吳 宇 韓 蕾
(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100073)
我國(guó)GSM-R網(wǎng)絡(luò)作為一種綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng),承載著CTCS-3(簡(jiǎn)稱(chēng)C3)列車(chē)控制等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),為車(chē)地安全數(shù)據(jù)傳輸提供雙向、大容量通道,保障列車(chē)安全信息有效、可靠的交互。因此GSM-R網(wǎng)絡(luò)在鐵路運(yùn)輸中承擔(dān)著日益艱巨的通信任務(wù),而GSM-R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常是影響C3系統(tǒng)的質(zhì)量和傳輸可靠性的重要因素之一,快速準(zhǔn)確的查找出異常原因,并進(jìn)行相應(yīng)處理,才能使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)不受影響。
當(dāng)前比較成熟的GSM-R網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)手段是對(duì)Abis接口、A接口以及PRI接口等有線(xiàn)接口的監(jiān)測(cè),該類(lèi)接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于京滬、武廣、鄭西、哈大等多條高速鐵路,但是對(duì)于Um的監(jiān)測(cè)尚屬空白。Um接口作為車(chē)載移動(dòng)臺(tái)與地面之間的接口,受各種因素影響較大,無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜,存在更多的不穩(wěn)定性。Um接口是分析無(wú)線(xiàn)干擾、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、無(wú)線(xiàn)信道擁塞和車(chē)地設(shè)備故障最佳結(jié)合點(diǎn),也是唯一能夠解析無(wú)線(xiàn)測(cè)量報(bào)告、無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)消息,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻譜分析,實(shí)現(xiàn)電路域和分組域信令和業(yè)務(wù)并行監(jiān)測(cè)的接口。因此實(shí)現(xiàn)GSM-R網(wǎng)絡(luò)Um接口監(jiān)測(cè)對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存在的故障和隱患,提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維質(zhì)量非常重要。
Um接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成: 1)采集子系統(tǒng);2)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng);3)分析顯示子系統(tǒng)。如圖1所示。
采集子系統(tǒng)具有固定頻點(diǎn)的空中無(wú)線(xiàn)信號(hào)捕獲功能。由于鐵路GSM-R沿線(xiàn)各基站的頻點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)就確定下來(lái),一般情況下基站多數(shù)配置為O2或O3,這樣采集子系統(tǒng)需要在每個(gè)基站處監(jiān)測(cè)2~3個(gè)載頻的下行信息,同時(shí)根據(jù)下行載頻絕對(duì)頻點(diǎn)號(hào)能夠推斷出上行載頻的絕對(duì)頻點(diǎn)號(hào),這樣也能有針對(duì)性的采集上行頻點(diǎn)信息。無(wú)線(xiàn)信號(hào)的捕獲功能主要是通過(guò)900 MHz GSM-R信號(hào)接收機(jī)完成,該接收機(jī)設(shè)置的位置可以有兩類(lèi):一是設(shè)置于機(jī)車(chē)車(chē)載端;二是設(shè)置于基站鐵塔處。綜合考慮本系統(tǒng)方案選擇后者,即每個(gè)基站鐵塔處設(shè)置1套接收機(jī)。根據(jù)GSM-R頻點(diǎn)分布,上行885~889 MHz,下行930~934 MHz,選擇接收機(jī)需要覆蓋該頻段范圍。GSM-R地面接收機(jī)首先將信號(hào)從射頻轉(zhuǎn)換到中頻,然后在中頻段完成A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換功能,接著通過(guò)FPGA做下變頻,實(shí)現(xiàn)數(shù)字中頻和基帶信號(hào)之間轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣,以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求和計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的要求。接收機(jī)處理后的基帶I/Q信號(hào)通過(guò)鐵路傳輸網(wǎng)以E1方式發(fā)送到核心網(wǎng)機(jī)房的處理服務(wù)器設(shè)備進(jìn)行后臺(tái)處理。
