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摘要：GSM—R系统的应用对我国铁路特别是高速铁路的发展起到巨大的作用。该系统的有效运营离不开联调联试和不断的网络优化，其动态检测技术也在我国得到很大发展。本文结合某高速铁路相关情况，从GSM—R技术的概念出发，对GSM—R 通信动态检测系统在高速铁路建设及运行过程中的应用进行了详细分析。
关键词：GSM—R；动态检测；应用
前言
GSM—R（GSM for Railways）系统是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统，属于专用移动通信的一种，专用于铁路的日常运营管理，是非常有效的调度指挥通信工具。
可以说，GSM—R系统的应用对于铁路建设、特别是高速铁路的建设及运行而言有着极为重要的意义。通过对该系统的合理应用，能够显著提高高速铁路的综合运行质量。而为实现整个系统的可靠性联调联式以及持续性的网络优化，要求做好对动态检测技术的应用。某高速铁路全长98.79公里，总投资97.6亿元，按国家I级双线电气化铁路建设，速度目标值为每小时250 公里，设计为客货混跑高速铁路，其牵引质量为4000吨，满足开行双层集装箱列车运输条件，在该项目建设中就引入了GSM—R系统。现结合这一实际案例，做详细分析与说明。
1 GSM—R技术简介
1.1GSM—R技术概述
GSM—R技术是由国际铁路联盟（简称UIC）所开发的适用于全球范围的铁路运输通信系统，是专门为了铁路建设、管理和运营的通信系统，其能够同时实现列车控制、调度职能，同时还在该系统中嵌入了诸如优先级、组级广播呼叫功能，让铁路运营管理更加高效。GSM—R系统的通信频率在870～960MHz之间，在运行过程中由移动台发射基站接收的上行频率在885～889MHz之间，由基站发射移动台接收的下行频率在930～934MHz之间，该两种频率的优点主要体现在建设成本低廉，同时能够很好地抵御电气化对于信号的干扰，可供实现时速≤500km/h地高铁管理需求。
1.2 GSM—R网络组成和功能
（1）网络子系统。网络子系统（简称NSS）是建立在移动交换中心（MSC）的基础之上，其与基站的连接方式是通过接口来完成的。网络子系统中包括有码型变换器、鉴权中心、组呼寄存器、设备识别寄存器和速率适配器等，其主要职能就是实现端-端之间语音呼叫和数据的管理。
（2）基站子系统。基站子系统分别由基站收发信息机和基站的控制器组成，当需要在无线区域运行时，则完全由MSC进行具体分控制。其中基站控制器的作用是管理收发信机和MSC之间的信息，同时基站控制器可以实现对收发信机一对多的控制。基站收发信机的职能体现在两个方面，其一是实现无线区域移动台的通信，其二是管理空中接口。
（3）操作和维护系统。操作系统和维护系统是彼此独立的，其中操作系统是完成网络操作的功能，维护系统则是需要进行用户、设备的管理和控制。现如今GSM—R 通信系统已经完成了外部网络之间的联系，从而实现公网、专网、移动等各个类型用户之间的联系。
2 GSM—R系统国内外研究现状
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。
3 高速铁路GSM—R通信动态检测系统软硬件平台
3.1 系统架构
根据《GSM—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。
在整个高速铁路GSM—R通信动态检测系统的实践应用过程当中，中央控制服务器作为整个高速铁路GSM—R通信动态检测系统的基础与核心所在，其上行与数据接口连接，下行与包括同步定位子系统、无线场强覆盖测试子系统、电磁环境测试子系统、服务质量测试子系统以及应用功能测试子系统相互连接。在中央控制服务器下属的多个应用功能当中，其所表现出的应用特点存在一定的差异性。具体而言，表现在以下几个方面：
