Era-glonass紧急呼叫系统关键性能测试技术研究

张 悦，张 旭，丁一夫

(中国汽车技术研究中心有限公司, 天津 300300)

1 背景研究

智慧交通作为未来交通的发展趋势，在有效利用现有交通设施的基础上，可充分发挥物联网优势，保证交通安全、提高运输效率。从各地智慧交通构建情况来看，主要集中在交通管理、交通诱导及智能公交方面，对智慧交通中的交通安全，特别是车辆发生事故后的智能化紧急救援涉及并不多[1-5]。紧急呼叫系统作为联系车辆及智慧交通的纽带，是应对全局道路突发事故的有效途径，在智能网联车辆主动安全规模化应用前，对于缩短道路救援时间、降低伤亡率、减少经济损失具有重要作用，有助于智慧交通安全公共服务体系的建设。

俄罗斯的Era-glonass系统是目前应用较为成熟的技术。在glonass系统认证测试项目中，功能性和通讯质量作为glonass系统的关键性能，与系统工作的可靠性密切相关，是系统建立有效数据及语音通信的重要保证。目前，中国汽车技术研究中心有限公司作为俄罗斯国家汽车工程研究院(NAMI)在国内唯一授权的检测机构，具备glonass系统的认证资质，但是在紧急呼叫系统功能性测试和通讯质量测试研究方面还有所欠缺。另一方面，我国的紧急呼叫系统强制性国家标准已发布立项计划，目标是在2020年完成标准制定，但是相关的研究还处于初始阶段，需要技术支撑[6]。

本文首先介绍了Era-glonass系统的技术发展背景，在分析Era-glonass系统工作原理的基础上，对系统功能性及通讯质量测试技术进行研究，并结合现有测试平台提出系统功能性、通讯质量两项关键性能的测试方案，一方面为出口俄罗斯的车企提供规范的测试服务，为智能化交通安全的实现奠定基础，另一方面为国内紧急呼叫系统标准的制定提供支持。

2 Era-glonass系统关键技术要求

俄罗斯紧急救援服务对Era-glonass紧急呼叫系统工作过程中各个环节的技术可靠性和实时性有较高要求，主要包括以下3个方面：

1) 可靠的紧急呼叫系统触发

当车辆发生事故时，车载紧急呼叫系统可以有效地被车内传感器信号或手动开关信号触发，实现MSD数据传输。

2) 实时的车辆事故数据传输

在MSD数据通过移动网络发送至救援中心的过程中，应具备较高的传输优先级，确保网络拥堵状态下抢占数据传输资源。数据传输方式应具有较好的抗干扰能力，保证数据完整无误地传输，且信号时延较小。

考虑到公共救援服务的分区域特性，车载紧急呼叫系统的数据链路和语音链路应当一同路由，以保证处理的及时性。

3) 准确的车辆位置定位

在车辆事故发生后，车载紧急呼叫系统应能通过卫星定位技术获取车辆的经纬度信息，并将该信息上传。定位误差应尽可能小，不影响救援事件的进行。目前可供选择的定位技术主要有GPS、Glonass、伽利略、北斗定位技术[7]。

为确保上述3项关键技术的实现，俄罗斯国家标准起草机构编制了一系列技术标准验证系统性能[7]，认证测试项目见表1。

表1 Era-glonass系统认证测试项目

在表1中，GOST R 55530和GOST R 55531包含了对系统功能性测试和通讯质量测试的主要内容，定义了紧急呼叫系统触发、网络注册、MSD数据传输、语音呼叫、音频质量测试等相关测试方法。这两项测试是保证系统工作可靠性的重要测试项目。

3 Era-glonass系统原理分析

Era-glonass系统是俄罗斯联邦提供的服务，旨在减少道路事故或其他紧急情况的响应时间。在碰撞事故或严重故障发生时，Era-glonass系统可以在自动模式或手动模式下，通过GSM或UMTS蜂窝网络与公共服务应答平台建立语音连接并发送必要的车辆信息数据，为发生紧急情况的车辆提供应急报警、救援等服务。系统工作示意图如图1所示。

