GSM-R网络中CRH380A型动车组无线接收性能分析

叶伟华

(浙江交通职业技术学院，浙江 杭州 311112)

0 引 言

铁路综合数字移动通信系统(Global System for Mobile Communications - Railway，GSM-R)是一项用于铁路通信及应用的国际铁路无线通信系统。该系统基于GSM(Global System for Mobile Communications)全球移动通信系统技术平台[1]，当速度高达500km/h也能保证有效通信性能。GSM-R系统的质量要求参数包括网络注册时延、连接建立时延、连接建立失败率、传输时延、连接丢失率和传输干扰等[2]。在话音通信中，衡量网络的服务质量指标还包括呼损率、越区切换成功率、切换中断时间等[3]。

由于高铁在运行过程中速度太快，高铁动车组与GSM-R基站之间采用的是无线通信传送信号，机车车载电台故障、无线信道质量下降以及地面无线闭塞中心(RBC)故障等都可能导致GSM-R网络发生无线接收异常，从而引起无线超时。无线超时如果不能及时消除会导致高铁降级运行，严重影响高铁的运行效率和安全。

1 GSM-R网络结构

GSM-R网络由移动台、基站子系统、网络子系统等三个子系统组成。移动台(MS)是GSM-R网络中的移动终端，包括高铁动车组电台和GSM-R手持电话等[4]。移动台(MS)通过空中接口连接GSM-R网络基站子系统[5]。

基站子系统(BSS)中的基站收发台(BTS)可以将移动台(MS)传来的信息通过Abis接口传给基站控制器(BSC)。基站控制器(BSC)通过Ater接口可以将信息传给编码速率适配单元(TRAU)[6]，它实现了GSM-R编码速率向标准的PSTN或ISDN速率的转换[7]。

网络子系统(NSS)建立在移动交换中心(MSC)上，通过A接口连接基站子系统(BSS)，与固定网络的接口决定于互联网络的类型。操作和维护子系统(OSS)是相对独立的子系统，为GSM-R网络提供管理和维护功能。 GSM-R通信网络必须与固定网络连接，GSM-R网络的信令系统采用NO.7信令网传送呼叫控制信息和其他信令信息[8]。

2 GSM-R系统网络接口

GSM-R系统网络接口主要由Igsm-r接口、Um接口、Abis接口、A接口和PRI接口等组成，其基本结构如图1所示。Igsm-r接口位于动车无线传输单元(RTU)与车载电台(MT)之间，用于监测机车无线接收情况。

图1 GSM-R系统网络接口

Um接口位于电台(MT)和基站收发台(BTS)之间，其物理连接通过无线链路实现。Um接口特性完全标准化，其接口上的协议可分为三层[9]。第一层是物理信道包括TDMA帧、FDMA和逻辑信道复用。第二层是LAPDm协议，由于实时的限制导致没有错误重发机制。第三层是无线接口层，包括无线资源管理(RR)、移动性管理(MM)和连接管理(CM)三个子层。无线资源管理(RR)子层负责寻呼、功率控制、加密、切换；移动性管理(MM)子层负责安全，定位，IMSI附加和分离；连接管理(CM)子层负责呼叫控制(CC)、补充业务(SS)、短消息业务(SMS)、双音多频(DTMF)设备等[2]。

Abis接口是BSS系统的两个功能实体BSC与BTS之间的通信接口，用于BTS和BSC之间的远端互连方式[10]。Abis接口支持系统向移动台提供的所有服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。BTS和BSC之间交换的消息包括业务交换；呼叫建立和BTS操作与维护的信令交换。BTS和BSC之间的物理接入有2.048Mbit/s(E1)或者1.544Mbit/s(T1)的PCM数字链路，由32路或24路的64kbit/s话路组成[11]。

A接口位于速率适配单元(TRAU)与MSC与之间，其特性完全标准化，任何厂商的设备可以互连。 A接口交换的消息包括用户业务和信令[12]。用户业务的传输在无线接口上每个时隙映射成一个业务信道。信令传输遵循CCITT7号信令系统(SS7)，由消息转移部分(MTP)和信令连接控制部分(SCCP)两部分组成[13]。

PRI接口位于MSC 与ISDN服务器之间，是ISDN基群速率接口，其传输速率为2.048Mb/s。PRI接口结构由采用PCM系统协议的物理层、采用LAPD接入协议的链路层和采用Q.931分组格式的网络层等组成[14]。

3 GSM-R无线接收案例分析

GSM-R无线接收中常发生的故障为无线超时现象。无线超时指的是高铁动车组未能及时收到基站子系统(BSS)传来的信息而发生的现象。车载电台故障、无线信道质量下降等原因都有可能引起无线超时现象的发生。根据《中国国家铁路集团有限公司企业标准》(Q/CR744-2020)CTCS-3级列控车载设备技术规范，若机车连续两次收到地面RBC 发来的消息，时间间隔在10～20s之间则判定为无线超时，若时间间隔超过20s机车会自动降级到CTCS-2级运行[15]。

3.1 机车电台异常引起的无线接收故障分析

G4614次列车(归属局：南昌局，CRH380A-2701-01 300S)在赣深高铁小区为GZX-XFX08，公里标为k1962+168 处车载电台(MT)异常挂机，挂机前车载电台与 RBC(92180304)进行通信。PRI 接口监测数据如表1所示。

