高速铁路GSM-R通信动态检测系统

■ 杨树忠 王惠生 吴楠

1 国内外研究现状

GSM-R系统应用起源于欧洲铁路，我国21世纪初引入这一系统，特别是在高速铁路上，作为指挥高速列车行车及调度的无线通信系统。GSM-R系统的正常运行对于保障行车安全具有非常重要的意义，因此对系统状态进行检测是不可或缺的。对GSM-R系统的检测可分为2个阶段，第一阶段是在高铁线路GSM-R通信系统建设完毕开通运营前，使用动态检测系统检测网络的各项指标是否符合开通运营条件，即联调联试；第二阶段是高铁线路运营过程中的日常动态检测，及时监测通信设备及系统的运用状态，为养护维修相关部门提供重要的参考。

目前，已经有国外采购和国产化的GSM-R检测系统（硬件和软件）在0号高速综合检测列车上应用，每个月对全路各高速铁路线路进行日常检测；更高速度的综合检测列车GSM-R检测系统也已用于京沪高速铁路的日常通信检测，检测项目主要包括无线场强覆盖、语音服务质量、电路域（CSD）服务质量和分组域（GPRS）服务质量等。

2 检测系统软硬件平台

2.1 系统架构

根据《G S M-R无线网络覆盖和服务质量（QoS）测试方法》中规定的对GSM-R系统服务质量的检测项目，新一代高速综合检测列车通信检测系统（见图1）由中央处理服务器、同步定位子系统、电磁环境检测子系统、GSM-R无线场强覆盖检测子系统、GSM-R服务质量检测子系统和GPRS及应用功能检测子系统等构成。其中，中央处理服务器是整个通信检测系统的神经中枢，不仅为上述5个子系统的硬件设备提供与中央处理服务器交互的接口，还为车载软件提供软硬件平台；同步定位子系统承担为综合测试系统提供当前列车运行速度、公里标和经纬度等时空同步信息的任务；电磁环境检测是确保GSM-R系统业务在空中接口环节可靠性的前提条件；无线场强覆盖检测是确保GSM-R系统服务质量的物理基础，QoS检测指标是GSM-R网络性能的体现；应用功能检测可直接反映出业务应用层端到端业务的工作状态，为了掌握GSM-R系统及其设备的运行状态，需要对上述4个层次的项目进行全面检测。

图1 GSM-R检测系统架构

由图1可以看出，新型GSM-R检测系统是一个统一的整体，各个检测子系统可分别工作也可联合工作。系统可根据列车运行线路等级（CTCS-2级、CTCS-3级）设定不同的检测项目，配置方便灵活，使检测参数更加丰富，有助于检测数据的综合分析。使用带信令的检测模块可以同时完成CSD通信特性测试和网络特性测试。GPRS测试与调度命令及车次号传输测试融合为一个整体，减少设备数量，既降低测试成本，又减少检测对运营通信的影响。

GSM-R检测系统硬件平台使用高度集成化结构，用于服务质量测试的通信模块和基于CPCI总线的中央处理服务器及同步定位子系统的部件都可以在不拆开机箱的情况下进行安装和拆卸，便于设备更换和维修；此外，硬件平台除保证现有设备使用接口外，还预留多个USB、COM、LAN、SATA、DVI等接口，便于硬件系统进行必要扩展。

由于硬件系统高度集成化，可以不再使用CIR作为检测系统的一部分，检测系统中的通信模块可以作为语音通话使用，在操作界面上可以输入被叫号码发起语音通话，测试模块的音频信息连接到放大器接入话筒和手柄完成操作。目前，该新型GSM-R检测系统的硬件结构已经获得国家专利。

2.2 软件系统组成

软件系统分为3个独立部分，车载端的同步定位软件、GSM-R综合测试软件及地面端的配合测试软件。其中，同步定位软件通过采集连接CPCI总线脉冲记数卡的记数值和GPS信息为综合测试系统提供速度、里程和经纬度等时空信息，也可以连接现有检测列车综合同步信息进行自动定位和距离校准。