图1 Era-glonass系统工作示意图

3.1 Era-glonass基础架构

Era-glonass系统主要包括GNSS接收机、MSD(最小数据集)数据处理及调制模块、麦克风、扬声器、语音编码解码模块及射频模块，如图2所示。

GNSS接收机将卫星信号送入MSD数据处理模块进行车辆位置信息计算，计算完成的车辆位置信息同时间、车速、车辆状态等信息组包送入数据调制模块。由于并非所有基站都配置有纯数据通道，且考虑到语音网络的覆盖范围更广，因此MSD信息传输通过移动蜂窝网络的语音通道实现，经由语音编码模块及射频模块进行无线数据传输。

Era-glonass系统在实现MSD数据传输后，还可与PSAP(公共安全应答中心)建立语音连接，用于获取额外的信息。系统与PSAP之间的双向语音交互通过麦克风、扬声器、语音编码模块及射频模块实现[8]。

图2 Era-glonass系统组成

3.2 MSD数据解析

在车辆发生事故后，Era-glonass系统会以最高优先级上报救援所需的MSD数据，以便进行事故车辆位置的确定。MSD数据涵盖的主要信息见表2。

表2 MSD数据涵盖的主要信息

MSD数据包含有140个字节和28个CRC校验位，共计1 148位长度，经过前向纠错编码后，MSD长度为 1 380位。MSD由1个预同步帧和3个数据帧组成，各个部分之间声音是静音的，如图3所示。

图3 MSD数据结构

MSD数据是BPPM(双极位置脉冲调制)调制方式，基本的脉冲是1个正向或反向偏移，1个符号可表示3位信息。MSD有快速和鲁棒两种模式。在鲁棒模式下，每个符号的长度要比快速模式增加1倍，如图4所示。随着符号长度的增加，由于信道时延扩展引起的ISI减小，同时由衰落或干扰引起接收端的错误得以分散。为使接收机可以在外界复杂电磁环境下解析出正确的数据，MSD数据调制采用鲁棒模式。

图4 MSD数据调制模式

3.3 通讯流程说明

典型场景下，Era-glonass紧急呼叫系统与PSAP之间的通讯主要包括以下几个步骤：

1) 当Era-glonass系统自动或手动触发后，会通过GSM/UMTS呼叫PSAP，在呼叫过程中，系统会持续发送初始化消息。

2) PSAP解析到初始化消息，发送SEND-MSG命令给Era-glonass系统。

3) Era-glonass系统解调了SEND-MSG命令，发送SYNC帧及具体MSD信息，采用RV0版本的冗余。

4) 如果PSAP没有正确解析RV0的MSD，返回NACK。

5) Era-glonass系统接收到PSAP返回的NACK，采用RV1版本的冗余发送MSD信息。

6) PSAP发送了AL-ACK，指示MSD消息已经完成解析，此时连接切换到语音方式，PSAP的话务员可以与车内的乘客通话。

7) 通话结束后，GSM/UMTS语音连接被释放，通讯过程结束。

根据上述步骤建立Era-glonass系统通讯流程，如图5所示。按照图5进行紧急呼叫系统与PSAP间数据流解析，如图6所示。

图5 Era-glonass系统通讯流程

图6 通讯数据流解析

从图5及图6中均可以看出Era-glonass系统与PSAP通讯数据流的时序。在实际操作过程中，可以通过监测数据流掌握系统的工作状态。

4 Era-glonass系统关键性能测试方案

对Era-glonass系统进行性能测试是保证系统正常工作的前提。在Era-glonass系统的多项性能测试中，功能性测试主要考察数据及语音链路是否可以有效建立、系统工作时序是否符合标准要求、MSD数据信息是否全面真实等；通讯质量测试主要考察在道路环境下，Era-glonass系统与PSAP建立语音通信时的音频质量等。上述两项测试直接关乎紧急呼叫系统信息传递的有效性及紧急救援的效率，是Era-glonass系统性能测试的重要组成部分。

