已经在我国高铁中大规模建设，在GSM-R基础上的GPRS技术在铁路上的应用也获得前所未有的发展机遇。

GPRS作为第二代移动通信向第三代的过渡技术，是GSM的移动分组业务，在公网上各个国家都开通了增强型数据速率GSM演进技术 （Enhanced Data rates for GSM Evolution，EDGE）服务。EDGE类似于GPRS，但带宽更大，允许最高384 K的传输速度。EDGE技术在兼有GPRS特点的同时，还拥有系统升级简单节约、数据传输速率高的优点。

1.1 EDGE技术特征

EDGE包括EGPRS和ECSD，在引入EDGE时充分考虑和原GMS网络的兼容性和继承性，因此ECSD和EGPRS对核心网影响很小。

EGPRS是对GPRS的增强，EGPRS对系统的影响主要包括如下。

1）在RF层采用8PSK调制方式，相比GSM-R采用GMSK调制方式，极大提高了单信道的速率。

2） EGPRS可以采用的编码方式如表1所示。其中MCS-1到MCS-4采用的是GMSK调制方式，但是GPRS和CS-1到CS-4的速率不一样，这是特意为EGPRS的链路适配控制算法而设计的。

表1 EGPRS编码方案参数表Tab.1 Parameters list of EGPRS coding scheme

3）对链路层RLC/MAC做了一定修改，同时定义了更完善的链路控制算法。EGPRS定义2种链路质量控制模式，增量冗余（Incremental Redundancy，IR）和链路适配（link adaption，LA）。

1.2 高速条件下的QoS分析

根据1.1节所述，EDGE系统采用1套精心设计、高效的链路质量控制算法，定义2种链路质量控制模式，链路适配LA和增量冗余IR方案。即系统在进行数据传输时会根据信道质量的不同，根据算法

1 EDGE系统在高速移动场景下的QoS分析

选择不同的调制编码方案进行数据传输。如在MAC层检测出误码会调整调制编码方式进行误报重传。这与GPRS系统仅能选择同样的编码方式进行重传相比，会有更高的传输成功概率，也可以有效降低传输时延和丢包率。基于现有的实验室设备，在较低接收电平的条件下，使用链路自适应方式，对不同移动速度条件的系统QoS进行测量，结果如表2所示。

表2 不同移动速度条件下EDGE QoS测试（终端接收电平-75，单时隙）Tab.2 EDGE QoS testing in different operation speed(receiving level at ends： -75， single time slot)

从测试结果可以看出，随着移动速度的提高，下行吞吐量有一定下降，但上行吞吐量没有明显的变化。对于传输时延和UDP丢包率也没有明显的影响。这主要是EDGE系统的链路自适应技术使EDGE数据包可以在信道质量变化时迅速调整编码方案，因此不会造成明显的时延变长和丢包率增加。

2 EDGE系统相比GPRS的业务承载能力分析

2.1 EDGE的业务需求和应用模型

2.1.1 EDGE的业务需求

针对不同的铁路运营线路，当前中国铁路专用移动数字通信网GPRS相继开展多种状态监测信息和调度数据传输业务。对于行车调度类业务，已经开展GPRS模块活动性检测、GRIS IP地址更新与查询、调度命令传送、列车无线车次号校核信息传送等业务。对于安全监控类业务，已经开展列车设备动态监测信息、机车信号状态信息、工务轨道动态监测信息和客运安全监控信息等业务。对于列车维护类业务，已经开展CIR出入库检测业务。

随着铁路通信网数据传输能力的提升，铁路新业务需求也在增加，如有机车远程监测与诊断系统（CMB）、高速铁路供电安全监测检测系统（6C）、动车工况监控、基础设施健康管理系统、移动售票和ATO实现精确停车及列车车门站台屏蔽门联动业务等。

2.1.2 EDGE的应用模型

铁路典型分组数据业务为列车地面分组数据通信系统与车载分组数据用户的信息交互，此项业务的特点是业务传输频繁、单次传输数据量小。本节提出铁路分组数据业务3层模型对铁路分组数据业务传输进行描述：1）传输层描述数据空口的传输过程，数据传输时延、数据重传与丢包率、有效数据比例、数据有效传输速率等；2）数据层描述每个用户每次业务数据包需要发送的个数、数据包发送间隔以及每个数据包的长度；3）业务层描述铁路分组数据业务产生的规则，关键参数包括分组数据场景描述、分组数据用户定义、分组数据业务类型、分组数据业务特征。铁路分组数据业务3层模型，如图1所示。

图1 铁路分组数据业务3层模型Fig.1 Three layers model of railway pocket data services

2.2 铁路场景EDGE系统业务承载能力分析

2.2.1 既有Abis资源条件下，EDGE系统业务承载能力分析

根据调研情况，目前铁路区间发生严重的数据业务拥塞的情况较少。但是由于目前GPRS网络仅分配一个静态PDCH，两个动态PDCH，资源有限。在当前Abis资源有限的情况下，将空闲Abis资源平均分配给每个环内基站，每个基站仅能额外多支持一个EPDCH，业务承载能力增长有限，可以考虑额外增加少量小带宽需求业务，如移动售票和ATO实现精确停车及列车车门站台屏蔽门联动等业务。为了保证业务不会发生拥塞，建议额外增加新的动态PDCH。

