既有高速铁路GSM-R动态检测探讨

张弘毅，蒋志勇，周瑞文

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京   100081；2.北京华铁信息技术有限公司，北京   100081）

综合检测列车[1]装载满足铁路数字移动通信系统（GSM-R系统）[2]检测规范的检测系统，检测天线安装在综合检测列车顶部。高速铁路GSM-R动态检测是指综合检测列车按规定速度运行，动态检测GSM-R场强覆盖、GSM-R网络服务质量等项目是否满足设计和相关标准要求的测试。依据动态检测结果，对铁路沿线GSM-R系统进行客观评价，并指导网络优化，动态检测数据对新建线路GSM-R网络开通和既有运营线GSM-R维护至关重要。

1 既有高速铁路GSM-R动态检测概述

既有高速铁路GSM-R动态检测是指高速铁路按350 km/h开通运营后，但以 300 km/h降速运营，在恢复设计速度运营前再次进行的高速铁路动态检测。针对CTCS-3级列控系统[3]（简称C3）既有运营高速铁路，使用2列CRH380AJ型高速综合检测列车A、B，对既有GSM-R系统进行4 d动态往返检测，验证动车组按设计速度运行条件下GSM-R系统的性能是否满足相关标准要求。既有高速铁路GSM-R系统动态检测包括GSM-R场强覆盖和GSM-R网络服务质量检测[4-5]。

（1）GSM-R场强覆盖检测。综合检测列车按规定速度运行条件下，检测和统计95%时间地点概率条件下的接收电平[6]，重点查找以下区段：①越区覆盖基站和区段；②基站之间覆盖范围严重不均衡的区段等。根据检测结果，可对GSM-R基站的发射功率、天线方向角、天线俯仰角等参数进行合理调整，对GSM-R场强覆盖进行优化处理。

（2）GSM-R网络服务质量检测。既有高速铁路GSM-R系统承载CTCS-3级列控无线传送业务，主要采用单网交织组网方案[7]，GSM-R网络服务质量检测内容包括：语音通信服务质量检测、分组交换数据业务服务质量检测和列控运行控制类电路交换数据业务服务质量检测[4]。GSM-R语音业务服务质量检测包括呼叫建立时间、呼叫建立失败概率、切换成功率、切换中断时间、组呼建立时间及失败概率、紧急呼叫建立时间及失败概率；分组交换数据业务服务质量检测包括GPRS数据传送时延、数据吞吐量指标；列控运行控制类电路交换数据业务（CSD）服务质量检测包括网络注册时延、CSD连接建立时延、CSD连接建立失败率、CSD数据传输端到端时延、CSD连接丢失概率、CSD传输干扰率（CSD干扰时间、CSD无差错时间）[1，4，8]。

2 存在的问题及其优化

C3高速铁路GSM-R系统承载CTCS-3级列控业务，C3最高运营速度为350 km/h，CTCS-2级列控系统（简称C2）最高运营速度为300 km/h，地面无线闭塞中心（RBC）与列车无线通信超时故障是当前高速铁路运营中比较常见的一类故障[9]。无线超时会使列车输出制动，导致列车从C3级降级到C2级运行，从而影响运输组织和运营效率[10]。CSD传输干扰率（含CSD干扰时间和CSD无差错时间）是GSM-R服务质量指标中的重要项目，描述GSM-R误码性能对列车控制信息传输的影响程度[11]，是既有C3高速铁路动态检测工作的重点，动态检测过程中发现影响CSD传输干扰率达标的3个方面如下。

2.1 外部干扰导致通信质量差产生误码

K7附近CSD传输干扰率测试时接收电平、接收质量分别见图1和图2。外部干扰导致质差7级，从而影响CSD传输干扰时间及无差错时间，详细信息见表1。

图1 K7附近CSD传输干扰率测试时接收电平

图2 K7附近CSD传输干扰率测试时接收质量

表1 K7附近CSD传输干扰率测试详细信息

2.2 切换位置不合理影响CSD无差错时间

（1）K572附近CSD传输干扰率测试时接收电平见图3。在K572附近，移动测试终端从原基站QFDTZD10向目标基站QFD-TZD11运动，切换位置严重偏出设计预设切换区域，影响CSD无差错时间指标。造成该现象的原因是：基站QFD-TZD10覆盖电平大于-47 dBm时不触发功率切换，直到接近目标基站QFD-TZD11后基站QFD-TZD10的信号电平下降并满足功率切换条件后才发生切换。详细信息见表2。