4.1 系统功能性测试方案

系统功能性测试主要参照GOST R 55530—2013，测试目的在于评估紧急呼叫系统与国家标准中功能要求的一致性。具体测试方案包括测试平台的搭建、相关参数的设置及具体测试流程。

4.1.1功能性测试平台搭建

结合试验室现有设备进行测试平台搭建，如图7所示。其中，CMW500综测仪用于模拟2G/3G网络，通过射频线缆的连接，Era-glonass紧急呼叫系统可以与仪器之间建立语音通话。SMBV用于提供紧急呼叫系统导航使用的定位信息。安装在PC上的KA094软件可用于进行PSAP的模拟，且可以远程控制CMW和SMBV，进行相应测试参数的设置。

图7 Era-glonass系统功能性测试平台

GSM/UMTS连接中的声音信号通过CMW的数字SPDIF接口和外部声卡之间的通路进行交互。Era-glonass系统的协议和MSD的传输都是通过CMW和系统之前的语音连接进行。这种端到端的测试是在PC上的PSAP和紧急呼叫系统之间进行的。

4.1.2测试参数设置

在测试平台搭建完成的基础上，进行相应测试参数的设置。启动KA094软件，进入PSAP界面，如图8所示。图8界面包括概览、控制及通知3个界面，通过对其中控制界面相关按键的操作，系统可实现如图5所示的通讯过程。

图8 PSAP界面

利用PSAP远程控制功能设置CMW500的GSM/UMTS小区信号输出端口(与射频线缆连接端口对应)及信号输入输出线损(可按照线缆损耗标定值进行设置)。在CMW500设置完成后，通过PSAP设置SMBV相应参数，主要包括通讯时限，可设置为4 s。

4.1.3功能性测试流程

结合图8的PSAP界面进行功能性测试相关操作。按照本文的通讯时序，操作流程如图9所示，其中各个按键实现的具体功能为[9]：

图9 PSAP操作流程

1) Initial config：根据设置的参数进行CMW和SMBV的初始化，初始化完成后系统状态从Idle变为Configured。

2) Simulation On：PSAP、GNSS、GSM的模拟环境工作触发，模拟成功后，系统工作状态从Configured变为Simulation Running。

3) Call IVS：向紧急呼叫系统发送信息，系统成功注册到2G/3G小区后，系统状态会显示为已经注册(synchronized)。

在PSAP概览及控制界面下，可以进行Era-glonass系统呼叫流程的监控。表3为紧急呼叫系统、2G/3G网络、PSAP及控制状态的对应关系。

表3 测试状态对应关系

按照上述方法在实验室内进行测试平台搭建及测试参数的设置。如图10所示，在CMW模拟的基站信号及SMBV模拟的卫星信号环境下，Era-glonass系统可以成功连接至网络，并可实现MSD数据传输，测试结果如图11所示。

图10 功能性测试布置图

从图11中可以看出，MSD数据中包含的信息符合表1要求，Era-glonass系统在虚拟环境中成功实现了紧急呼叫的功能。后续可依据GOST R 55530标准，按照功能性测试列表进行紧急呼叫系统的功能性测试。

图11 测试结果

4.2 系统通讯质量测试方案

Era-glonass系统通讯质量测试参照GOST R 55531—2013标准，主要目的是测试紧急呼叫系统与PSAP间语音通讯的质量，确保有效通话的实现。

4.2.1系统通讯质量测试原理

由于Era-glonass系统可能在车辆运行或嘈杂的交通噪声环境中使用，因此通讯质量测试应在车内驾驶室模拟噪音声场下进行。

紧急呼叫系统与扬声器通讯质量保证有关的2个接口是声音接口和无线电接口，均支持移动通讯系统。当使用声音接口连接紧急呼叫系统进行近端用户模拟时，该模拟使用包含人工耳及人造嘴的HATS人体模型。当使用无线电接口连接紧急呼叫系统进行远端用户模拟时，该模拟使用适用于紧急呼叫系统移动通讯标准的通讯系统模拟器[9]。通讯质量测试原理如图12所示。

