铁路数字移动通信系统的传输干扰性能分析与改善

第３３卷第７期铁 道 学 报Ｖｏｌ．３３　Ｎｏ．７２　０　１　１年７月ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＣＨＩＮＡ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＯＣＩＥＴＹ　Ｊｕｌｙ　２０１１文章编号：１００１－８３６０（２０１１）０７－００３８－０６铁路数字移动通信系统的传输干扰性能分析与改善林思雨，　钟章队，　艾　渤（北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京　１０００４４）摘　要：传输干扰率是铁路数字移动通信系统的服务质量指标中重要的一项，其描述铁路数字移动通信系统误码性能对列车控制信息传输的影响程度。

在介绍铁路数字移动通信系统传输干扰基本概念的基础上，分析影响铁路数字移动通信系统传输干扰性能的重要因素，包括列车控制系统信息传输特性、列车控制系统链路层数据传输协议、通信系统越区切换等。

基于列车运行速度与传输干扰间的关系，提出采用分布式天线扩大小区覆盖范围的方案，降低数据传输与越区切换发生的碰撞概率，以改善传输干扰性能。

通过对分布式天线系统覆盖范围以及对其同频干扰、载波干扰比等性能指标的理论分析，证明了分布式天线覆盖方案可以有效地扩大广义小区的覆盖面积以改善铁路数字移动通信系统传输干扰性能。

关键词：高速铁路；铁路数字移动通信系统；服务质量；传输干扰；分布式天线中图分类号：ＴＮ９２９．５；Ｕ２８５．２１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８３６０．２０１１．０７．００７Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｏｎ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ＳｙｓｔｅｍＬＩＮ　Ｓｉ－ｙｕ，　ＺＨＯＮＧ　Ｚｈａｎｇ－ｄｕｉ，　ＡＩ　Ｂｏ（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｒａｉｌ　Ｔｒａｆｆｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ｓａｆｅｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｅｒｖｉｃｅ（ＱｏＳ）ｏｆ　ｔｈｅ　ｒａｉｌｗａｙ　ｄｉｇｉｔａｌｍｏｂｉｌｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｄｉｃｅ，ｗｈｉｃｈ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｉｔ　ｅｒｒｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＧＳＭ－Ｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎｔｒａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｓｓａｇｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒａｉｌｗａｙ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｍｏｂｉｌｅ　ｃｏｍ－ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｔｈａｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒａｉｌｗａｙ　ｄｉｇ－ｉｔａｌ　ｍｏｂｉｌｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｒａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｓｓａｇｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｄａｔａ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＭＡＣ　ｌａｙｅｒ　ａｎｄ　ｈａｎｄｏｖｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｅｌｌ　ｃｏｖｅｒａｇｅ　ａｒｅａ　ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ａｎｔｅｎｎａｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｉｎ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｉｓ　ｓｃｈｅｍｅ　ｃａｎｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｄａｔａ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｈａｎｄｏｖｅｒ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏ－ｃｈａｎｎｅｌｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｃａｒｒｉｅｒ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｒａｔｉｏ．Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｓｃｈｅｍｅ　ｉｓ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙ－ｓｉｓ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ；ｒａｉｌｗａｙ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｍｏｂｉｌｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ＱｏＳ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ａｎｔｅｎｎａｓ　ｓｙｓｔｅｍ 随着列车运行速度的提高，无线通信信号多普勒频移将增大、相干时间减少、电平交叉率变快、越区切换发生频繁，这些变化将对承载列车运行控制信息（简收稿日期：２００９－０６－１０；修回日期：２００９－１２－３０基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０８３０００１）；国家重点实验室重点课题（ＲＣＳ２００８ＺＺ００６）北京交通大学优秀博士生科技创新基金资助项目（１４１０５９５２２）。

作者简介：林思雨（１９８４—），男，北京人，博士研究生。

Ｅ－ｍａｉｌ：０７１１１０１７＠ｂｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ称列控信息）传输的铁路数字移动通信系统ＧＳＭ－Ｒ产生不利影响。

服务质量是ＧＳＭ－Ｒ系统性能在业务上的具体体现，直接影响用户满意程度。

目前对ＧＳＭ－Ｒ系统用于列控信息传输业务的服务质量（ＱｏＳ）研究还停留在测试方法以及应用分析上［１－２］，ＱｏＳ指标要求也是根据工程经验结合一定理论分析而制定［３］。

随着列车运行速度的提高，当前我国ＧＳＭ－Ｒ系统如何满足列控信息高效可靠传输的要求成为亟待解决的问题，而传输干扰作为一项保证列控信息可靠有效传输的重要指标，尚需专门研究。

本文在对传输干扰基本概念分析的基础上，指出影响ＧＳＭ－Ｒ系统传输干扰性能的主要因素，包括越区切换频率、越区切换时间、列车运行控制系统消息传输协议等。

基于这些因素对传输干扰指标的影响，提出采用分布式天线方案对铁路沿线进行无线信号覆盖，以改善高速条件下ＧＳＭ－Ｒ系统传输干扰性能，探讨通过分布式天线覆盖的方式降低传输干扰的可行性，并对该覆盖方式下ＧＳＭ－Ｒ系统同频干扰以及载波干扰比等性能指标进行理论分析。