根据调研发现，数据业务拥塞主要发生在车站或正线和库检地区物理距离较近的区域，例如武汉动车基地在高峰期出现G网网络资源不足，造成CIR获取IP异常。在当前Abis资源有限的情况下，将有限的空闲Abis资源仅分配给业务需求较大区域的基站，如车站区域的基站，该基站可以支持3个EPDCH。该地区基站的业务承载能力可以增加150%以上，有效缓解该地区数据业务拥塞的情况。这种情况不建议再增加额外的业务承载。

2.2.2 Abis资源充分保证条件下业务承载能力分析

如果进行网络改造，增加Abis资源，保证每个基站能够支持8个EPDCH，那么从理论上分析，EDGE网络每个小区至少可以同时支持两个带宽需求小于200 kbit/s的业务终端。考虑到新增业务需求，除了可以满足小带宽业务（移动售票和ATO实现精确停车及列车车门站台屏蔽门联动）的承载需求，还可以满足机车远程监测与诊断系统（CMB）、高速铁路供电安全监测检测系统（6C）以及基础设施健康管理系统的业务需求。

根据2.1.2节的业务需求模型可以看出，业务的传输需求具有突发性。虽然从网络平均承载能力看，完全满足以上所有业务的承载。但是承载业务增多后，多项业务并发的概率增大，网络拥塞的隐患也会相应增加。因此需要有相应的机制，保证网络资源无法满足所有即时业务传输时，优先满足行车相关的关键业务传输，因此EDGE系统需要具有相关的关键数据业务的QoS保障机制。

3 EDGE的升级策略分析

3.1 Abis接口升级策略分析

EDGE系统相对于GPRS系统增加了空中接口的传输速率，在网络结构方面，对核心网的SGSN/GGSN几乎没有影响。因为GGSN和SGSN设备独立于用户数据传输速率。Abis资源用于承载BSC与基站信令及数据传送，以2 M（32个64 kbit/s时隙）为单位进行设置。目前Abis接口资源以及采用的时隙分配方式在不改变基站部署连接方式情况下，无法满足每个EDGE基站支持单终端4个MCS-9时隙的传输，无法充分展示EDGE系统的空口速率优势。针对该问题的解决方案：在不改变组网结构和时隙内分配的前提下，可以采用平均分配空闲的时隙资源或提高特定基站（如车站地区部署的业务承载量较高的基站）业务传输能力方式。也可以采用动态分配Abis资源、增加Abis接口E1资源和Abis接口IP化改造等方法，彻底解决以上问题。

3.2 基站及BSC升级策略分析

通过调研发现，目前GSM-R现网大多数基站硬件都具备EDGE功能，仅需要新的授权便可以实现EDGE功能。鉴于开通EDGE功能需要额外的Abis资源，因此需要升级BSC的Abis接口板，满足Abis接口资源扩容的需要。

3.3 GSM-R终端升级策略分析

3.3.1 终端进行EDGE升级

根据用途不同，GSM-R模块分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五类。Ⅰ类模块用于GSM-R语音业务；Ⅱ类模块用于GSM-R电路域数据业务；Ⅲ类模块用于GSM-R分组域数据业务，支持GPRS功能；Ⅳ类模块具备GSM-R语音业务和分组域数据功能，分时使用GSM-R语音业务或分组域数据业务，分组域数据业务支持GPRS功能；Ⅴ类模块用于GSM-R分组域数据业务，支持EDGE功能。

随着铁路数据业务需求的增加，PDCH/EPDCH信道发生拥塞的概率越来越高，因此会造成业务的传输时延显著增加。针对上述问题，可以采用网络辅助的小区重选和扩展上行TBF释放两种方法，降低分组数据业务的传输时延。

3.3.2 多模化GSM-R终端技术方案分析

当GSM-R网络升级EDGE功能后，终端发起分组数据业务请求时，可以接入GPRS网络，也可以接入EDGE网络，此时GSM-R终端需要进行接入模式选择。

根据终端的模式选择方式可以把双模终端划分为如下两类。

第一类，即手动双模，此类终端也可以称为两模终端，它具有2种模式的特征，不过在同一时刻，只能工作在一种模式之下。而且这2种模式之间的相互切换是可以通过人机界面手动切换进行选择。

第二类，此类手机的显著特点是：终端工作在单一模式时，可以通过当前的资源和配置情况，检测和报告另一种模式的小区信息，并且不需要人为介入，UE就可以从一种模式自发地转移到另一种模式。

EDGE与GPRS主要区别在于物理层的上/下行编码方式不一致，在终端平台上可直接在底层做软件开发，单平台上实现GSM/GPRS/EDGE等多种应用。两类终端支持EDGE上下行编码技术的开发都是一致的。

4 结束语

本文从3个方面对EDGE系统在GSM-R网络的应用进行探讨。首先分析EDGE系统在高速条件下的QoS。根据实验室半实物仿真测试结果，移动速度对于EDGE系统性能有一定的影响。EDGE系统采用链路自适应技术和增量冗余技术，有效降低高速移动对于系统传输误码的影响，而且下行数据吞吐量、上行数据吞吐量及传输时延都会随着移动速度的增长而产生小量的下降。然后对当前高速铁路GPRS网络的既有数据业务和未来拟承载的数据业务需求进行分析，建立业务需求模型，明确业务对EDGE系统业务承载能力的要求。给出既有网络资源条件下和Abis接口资源丰富的情况下，对网络进行EDGE升级后的业务承载建议。最后分别从Abis接口、基站及BSC和终端几个方面对现有GSM-R系统提出升级方案，来达到EDGE系统的技术要求。