图12 通讯质量测试原理

从图12中可以看出，在测试过程中，需要噪音回放系统进行车内背景噪声的模拟。在噪音环境下，实现紧急呼叫系统与PSAP的通讯，包括远端用户到近端用户的信号传输和近端用户到远端用户的信号传输两种。

远端用户到近端用户的信号传输路径为：通讯系统模拟器向Era-glonass系统发送电测试信号，该电测试信号被紧急呼叫系统接收后，通过扬声器形成声音信号在车内回放，该声音信号被HATS人工耳接收后，送入软件进行分析。近端用户到远端用户的信号传输路径为：HATS人嘴发出声音信号，该声音信号经过麦克风形成电测试信号，该电测试信号通过紧急呼叫系统进行发送，被通讯系统模拟器接收后，送入软件进行分析[10]。

4.2.2通讯质量测试平台搭建

结合实验室测试资源进行通讯质量测试平台搭建，如图13所示。该测试平台主要包括Era-glonass紧急呼叫系统、HATS人体模型、车内背景噪声回放系统及音频质量测试系统4大组成部分。

图13所示的通讯质量测试平台可以实现语音质量的测试，具体工作原理为：

1) 发送方向(模拟近端用户到远端用户)：电声性能分析软件ACQUA发出数字测试信号，通过USB线传给电声分析仪Lab core，由Lab core进行数模转换后传给HATS人体模型的人工嘴发声；Era-glonass紧急呼叫系统接到声音后编码，传给类基站，由类基站传送给Lab core，经Lab core进行模数转换后通过USB线传回ACQUA进行音频质量分析。

图13 通讯质量测试平台架构

2) 接收方向(模拟远端用户到近端用户)：电声性能分析软件ACQUA发出数字测试信号，通过USB线传给电声分析仪Lab core，由Lab core进行数模转换后传送给类基站；类基站将接收到的信号编码并通过构建的GSM网络传给Era-glonass紧急呼叫系统发声，HATS人体模型的人工耳接收到声音信息后将声音信号传回Lab core，经Lab core模数转换后通过USB线传回ACQUA进行音频质量分析。

在发送方向及接收方向通讯质量测试过程中，车内背景噪声回放系统可进行车内路噪和风噪模拟，背景噪声模拟系统HAE-car和均衡系统LabBGN通过PSB III电子脉冲分配器同步背景噪声回放及电声性能分析，将录制好的车内噪声通过车内的5个扬声器进行播放。为保证车内噪声的均衡性、指向性，车内的5个扬声器均与LabBGN均衡系统进行连接，以实现车内噪声的真实复现[11]。

4.2.3通讯质量测试平台主要功能

基于图13所示测试平台，可实现Era-glonass系统与PSAP之间的语音通讯质量测试。测试参数主要包括麦克风灵敏度、麦克风频率响应、麦克风失真、最大声压级、紧急呼叫系统接收延时及发送延时、不同音量的接收响度及接收失真、正常音量的自动增益控制、正常音量的接收频响、接收空闲信道噪声、接收方向的带内及带外信号、接收方向的激活特性、接收方向的衰减特性、主驾驶位置/副驾驶位置的发送方向响度、背景噪声收敛、背景噪声声压级、远近端背景噪声、紧急呼叫系统性能等。鉴于GOST R 55531中主要规定了表4所示测试项目对音频质量进行客观评价，因此该通讯质量测试平台可以完全满足GOST R 55531的测试要求。

表4 GOST R 55531通讯质量测试项目

5 结束语

功能性和通讯质量作为Era-glonass紧急呼叫系统的关键性能，是影响系统工作可靠性的重要因素，直接决定了紧急救援事件的效率及智能化交通安全的实现。本文在分析紧急呼叫系统技术背景及工作原理的基础上，从测试平台搭建、测试参数设置及测试流程等方面进行了测试技术的研究，提出了符合Era-glonass认证测试要求的系统功能性测试及通讯质量测试方案。该方案一方面支撑中国汽车技术研究中心有限公司紧急呼叫系统测试认证业务的开展，为出口俄罗斯的车企提供全面、规范的服务，促进智能交通的建设，另一方面也可以为国内紧急呼叫强制性国家标准的制定提供技术支持。