GSM-R干擾判別與分析系統(tǒng)的研究

■ 孫亮

目前，我國已經建設了分別代表高原、重載和繁忙干線的青藏鐵路、大秦線、膠濟線3條GSM-R線路，同時也完成了武廣、滬寧、滬杭等部署CTCS-3級列控系統(tǒng)（C3）的高速鐵路的建設。在以上線路的建設過程中，GSM-R網絡分別出現(xiàn)了不同程度的覆蓋和干擾問題，因此干擾測試成為保障無線網絡規(guī)劃和排查干擾的重要手段。

1 干擾的主要類型

GSM-R系統(tǒng)面臨的干擾按干擾源劃分主要包括以下幾種：同頻干擾、鄰頻干擾、直放站干擾、互調干擾和外部干擾。同頻干擾指所有落到接收機通帶內與有用信號頻率相同的無用信號干擾，即指無用信號的載頻與有用信號的載頻相同，并對接收同頻有用信號的接收造成影響的干擾，亦稱同信道干擾。鄰頻干擾分為兩大類：一類來自GSM-R網內，主要是由于頻率規(guī)劃不合理，相鄰的2個頻率距離太近，可以從GSM-R網絡頻率規(guī)劃表中直接得出。一般情況下，在GSM-R網絡中如果當前小區(qū)的廣播控制信道（BCCH）載波頻率或業(yè)務信道頻率和當前小區(qū)的兩層相鄰小區(qū)所規(guī)劃的BCCH載波頻率或業(yè)務信道頻率出現(xiàn)相鄰的情況，則認為會產生鄰頻干擾。一類來自網外，主要是GSM-R和中國移動、中國聯(lián)通之間的干擾。如果在某一位置中國移動或中國聯(lián)通在鐵路沿線附近小區(qū)的BCCH載波頻率和GSM-R網絡的對應小區(qū)或相鄰小區(qū)BCCH載波頻率出現(xiàn)相鄰情況，兩者可能會產生鄰頻干擾。直放站干擾主要是由于設置使用不合理，將對移動通信網絡造成嚴重干擾?；フ{干擾主要是指當有多個不同頻率的信號加到非線性器件上時，非線性變換將產生許多組合頻率信號，其中的一部分可能落到接收機通帶內，對有用信號形成干擾。

2 GSM-R干擾判別與分析系統(tǒng)原理

GSM-R干擾判別與分析系統(tǒng)的主要原理是采用電腦控制終端M S采集Um接口的信令信息，通過對Um接口協(xié)議的分析得到測試點附近的相關基站的網絡信息，用于分析附近是否存在對GSM-R網絡形成干擾的信號，其結構見圖1。

為了便于理解結構圖，首先簡單介紹一下GSM-R系統(tǒng)結構。GSM-R系統(tǒng)由6個子系統(tǒng)組成：交換子系統(tǒng)（SSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）、固定用戶接入交換系統(tǒng)（FAS）、運行與維護子系統(tǒng)（OM C）、通用分組無線業(yè)務子系統(tǒng)（GPRS）、終端子系統(tǒng)、移動智能網子系統(tǒng)（IN）和終端，并通過SSS中的網關移動交換中心（GM SC）實現(xiàn)與其他通信網絡電路域業(yè)務的互聯(lián)互通，通過通用分組無線業(yè)務系統(tǒng)（GPRS）中的網關GPRS業(yè)務支持節(jié)點（GGSN）實現(xiàn)與其他數(shù)據(jù)信息網絡分組域業(yè)務的互聯(lián)互通（見圖2）。

圖1 GSM-R干擾判別與分析系統(tǒng)結構圖

在GSM-R系統(tǒng)中，信令消息具體體現(xiàn)在接口的協(xié)議和規(guī)范上。接口代表2個相鄰實體之間的連接點，而協(xié)議是說明連接點上交換信息需要遵守的規(guī)則。在GSM-R系統(tǒng)中主要的接口有：無線（Um）接口、Ab is接口、Ater接口、A接口、PSTN/ISDN/PSDN接口。Um接口位于M S和BTS之間，是二者的通信接口，用于移動臺和系統(tǒng)固定部分之間的通信，其物理連接通過無線鏈路實現(xiàn)。GSM-R干擾判別與分析系統(tǒng)主要采集的是Um接口的信息。