數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)需要完成兩部分工作:第一基帶I/Q數(shù)據(jù)首先進(jìn)行幀同步和幀定位,以同步幀或時(shí)隙利用基于PC設(shè)備的軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)完成無(wú)線(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程,該軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)能夠智能處理數(shù)字信號(hào),包括多種解調(diào)模塊(GSM-R采用GSMK)、多種糾錯(cuò)解碼模塊(RS,維特比,turbo碼)、多種信號(hào)處理結(jié)構(gòu)(濾波器、FFT、量化器)等。最后生成不同信號(hào)類(lèi)型下突發(fā)幀(burst)。第二將不同的burst送到解析處理服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)Um接口L2/L3信令解碼以及用戶(hù)信息的關(guān)聯(lián)過(guò)程。關(guān)聯(lián)后信息按照用戶(hù)特征(MSISDN、IMSI、車(chē)次號(hào)、機(jī)車(chē)號(hào))形成呼叫記錄。
分析顯示子系統(tǒng)由顯示終端、綜合分析平臺(tái),網(wǎng)管客戶(hù)端等組成,實(shí)現(xiàn)對(duì)Um接口信令和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、統(tǒng)計(jì)結(jié)果、分析圖表等。
Um接口監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)步驟如圖2所示:Um接口接收信號(hào)首先通過(guò)低通濾波器濾波,去除采樣信號(hào)中的毛刺,使波形平滑。接著利用搜索頻率校正信道(FCCH)中的頻率校正突發(fā)進(jìn)行頻率校正,然后解析同步信道(SCH)的同步信息,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與GSM-R網(wǎng)絡(luò)間時(shí)鐘同步。同步后的頻點(diǎn)根據(jù)各時(shí)隙的邏輯信道配置情況,確定載頻時(shí)隙承載的邏輯信道類(lèi)型,不同類(lèi)型邏輯信道采用相應(yīng)的物理層算法譯碼得到burst幀數(shù)據(jù)。正確的Burst幀數(shù)據(jù)按照不同的數(shù)據(jù)鏈路幀類(lèi)型送到L2協(xié)議層解碼,解碼結(jié)果發(fā)送到L3層,分別完成連接建立消息(CC)、移動(dòng)性管理(MM)、無(wú)線(xiàn)資源管理(RR)消息解碼以及TCH信道對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的解碼。最終軟件完成同一機(jī)車(chē)解碼后信令和數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián),對(duì)于未含有用戶(hù)唯一標(biāo)識(shí)的信令,根據(jù)信令中指示的時(shí)隙號(hào)、幀號(hào)確定其對(duì)應(yīng)的用戶(hù)唯一標(biāo)識(shí)的信令,對(duì)其進(jìn)行歸類(lèi)。
在GSM規(guī)范中,對(duì)總的頻譜劃分成200 kHz為單位的一個(gè)個(gè)頻段,稱(chēng)為載頻。而對(duì)每一個(gè)載頻,允許8個(gè)用戶(hù)使用,即從時(shí)分多址方式來(lái)看,每個(gè)載頻有8個(gè)時(shí)隙(Time Slot),每個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度(BP)=15/26=0.577 ms,而每一個(gè)時(shí)幀長(zhǎng)度為15/26×8 = 4.615 ms。
在時(shí)隙中傳送的脈沖序列信號(hào)叫burst,burst是構(gòu)成邏輯信道的基礎(chǔ)。通過(guò)不同邏輯信道組合承載業(yè)務(wù)信息和控制信息。GSM-R使用的突發(fā)類(lèi)型共有5種,如圖3所示,NB是GSM-R系統(tǒng)中最常用的突發(fā),包括26 bit訓(xùn)練序列和58×2 bit的信息比特;FB主要作用是移動(dòng)臺(tái)開(kāi)機(jī)時(shí)內(nèi)部頻率的調(diào)整;SB攜帶有幀結(jié)構(gòu)方面的信息,用于移動(dòng)臺(tái)向基站的同步過(guò)程;AB用于隨即介入過(guò)程;DB是BTS發(fā)出的填充BCCH載波上空閑時(shí)隙的突發(fā),因?yàn)锽CCH載波總是要求連續(xù)發(fā)送并且功率恒定。
Um接口監(jiān)測(cè)幀同步過(guò)程如下。
1)首先進(jìn)行FCCH捕獲。它對(duì)應(yīng)頻率校正突發(fā)脈沖序列FB,因?yàn)镕B為148 bit全0序列,對(duì)于GSMK調(diào)制來(lái)說(shuō),F(xiàn)B是一段標(biāo)準(zhǔn)的正弦波,該波形的特點(diǎn)明顯區(qū)別于其他的突發(fā)脈沖,因此首先要選擇FB進(jìn)行時(shí)間粗同步。
2)FB粗同步利用數(shù)據(jù)段作相關(guān)運(yùn)算,由于FB相對(duì)于其他burst相關(guān)性強(qiáng),相關(guān)值的模的數(shù)值非常大,而其他數(shù)據(jù)相關(guān)性弱,其值被抑制的較低,可以在查找FB時(shí)設(shè)置一個(gè)門(mén)限,此門(mén)限可根據(jù)信號(hào)的平均功率得到。當(dāng)有連續(xù)若干個(gè)相關(guān)的模值高于門(mén)限時(shí),就可以判定找到了FB,由此可以推斷FB大概的其實(shí)位置。根據(jù)GSM系統(tǒng)的信道結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)最多88個(gè)時(shí)隙的時(shí)間,就可以在滑動(dòng)窗口中檢測(cè)到FB的存在。