图3 K572附近CSD传输干扰率测试时接收电平

表2 K572附近CSD传输干扰率测试详细信息

（2）K1091附近CSD传输干扰率测试时接收电平见图4。在K1091附近，移动测试终端从原基站NJNZJX15向目标基站ZhenJiangXi运动切换位置，越过基站ZhenJiangXi后才发生切换，造成越区切换现象从而影响CSD无差错时间指标。造成该现象的原因是：基站NJN-ZJX15场强电平一直大于-47 dBm，直到越过目标基站ZhenJiangXi后电平下降，并满足功率切换条件后才发生切换。详细信息见表3。

图4 K1091附近CSD传输干扰率测试时接收电平

表3 K1091附近CSD传输干扰率测试详细信息

2.3 系统内邻频干扰造成异常误码

K1255附近CSD传输干扰率测试时接收电平、接收质量分别见图5和图6。在K1255附近，同站址双基站YCH-SZYQ02A、YCH-SZYQ02B位置在基站SZBKSN04（BCCH 1009）与基站YCH-SZYQ01之间，基站SZB-KSN04（BCCH 1016）、基站 YCH-SZYQ01（BCCH 1015）邻频，基站SZB-KSN04的场强电平值在基站YCH-SZYQ02A与基站YCH-SZYQ01切换区域仍有-60  dBm以上的强信号，对移动终端切换至基站YCH-SZYQ01后存在一定程度的网内干扰，导致传输数据误码，影响CSD传输无差错时间指标。详细信息见表4。

图5 K1255附近CSD传输干扰率测试时接收电平

图6 K1255附近CSD传输干扰率测试时接收质量

表4 K1255附近CSD传输干扰率测试详细信息

既有C3高速铁路经过开通前联调联试和开通后日常运营维护，GSM-R网络已日趋合理。在本次动态检测中，其GSM-R系统的场强覆盖、语音通信服务质量、分组交换数据业务服务质量和列控运行控制类电路交换数据业务服务质量均满足相关标准要求，动态检测过程中仅对CSD干扰率指标下降地点（简称劣化点）进行整改优化，并清除了个别地点附近的外部干扰信号，对部分区段场强过覆盖或覆盖过强进行了调整，通过场强覆盖调整和参数调整使越区切换位置更加合理。

3 检测数据差异性对比分析

分析检测数据时发现，2列综合检测列车的传输干扰率检测数据统计结果相近，均满足标准要求，但同列综合检测列车在不同运行方向的传输干扰率检测数据存在一定差异，而且不同列综合检测列车运行方向相同时传输干扰率检测数据也存在一定差异。检测数据的差异除个别偶发外界干扰导致，主要是越区切换位置差异导致的CSD传输无差错时间差异。当综合检测列车的1车处于综合检测列车运行前方（通信检测系统位于综合检测列车的前半段）时，相邻基站间的切换位置相对比较合理；而当综合检测列车的8车处于综合检测列车运行前方（通信检测系统位于综合检测列车的后半段）时，相邻基站间的切换位置相对比较滞后，部分区段甚至出现综合检测列车通过基站后才触发切换的现象，例如图3（基站下发生越区切换）和图4（越过基站后发生切换）中的情况，这种切换位置的差异会对CSD传输干扰率的调整优化带来困扰。

在动态检测第3天和第4天，安排相同车体类型的综合检测列车A、B进行场强覆盖和CSD传输干扰率动态对比试验，并在第3天检测结束后申请2列综合检测列车前进端换端。综合检测列车运行方向及其前进端信息见表5。

表5 综合检测列车运行方向及其前进端信息

3.1 GSM-R场强覆盖对比

第3天、第4天测试过程中GSM-R基站的功率、天线俯仰角、天线方向角等均保持不变，对比不同综合检测列车（A/B）、不同运行方向（上行/下行）、不同车体朝向（检测设备在综合检测列车前端/后端）在相同区段的场强测试数据。合并第3天、第4天综合检测列车A、B各自上、下行方向GSM-R场强覆盖测试数据，选择相同的区间进行对比，典型的场强覆盖对比见图7—图10（图中均为95%时间、地点概率下的场强覆盖电平统计值）。