（1）同步定位子系统，主要面向中央控制服务器提供包括高速铁路列车行驶速度、公里标数据以及经度、纬度地理坐标在内的相关实时性数据，确保这部分数据与列车时下运行状态之间的同步性。
（2）无线场强覆盖测试子系统，主要负责为整个GSM—R通信动态检测系统服务质量的发挥提供必要的物理性基础。
（3）电磁环境测试子系统，能够为整个GSM—R通信业务在空中接口工作环节动作的稳定性与可靠性提供必要技术支持。
（4）服务质量测试子系统，主要通过语音测试、配合CSD测试、配合网络注册时延测试的方式来直观反映整个检测系统在实时状态下的应用功能。
（5）应用功能测试子系统，主要将整个动态检测系统中业务应用层端至端业务的基本工作状态予以直观反映，从而更为良好与全面地把握整个GSM—R通信动态检测系统的实时状态。
在GSM—R通信动态检测系统的实际应用过程当中，可以结合高速铁路列车运行线路等级划分的差异性（主要涉及到CTCS—2/3这两类等级），来设定与之相对应的检测项目，保障检测过程中各项关键设备配置的灵活性与便捷性。其突出优势表现在：一方面能够实现整个配置的灵活性与便捷性，另一方面可通过对检测参数的调动，达到综合分析检测数据的目的。
而从GSM—R通信动态检测系统基本硬件结构的角度上来说，通过采取高度集成化的硬件结构，能够确保中央控制服务器以及下属多个子系统部件均能够在不拆机的状态下完成相应的安装及拆卸处理。与此同时，在硬件通信结构面向设备提供使用接口的过程当中，还预留有包括USB、DVI、SATA以及LAN 在内的多种类型接口，方便硬件结构在使用过程中进行可靠性拓展处理。
3.2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CP CI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F A S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。
4高速铁路GSM—R 通信动态检测系统具体应用分析
4.1高速铁路GSM—R通信动态检测系统场强覆盖检测分析
我国针对高速铁路450MHz单位以上场强覆盖检测作业有着极为丰富的经验，而对于刚成功实现动车组试运行的南宁至钦州高速铁路项目中的场强覆盖要求也有着良好的适应性。结合我国现阶段铁道部门对于GSM—R通信动态检测系统建设的基本网络规划，要求在充分结合线路延伸状态的基础之上将网络基站划分为三种类型：单网覆盖模式、交织冗余覆盖模式、同站址双网覆盖模式。在此基础之上结合场强覆盖检测要求配备相应的检测装置。从实际情况来说，国内多数高速铁路所采取的场强覆盖检测模式为：建立在往返运行机车交路基础之上的GSM—R线路检测。在该模式中，通常需要在检测车上配置两台独立运行的测量接收机装置，针对基站覆盖区间进行检测（如下图2）所示。在两台测量接收机装置配合接收覆盖检测信号的过程中，实现持续性的场强覆盖检测，从而为后续整个GSM—R通信动态检测系统的养护维修提供必要保障。
图2 高速铁路GSM—R通信动态检测系统基站场强覆盖检测示意图
4.3高速铁路GSM—R通信动态检测系统数据处理分析
现代意义上的GSM—R通信动态检测系统在有关检测数据信息的分析与处理方面主要关注对以下几个方面功能的实现：首先，是针对GSM—R通信动态检测系统所测定数据的实时性显示、存放以及统计处理功能；其次，是针对GSM—R通信动态检测系统网络特性数据的实时性解析处理功能；最后，是针对GSM—R通信动态检测系统测定数据的联动性、同步性分析功能。
在GSM—R通信动态检测系统软中，按照测试目标的差异性，可以将其划分为包括语音短呼测试、数据传输时延测试、语音长呼测试、数据传输干扰量测试以及吞吐量测试等。对于高速铁路而言，在应用GSM—R通信动态检测系统软件完成上述应用功能的过程当中，要求测试任务不单单需要针对单侧测试状态下的数据结果予以可靠性显示，同时还应当将高速铁路在实践应用过程中所涉及到的包括通信动态检测系统数据传输成功率、失效率、丢包率以及传输时延率等实时性统计信息予以有效展示。