１　ＧＳＭ－Ｒ系统传输干扰ＧＳＭ－Ｒ系统服务质量指标体系由电路域语音业务ＱｏＳ指标、电路域列车控制类数据业务ＱｏＳ指标和分组域数据业务ＱｏＳ指标３部分组成。

其中电路域列车控制类数据业务的ＱｏＳ要求［４］如表１所示。

其中传输干扰性能指标仅在电路域列车控制类数据业务中进行定义。

表１　ＧＳＭ－Ｒ网络列车控制类数据业务ＱｏＳ指标服务质量项目指标值连接建立时延／ｓ＜８．５（概率９５％），≤１０（概率１００％）连接建立失败概率＜１０－２最大端到端传输时延／ｓ≤０．５（概率９９％）连接丢失速率／（次·ｈ－１）≤１０－２传输干扰周期ＴＴＩ／ｓ＜０．８（概率９５％），＜１（概率９９％）传输无差错时间ＴＲＥＣ／ｓ＞２０（概率９５％），＞７（概率９９％）网络注册时延／ｓ≤３０（概率９５％），≤３５（概率９９％），≤４０（概率１００％） 传输干扰用于描述ＧＳＭ－Ｒ系统误码性能对列控信息传输的影响，采用传输干扰率指标进行量化表示。

传输干扰率指标由两个参数组成，分别是传输干扰周期ＴＴＩ和传输无差错周期ＴＲＥＣ。

一个传输干扰周期指通信连接正常情况下，３０字节列控信息无法正确传输的一段时间。

如果车载设备接收到的列控信息中出现误码或发现丢包，则传输干扰发生。

传输干扰周期之后必须要有一段时间将列控信息准确无误地发送给车载设备，这段时间称为传输无差错周期或传输恢复周期。

图１所示为信道状态与帧传输的关系。

传输干扰不仅与无线信道状态有关，而且与数据帧长度有关。

情况Ａ表示数据帧早于传输干扰周期开始发送；情况Ｂ表示无差错传输时间不足以发送数据帧；情况Ｃ表示无数据帧发送；情况Ｄ表示数据帧传输晚于传输干扰周期结束。

传输干扰传输恢复正常传输正确帧帧状态误帧正确信道状态错误A B C D图1信道状态与帧传输状态的关系２　影响传输干扰的主要因素ＧＳＭ－Ｒ系统传输干扰性能与列控系统的安全性和可靠性关系紧密。

掌握影响ＧＳＭ－Ｒ系统传输干扰的主要因素对于改善通信系统性能、保证列车高速安全运行具有重要作用。

２．１　ＧＳＭ－Ｒ系统对传输干扰指标要求ＧＳＭ－Ｒ系统的传输干扰指标是根据列控系统服务质量要求结合ＧＳＭ－Ｒ系统本身特性制定的。

在分析影响传输干扰主要因素前，需要说明ＧＳＭ－Ｒ系统传输干扰要求的制定方法［４］。

文献［４］定义传输干扰的最差情况是越区切换伴随着强占业务同时进行。

在低优先级呼叫被强占过程中，数据传输将在切换后的小区内继续进行，此时当前小区的服务质量会越来越差，切换后小区的质量将越来越好，如图２所示。

完成整个过程需要约９００ｍｓ的时间，即强拆呼叫释放时延（约为６００ｍｓ）加上切换时延（约为３００ｍｓ）。

但强拆呼叫释放时间以及切换时延都是统计平均值，为满足统计特性，要求ＴＴＩ＜０．８ｓ（概率为９５％）和ＴＴＩ＜１ｓ（概率为９９％）。

传输干扰周期正确错误信道状态切换请求切换强占时间图2越区切换造成传输干扰过程传输无差错周期ＴＲＥＣ是在传输干扰周期后用来重新发送错误的和等待传输的数据分组。

最小传输无差错周期ＴＲＥＣ必须保证至少一个完整列控信息传输完毕。

列控信息一般长度为２５０字节到５００字节，传输５００字节大约需要７ｓ的无差错传输时间。

最大可能的传输无差错时间是从正常切换到当前小区至下一次正常越区切换开始的时间间隔。

假设列车速度为３６０ｋｍ／ｈ，小区直径一般大于２ｋｍ，那么发生切换的时间间隔约为２０ｓ。

因此要求ＴＲＥＣ＞２０ｓ（概率为９５％），ＴＲＥＣ＞７ｓ（概率为９９％）。

２．２　列控系统特性对传输干扰的影响传输干扰由多种因素造成，列控系统特性对于传９３第７期铁路数字移动通信系统的传输干扰性能分析与改善输干扰的影响主要体现在列控信息传输过程中发生越区切换的概率（简称为碰撞概率）上，如图３所示。

(b)消息传输与越区切换发生碰撞越区切换时间;信息安全传输区间。

信息安全传输时间消息传输时间(a)消息传输未发生碰撞信息安全传输时间消息传输时间消息传输时间图3数据传输与越区切换发生碰撞图３（ａ）中表示消息传输在越区切换间隔时间内完成，没有碰撞发生。