U m接口上的協(xié)議可以分為3層。第一層是物理支持：TDM A幀、FDM A和邏輯信道復用。第二層是LAPDm協(xié)議，沒有標志，由于實時的限制沒有錯誤重發(fā)機制。第三層是無線接口層，其中又包括3個子層：無線資源管理（RR）子層用于尋呼、功率控制、加密、切換；移動性管理（M M）子層用于安全、定位、IMSI附著/分離；連接管理（CM）子層用于呼叫控制（CC）、補充業(yè)務（SS）、短消息業(yè)務（SM S）、雙音多頻（DTM F）信令。Um接口協(xié)議分層見圖3。將Um接口采集到的信令進行分析，便可以得到當前使用終端附近的網絡信息。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 軟件結構

軟件系統(tǒng)主要是由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、基站信息數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊組成（見圖4）。

軟件的工作流程是通過數(shù)據(jù)采集模塊采集相應的數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)存儲到計算機內，數(shù)據(jù)分析模塊將存儲的數(shù)據(jù)進行分析整理，把分析后的數(shù)據(jù)與基站信息數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比對，比對出的結果保存起來便于日后進一步分析、查詢，并根據(jù)需要輸出和顯示。

3.2 關鍵技術

3.2.1 終端的控制流程

終端的控制主要通過電腦向終端發(fā)送AT命令和Trac e命令實現(xiàn)。AT命令主要是對終端撥打功能的控制，如撥打電話、掛機、發(fā)送數(shù)據(jù)信息等，Trace信令主要是對M S輸出GSM-R信令的控制，如激活相應信令的輸出、鎖定指定信道等。Trace信令與電腦的交互流程見圖5。

圖2 GSM-R網絡結構示意圖

圖3 Um接口分層結構示意圖

圖4 軟件系統(tǒng)組成結構示意圖

3.2.2 Trace信令解析

終端與電腦之間交互的Trace信息幀結構見圖6。其中STX/ETX定義了幀結構的包頭和包尾，包頭：0x02，包尾：0x03，App lication Id定義了手機型號，通常為0x02，代表所采用的機型為2G5（OT46x， OT49x）系列，M essage Leng th表示的是除去Checksum和ETX的數(shù)據(jù)幀的長度，M essage Iden tification定義了幀的數(shù)據(jù)類型，M essage Con ten t是幀結構的數(shù)據(jù)主體內容，Checksum是幀結構的校驗碼。

3.2.3 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲保存的主要內容包括測試信息的存儲及用于分析的基站信息數(shù)據(jù)庫兩部分。

測試信息包括對終端控制的AT命令、Trace信息、相關命令的時間信息、測試地點信息及分析后測試結果。

圖5 Trace信令與電腦的交互流程

圖6 Trace信息幀結構

基站信息數(shù)據(jù)庫存儲了全國GSM-R線路沿線相關的基站信息，包括基站所在地點的經緯度、BSIC、分配使用的BCCH信道號、TCH信道號、線路信息等，為數(shù)據(jù)分析模塊提供數(shù)據(jù)參考。

3.2.4 地理信息

將測試地點當前的地理信息和基站信息數(shù)據(jù)空中的地理信息在顯示模塊中以地圖的方式直觀的顯示，可以方便對周邊GSM-R網絡直觀了解，方便分析信號的來源、距離，對測試情況有進一步的了解。

3.2.5 小區(qū)鎖定以及掃頻功能

系統(tǒng)采用的終端特有的2種功能，強制功能，可以實現(xiàn)在空閑以及通話模式下鎖定BCCH，禁止越區(qū)切換以及鎖定頻段功能；掃頻功能有3種模式，分別為射頻掃描、BCCH掃描及BCCH on ly模式。射頻掃描：在此模式下，信道依次掃描，只顯示接收電平；BCCH掃描：在此模式下，信道依次掃描，顯示接收電平并解碼BCCH；BCCH on ly：在此模式下，顯示接收電平并只解碼可用的BCCH。通過這2種功能能夠更加快捷的得到特定基站的信息，掌握干擾來源地點。

4 結束語

基于對M S與基站之間的通信Um接口的信令采集，能自動完成網絡信息收集，分析及判斷是否存在同頻干擾的功能，相信干擾判別與分析系統(tǒng)能為GSM-R無線網絡的優(yōu)化、全路GSM-R系統(tǒng)的監(jiān)測和檢測工作提供干擾信號類型的有力判斷依據(jù)，為迅速排查干擾源提供進一步的數(shù)據(jù)支持，提高測試的工作效率。

[1] 鐘章隊，李旭，蔣文怡，等. 鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）[M]. 北京：中國鐵道出版社，2003