图7 第3天综合检测列车A上、下行方向GSM-R场强覆盖对比

图8 第4天综合检测列车A上、下行方向GSM-R场强覆盖对比

图9 第3天综合检测列车B上、下行方向GSM-R场强覆盖对比

图10 第4天综合检测列车B上、下行方向GSM-R场强覆盖对比

对比综合检测列车A、B当天不同运行方向场强覆盖可以得出：（1）被测基站在综合检测列车上、下行不同测试条件下的场强覆盖趋势保持一致；（2）大部分地点的场强电平值相差不大，波动值较小，但在一些地点（图中以红色圆圈表示）的场强值有一定偏差，个别地点甚至超过10  dB，但偏差较大的地点均不在切换交叠区域。

分别对比综合检测列车A和B在第3天和第4天相同地点、相同运行方向的场强覆盖测试数据，发现测试结果也有一定差异性，差异值较大的地点有明显不同，这与综合检测列车的车体朝向相反有关。

对2列综合检测列车不同条件下GSM-R场强覆盖测试数据的对比可知，综合检测列车运行方向、车体朝向的不同，对GSM-R场强覆盖的测试结果有一定影响，但总体影响不大，仅在部分地点会有测试结果相差较大的情况出现。

3.2 CSD传输干扰率对比

既有高速铁路GSM-R系统承载C3级列控业务，移动终端在相邻基站间切换位置的不合理比较容易造成CSD传输干扰率中CSD传输无差错时间指标劣化，CSD传输干扰率是动态检测项目中最难达标的指标，也是最能反映C3级列控数据传输业务实际运用效果的一项指标。

在第1天、第2天的检测中发现，2列综合检测列车的检测结果存在一定差异性，主要体现在2个方面：（1）同一列综合检测列车上、下行检测结果有一定差异；（2）不同综合检测列车在同为上行（或下行）方向的检测结果有一定差异。

例如，第2天检测中，综合检测列车A在下行方向共发现13个造成CSD传输干扰率指标下降的地点，在上行方向则发现30个造成CSD传输干扰率指标下降的地点。与之相对比的是，综合检测列车B在上行方向发现15个造成CSD传输干扰率指标下降的地点，在下行方向则发现30个造成CSD传输干扰率指标下降的地点。

在检测过程中发现，2列综合检测列车相同运行方向的GSM-R网络服务质量检测结果存在一定差异，为了进一步验证差异的规律性，第3天、第4天安排差异对比试验，对CSD传输干扰率的测试数据进行分析，对比不同综合检测列车（A/B）、不同运行方向（上行/下行）、不同检测设备位置（检测设备在列车前端/后端）等条件下相邻基站间切换位置的差异。第3天与第4天CSD传输干扰率指标下降地点统计对比见表6。

表6 第3天与第4天CSD传输干扰率指标下降地点统计对比

从表中可以看出，2列综合检测列车2 d共4个往返的检测中，每列车出现的CSD传输干扰率指标下降地点的总数量每天均为40多个，相差不大。同一列在2 d的检测数据按列车运行方向对比存在不一致性，且正好相反：综合检测列车A在第3天下行方向出现的劣化点数量明显少于上行方向，而第4天下行方向出现的劣化点数量则明显多于上行方向。综合检测列车B在第3天下行方向出现的劣化点数量明显多于上行方向，第4天下行方向出现的劣化点数量则明显少于上行方向。

再按照检测设备所在位置进行分析，2列综合检测列车2 d的整个检测范围CSD干扰率检测结果基本一致，均是检测设备位于列车运行方向前端时出现的劣化点数量明显少于检测设备位于列车运行方向后端时的情况，只有不到一半的比例，也与第1天和第2天检测数据的差异性现象一致。

为了进一步印证这一规律，对第3天和第4天测试中相邻基站间切换位置的合理性进行梳理和比对。在第4天综合检测列车B的检测数据中随机找出20个切换位置相对比较合理的样本和20个切换位置相对滞后比较严重的样本，以这40个样本去比对第3天综合检测列车B在相同区段的测试样本，以及综合检测列车A在第3天和第4天在相同区段的测试样本。