与此同时，在GSM—R通信动态检测系统的应用过程当中，涉及到对于信息组合定位网络故障的应用问题，要求通过多样化的测试数据以及信息指令数据的方式予以实现。在此基础之上，GSM—R系统支持下的联动性与同步性数据处理还能够为网络故障定位的精确性提供必要支持。对于高速铁路现场维护人员而言，可以在回放视图中任意选取相应的显示窗口，此项操作方式能够向回放视图中的其他的显示窗口发出操作指令，指令其以标记提供的方式，实现对高速铁路同一公里标所对应检测数据的同步性处理。按照这种方式，在高速铁路正常运行过程当中，若通信系统出现因电平较低、切换动作失误或者是话音质量较低因素而导致的网络故障问题，则能够确保GSM—R通信动态检测系统更为及时、准确地针对系统故障进行定位处理，确保后续网络优化有效。
4.3高速铁路GSM—R通信动态检测系统中的服务质量检测
GSM—R系统的网络服务质量检测是无线网络优化工作的重要组成部分。GSM—R系统的网络服务质量检测可以借鉴公共无线网络检测的经验，结合铁路应用和网络评价的特点，研发适合铁路GSM—R系统的检测装备。检测通常要求测试内容包括铁路公里标信息，这是与公共无线网络检测的最大区别，根据公里标和基站名可方便地确定问题地点。
早期引进和研发的GSM—R系统的检测装置使用2 W测试手机，目前检测设备提供商研发了车载模块检测系统，使检测评价更符合铁路应用规范。在综合检测车上，通常配置3—4个检测终端，在一个往返中完成铁道部规范中要求的各项检测科目。检测终端不能配置过多，避免在检测中对运营通信造成干扰。使用功能完善的检测装置对查找GSM—R系统的网络问题很有帮助，
4.4高速铁路GSM—R通信动态检测系统中的干扰检测
GSM—R系统的网络正常运行需
要不断地进行网络优化，其中干扰的查找和分析非常重要。目前，干扰检测手段主要有关闭网络检测（用于系统开通前的检测）和在线检测（可用在任何时间）。关闭网络检测使用频谱分析仪，在GSM—R系统的网络关闭时对上下行频点进行扫描，以发现是否有其他通信系统使用GSM—R系统的频率。
目前，在线干扰检测装置没有像服务质量检测装置那样装备到检测部门，使用的检测方式有时不能正确判断干扰强度和来源。在线干扰检测中使用带广播信令解析能力的扫频方式，可检测出行驶线路上所有GSM—R信号电平和载干比，以及广播控制信道（BCCH）的相关信息。
4.5高速铁路GSM—R通信动态检测系统中的CSD检测
采用CTCS－3级列控系统的线路以GSM—R系统作为数据传输通道，欧洲对列车控制数据传输有明确的规范，根据本国的实际在欧洲规范的基础上自行确定要求。我国主要是参考欧洲的规范进行检测和评价。
虽然有检测规范，但对规范的理解不同和检测经验不足，各种检测设备在检测方法和统计分析方法不同。
5结语
综上所述，GSM—R通信动态检测系统的建设及应用对于保障整个高速铁路高效且稳定运行而言有着重要的意义。在高速铁路各项综合接入业务不断丰富的过程当中，整个铁路建设网络体系的运行及维护体系也将发生深入的变化，GSM—R通信动态检测系统同样需要做好相应的转变，在充分适应高速铁路发展需求的同时，为铁路运输事业的发展做出贡献。
参考文献：
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[3]熊磊，路晓彤，钟章队．高速铁路GSM—R系统无线信道特性仿真[J]．中国铁道科学，2010（05）
论文作者:常晓玲
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2015年12月下
论文发表时间:2016/9/21
标签：检测系统论文; 测试论文; 通信论文; 子系统论文; 系统论文; 高速铁路论文; 动态论文; 《建筑建材装饰》2015年12月下论文;