表 1 PRI接口监测数据

由PRI 接口监测数据可知，数据交互异常，拆链异常。拆链前下行方向发送的数据中均包含NR为62帧，未见到上行方向回复相关数据，且这期间上行方向出现大量CRC校验错误，在RBC连续发送5个探寻帧未收到回复后发送 SABME 拆链，RBC给MSC发送 DISCONNECT 信令。

Abis 接口监测数据如表2所示，小区切换完成，BSC给BTS发DISCONNECT信令。Abis接口信号测量数据如表3所示，小区切换完成后，上下行电平值正常，下行通信质量偶尔存在质差，无邻区电平值，但之后上行通信质量突降为7级质差，无下行电平值。

表2 Abis接口监测数据

表3 Abis接口信号测量数据

小区切换完成后，1014小区和1005小区仍在正常下发系统消息，1014小区和1005小区均为当前小区的邻区，1014小区为当前小区的上一个小区，1005为当前小区的下一个小区。

Igsm-r 接口监测数据如表4所示，可知数据交互异常，拆链异常。电台挂断前，上行方向发送的数据中均包含NR为125的帧，未见到下行方向回复相关数据，期间上行方向连续发送号码为136的列车位置报告数据包，未见到下行方向发送相关回复，MT给机车发送命令“DCD OFF”，电台挂断。

表4 Igsm-r接口监测数据

综合分析 PRI、Abis和 Igsm-r 接口监测数据，由Abis 接口测量报告可知，小区切换完成后，上下行电平值正常，下行通信质量偶尔存在质差，无邻区电平值，之后上行通信质量突降为7级质差，无下行电平值。由Abis接口可知1017小区前后两个邻区 1014小区和1005小区仍在正常下发系统消息，说明在此期间邻区电平值正常，但电台并未正常解析。

由 PRI 和 Igsm-r 接口监测数据可知，数据交互异常，拆链异常。在 RBC 连续发送探寻帧未收到回复后，RBC发送SABME拆链，RBC给MSC发送 DISCONNECT信令。

列车切换到 1017小区后，两个邻区正常下发系统消息，但电台并未正常上报两个邻区的电平值，之后上行通信质量突降为7级质差，影响数据交互，RBC发起拆链。综上所述，此次超时为电台工作异常，未正常上报邻区电平值导致。

由于车载电台故障引起的无线超时现象比较随机，次数也不是很多。要克服车载电台引起无线故障的发生，一方面要电务信号维护人员严格按照机车运行标准将机车电台维护到位，另一方面当Igsm-r 接口监测数据出现MT给机车发送命令“DCD OFF”时，当前电台要设置立马挂断机制，启用备用电台与GSM-R网络连接，保障高铁机车信号的畅通。

3.2 无线信道质量下降引起的接收故障分析

G1564次列车(归属局：南昌局，车型：CRH380A-2708-00 300S)运行在京石武高铁公里标为k511+318 处，车载电台(MT)与无线闭塞中心(RBC)异常挂机。通过Igsm-r接口数据可知数据交互异常，拆链异常。机车未收到46号I帧，上行方向发送的数据均包含 46号NR帧，之后再未见到下行方向发送任何数据。

由Igsm-r接口数据可知，下行电平值正常，下行通信质量存在质差，电台正常发送测量报告，基站按周期发送系统消息，之后下行电平值突降-100dBm以下，下行通信质量突降7级质差，电台正常发送测量报告，基站不发送系统消息。

如表5所示，由Igsm-r接口数据可知，车地间数据交互异常，拆链异常。由于机车未收到号码为46的数据包，上行方向发送NR为46号帧的数据，之后未见到下行方向发送任何数据和应用层消息，电台MT发送AT命令“NO CARRIER”，转为空闲模式。

表5 Igsm-r接口数据

综合分析Igsm-r接口监测数据，Igsm-r 接口数据交互异常，拆链异常。由于机车一直未收到46号帧，Igsm-r接口上行方向发送的数据包含NR为46号帧，再未见到下行方向发送任何数据和应用层消息。电台MT给列车超时防护系统ATP发送 AT 命令 “NO CARRIER”，电台转为空闲模式，ATP逻辑正常。

GSM-R无线通信下行电平值正常，下行通信质量存在质差，电台正常发送测量报告，基站按周期发送系统消息，之后下行电平值突降-100dBm以下，下行通信质量突降7级质差，电台正常发送测量报告，基站不发送系统消息。电台工作正常。综上所述，此次超时为无线信道恶化，下行通信质量下降导致。

高铁线路比较复杂，无线电波传播具有多径效应和多普勒效应，无线信道质量下降引起的无线接收故障比较常见。5G无线通信具有高速率、低时延和大带宽等优点，采用5G网络与GSM-R网络双模融合的方案进行接收。当机车电台MT发送AT命令“NO CARRIER”时，GSM-R网络信道质量变差，当前网络需及时切换到5G网络进行无线传输，保障高铁动车组信号的稳定可靠。

4 结 语

GSM-R通信系统在高速铁路上得到广泛地应用，但高速动车组与基站收发器(BTS)之间通信存在无线接收故障问题。针对机车电台异常和无线信道质量下降等原因引起的无线接收故障案例进行了分析。由于GSM-R铁路无线通信系统在传输速率、通信容量以及传输时延等性能指标都比较落后，需要采用新一代信息技术来提升铁路通信网络的性能。5G网络相比于传统的2G、3G、4G网络，能够提供更高的速率、更低的时延及更大的连接数。未来网络切片、边缘计算、大数据等5G通信新技术将越来越多地应用到铁路领域，使铁路运输更加安全、高效和智能。