（1）综合检测列车B检测数据中切换位置相对合理的样本在不同列车运行方向、不同车体朝向（第3天与第4天车体朝向不同）条件下的典型对比见图11、图12。

（2）综合检测列车A在第3天和第4天相同区段的测试情况见图13、图14。

图11 综合检测列车B不同列车运行方向、不同车体朝向切换位置典型对比（情况1）

图12 综合检测列车B不同列车运行方向、不同车体朝向切换位置典型对比（情况2）

图13 综合检测列车A不同列车运行方向、不同车体朝向切换位置典型对比（情况1）

图14 综合检测列车A不同列车运行方向、不同车体朝向切换位置典型对比（情况2）

只有图14中第4天下行方向切换位置相对滞后，其他测试样本在综合检测列车A上行、下行不同运行方向，以及第3天和第4天不同车体朝向条件下的切换位置都相对比较合理，这个切换位置相对滞后的样本正好出现在检测设备位于综合检测列车后端的条件下。

（3）对随机选出20个区段的2列综合检测列车不同运行方向、不同车体朝向条件下的切换数据进行对比，结果是其中有11个区段的切换位置都比较合理，而另外9个区段则有切换位置相对滞后的现象，9个区段切换位置相对滞后的样本均出现在检测设备位于综合检测列车后端的条件下。

（4）对第4天综合检测列车B的检测数据中随机找出20个切换位置相对滞后比较严重的区段，使用同样的对比方式，对2列综合检测列车不同运行方向、不同车体朝向条件下的切换数据进行对比，结果2列综合检测列车只有3个区段的切换位置比较合理，变化不大，而另外17个区段不同综合检测列车的切换位置均有较大变化。对比结果显示：检测设备位于综合检测列车前端时，相邻基站间的切换位置相对比较合理；切换位置滞后比较严重的样本则全部出现在检测设备位于综合检测列车后端的条件下。

（5）通过对2列综合检测列车不同运行方向、不同车体朝向CSD传输干扰率测试数据的对比，可以得出结论：①综合检测列车车体朝向（通信检测设备位置）与运行方向对单程CSD传输干扰率检测有一定影响，通信检测设备位于综合检测列车运行方向前端时的CSD传输干扰率相对较好，通信检测设备位于综合检测列车运行方向后端时的CSD传输干扰率有所劣化，主要原因是在一些区段会出现相邻基站间切换位置比较滞后、甚至越过基站才触发切换，从而对CSD无差错时间等指标产生比较明显的影响。②单列综合检测列车进行CSD传输干扰率往返测试时，统计了包括不同运行方向、不同车体朝向的检测数据，统计结果基本一致，无明显差异。

综合检测列车A、B的通信检测系统均安装在3号车，CIR、ATP等车载设备则安装在1号车、8号车或16号车（16节编组），动车组正常运行时均使用位于综合检测列车最前端的CIR、ATP等车载设备实现相关功能。即使3号车位于综合检测列车运行方向的前端时，3号车通信检测系统的检测条件也与1号车CIR、ATP等车载设备的实际运用条件存在一定差异，这种差异性的量化是下一步研究的目标。

4 结论与建议

（1）既有C3高速铁路经过开通前联调联试和日常运营维护，GSM-R网络日趋合理，为恢复按设计速度运营而进行的高速铁路GSM-R动态检测，能够发现并解决的问题主要是列控运行控制类电路交换数据业务服务质量检测指标劣化。问题产生的原因是干扰（GSM-R系统内部、外部）和切换位置不合理，其中切换位置不合理是主要原因。

（2）综合检测列车运行方向、车体朝向对GSM-R场强覆盖的测试结果有一定影响，但不影响总体结果。

（3）综合检测列车车体朝向、运行方向对单程CSD传输干扰率检测有比较明显的影响，通信检测设备位于综合检测列车运行方向前端时的CSD传输干扰率指标更接近动车组正常运营的场景。

（4）综合检测列车进行CSD传输干扰率往返测试，检测结论统计值相近，差异不明显。

需要进一步研究综合检测列车通信检测设备安装位置与动车组运营设备（CIR、ATP等车载设备）安装位置不同，造成的移动终端网络服务质量产生的差异，并研究采取合理补偿措施修正动态检测数据的可行性。目前建议在综合检测列车的两端均加装通信检测采集设备接入通信检测系统，检测过程中使用靠近综合检测列车前进端检测采集设备进行检测，更接近于CIR、ATP等车载设备的实际运用条件，其检测数据更能反映运营列车的真实情况。在目前综合检测列车检测设备安装条件下，动态检测过程中应安排综合检测列车换端，使用通信检测设备处于综合检测列车运行前进端的CSD传输干扰率检测数据指导C3级高速铁路GSM-R网络优化，提高整改优化效率。