GSM-R综合测试软件分为实时测试、数据回放分析和后台统计分析三大类功能。实时测试功能根据不同类型的线路配置不同的检测项目，可以完成包括语音短呼、长呼、电路域（CSD）服务质量、分组域（GPRS）服务质量在内的QoS测试功能及调度命令等应用测试功能，在实时测试过程中伴随着信令解析、电子地图显示等辅助功能。回放分析根据实时测试过程中存储的测试文件，模拟再现整个测试过程，回放过程中可对数据和曲线进行联动分析。联动分析指当处于非正在回放状态时（回放完毕，暂停回放，停止回放），可以使用鼠标双击曲线绘图区域的某一个公里标处，其他实时的视图或列表也相应定位到该公里标处，这样可以进行故障联合定位与原因查找。

地面端的配合测试软件主要完成QoS的配合测试。可作为语音呼叫测试中的FAS台，自动接听车载端的呼叫；可作为电路域服务质量（CSD）中数据传输延时和干扰率测试的地面服务器，自动接听车载端呼叫并按指令与车载端交互帧数据；还可作为分组域服务质量测试的服务器，与车载端配合完成分组域的传输时延（Ping和UDP）测试和网络吞吐量（FTP上传/下载）测试。

同步定位子系统的加入使综合测试系统能够与现有车载检测系统在原有硬件基础上完成软件的无缝升级；综合测试系统的松耦合模块化设计方便系统二次开发和升级，信令解析和联动分析为故障准确定位提供重要指导。

3 检测数据分析处理

新型GSM-R检测系统的典型数据分析处理功能大致分为三类：（1）测试数据的实时显示、存储和统计（见图2）；（2）网络特性数据（信令）的实时解析；（3）测试数据的联动同步分析。联动同步分为2个方面，一是同一模块不同显示状态的同步，二是不同检测模块的定位同步。

图2 GSM-R检测系统实时数据显示和统计分析

在使用GSM-R检测软件进行实时检测之前，需要为每个设备配置相应的检测任务，包括语音短呼测试、长呼测试、CSD中的连接建立时延、数据传输时延和传输干扰率测试、分组域服务质量中的数据传输时延（Ping和UDP）测试和吞吐量（FTP上传/下载）测试、网络注册时延测试和应用功能测试。实时测试过程中，对于每个测试任务除显示单次测试结果外，还提供实时的统计信息，如成功率、失败率、连接失效率、丢包率、统计建立时延和传输时延等。图2下半部给出以短呼测试为实例的实时测试记录列表和实时统计列表，这些实时统计列表将是生成统计结果报表的根本依据。

为了更好地检测网络的运行状态，获取尽可能多的网络状态参数及信息，对网络无线接口Um与网络交互的信令进行采集和解析具有非常重要的意义。新型GSM-R检测系统软件可以使用2 W或8 W带信令模块进行信令采集，并利用帧格式规则进行信令的全解析。

测试数据和信令信息的多样化为信息组合定位网络故障提供了可能性，而联动同步分析为准确定位网络故障提供了重要保障。图3是联动同步分析测试数据回放视图，在这个界面中可以点击任一个显示窗口，其他窗口都可以用相关标记同步到同一公里标的检测数据上。点击图3左下部的层三信令，在曲线上显示标记处信令对应的接收电平、通信质量、C/I等指标，同时图3右下方显示出这个信令的具体解析内容。除此之外，同一测试任务和不同测试任务的其他没显示的视图也已经同步到相同公里标处的数据上。上述部分或所有同步信息的组合能够更加准确地定位网络事件的原因：如由服务小区和最强的邻小区电平忽高忽低引起的乒乓切换、切换失败原因、掉话原因（电平低或话音质量差）等，进而为网络优化提供依据。

4 结束语

未来的检测系统将向着便携式和自动化（无人值守）方向发展，硬件平台将更加高度集成化和多样化，也能给为网络状态检测和数据分析处理提供更加有力的手段。

[1] 科技运［2008］170号 GSM-R无线网络覆盖和服务质量（QoS）测试方法（V1.0）[S]，2008

[2] LOG STB 008 G GSMR AT Commands Description and MRM STB 010 M MRM Technical Specifications Version G[S]，2001

[3] Sagem，Trace protocol specificationV4.08.00 revision C[S]，2007

[4] ETSI. GSM 04.06 version 8.0.1 Release[S]，1999

[5] ETSI. GSM 05.08 version 8.0.1 Release[S]，1999

[6] ETSI. GSM 05.10 version 8.0.1 Release[S]，1999

图3 联动同步分析