3)粗同步實(shí)現(xiàn)后利用SCH實(shí)現(xiàn)精同步。SCH是同步信道,它位于FCCH之后8個(gè)時(shí)隙的地方,SCH中傳輸?shù)耐话l(fā)脈沖序列為SB,主要用于移動(dòng)臺(tái)起始幀同步的捕獲,同時(shí)它還提供基站識(shí)別碼和TDMA幀號(hào)。SB含有一個(gè)特殊的長(zhǎng)度為64的擴(kuò)展訓(xùn)練序列,而每個(gè)burst中信息比特只有78 bit。訓(xùn)練比特序列非常長(zhǎng),它具有非常好的自相關(guān)性。使用預(yù)先存儲(chǔ)好的本地參考信號(hào)和確定范圍的接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,就可以得到非常明顯的峰值特性。一方面可以確定SB的存在,另一方面可以由峰值點(diǎn)精確定位出SB的起始點(diǎn),這樣就完成時(shí)間精確同步的工作。
GSM-R空口監(jiān)測(cè)最終目的是監(jiān)測(cè)車(chē)載和地面之間控制信令流程、C3車(chē)地用戶(hù)之間傳輸?shù)牧锌匦畔⒁约癈IR語(yǔ)音信息等。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),首先要得到各邏輯信道的burst數(shù)據(jù),最重要的步驟就是物理層的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程。
由于不同邏輯信道采用的信道編解碼方式不同,重點(diǎn)關(guān)注邏輯信道主要分為兩類(lèi):一類(lèi)是業(yè)務(wù)信道,包括TCH;一類(lèi)是控制信道,包括FACCH、SACCH、BCCH、SDCCH等。
全速率語(yǔ)音信道(TCH/FS)以鐵路C3列控系統(tǒng)傳輸?shù)目刂菩畔榘踩珨?shù)據(jù),其安全性要求很高,均采用CSD傳輸模式。在該模式下,通過(guò)解碼TCH的信道消息內(nèi)容能夠還原安全信息的內(nèi)容。
慢速隨路控制信道(FACCH)短消息業(yè)務(wù)使用該信道承載,通過(guò)解碼FACCH信道內(nèi)容還原短消息內(nèi)容。
廣播控制信道(BCCH)包含空中接口主要的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù),具體有網(wǎng)絡(luò)識(shí)別參數(shù)、小區(qū)選擇參數(shù)、系統(tǒng)控制參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)功能參數(shù)。按照系統(tǒng)消息類(lèi)型劃分有 1、2、2BIS、2TER、3、4、7、8。
獨(dú)立專(zhuān)用控制信道(SDCCH)Um接口信令消息通過(guò)該邏輯信道承載,本系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)的信令消息包括呼叫信令、切換信令、位置更新信令等。
慢速隨路控制信道(SACCH)通過(guò)提取SACCH信道的信息,得到上下行測(cè)量報(bào)告內(nèi)容并在此基礎(chǔ)上繪制無(wú)線(xiàn)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)和質(zhì)量分布以及信號(hào)強(qiáng)度與特定空間、位置環(huán)境的關(guān)系。除此以外SACCH信道上還包含系統(tǒng)消息5、5BIS、5TER、6。
由于在鐵路上無(wú)論是業(yè)務(wù)信道還是控制信道都采用A5/0加密算法,也就是不加密的方式,所以譯碼方法總體上分為四步。
業(yè)務(wù)信道:第一步解調(diào);第二步解交織;第三步卷積碼譯碼;第四步循環(huán)碼譯碼。
控制信道:第一步解調(diào);第二步解交織;第三步卷積碼譯碼;第四步法爾瑪譯碼。
詳細(xì)過(guò)程如表1所示。
表1 物理層譯碼過(guò)程
前面提到由于基站往往不只有單一的頻點(diǎn),多數(shù)有一個(gè)主BCCH載頻和多個(gè)TCH載頻構(gòu)成。由于處理服務(wù)器對(duì)配置的頻點(diǎn)全部時(shí)隙進(jìn)行盲采集,移動(dòng)臺(tái)從空閑狀態(tài)到呼叫建立后數(shù)據(jù)的傳輸,需要多個(gè)時(shí)隙共同配合完成一個(gè)用戶(hù)呼叫過(guò)程的關(guān)聯(lián),這些時(shí)隙有可能分布在不同的載頻上。因此需要通過(guò)軟件解碼信道消息內(nèi)容,查詢(xún)相關(guān)信令對(duì)應(yīng)所在的信道號(hào)碼,再將這些信道消息重新組合,完成對(duì)某個(gè)用戶(hù)信令跟蹤過(guò)程。具體實(shí)現(xiàn)方法如下。
1)首先確定下行主頻0時(shí)隙的信道結(jié)構(gòu),根據(jù)已有數(shù)據(jù)中公共控制信道的值,確定一個(gè)BCCH復(fù)幀中CCCH消息塊數(shù)。
2)等待CCCH塊中消息有“立即指配”消息,如果不是,則不進(jìn)行任何處理,如果是“立即指配”,則提取此消息的信道描述單元及移動(dòng)配置單元,包括指配的信道類(lèi)型、子信道號(hào)、時(shí)隙號(hào)等。
3)根據(jù)“立即指配”消息單元再結(jié)合系統(tǒng)消息提供的信息,計(jì)算出SDCCH對(duì)應(yīng)的信道。
4)等待SDCCH信道的“CM業(yè)務(wù)請(qǐng)求”或“尋呼響應(yīng)”或“位置更新請(qǐng)求”,找到移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)識(shí)別單元(IMSI或TMSI)。
5)等待SDCCH信道的“SETUP“消息,找出主叫或被叫的BCD號(hào)碼。
6)SDCCH信道收到“指配命令”后,根據(jù)“指配命令”中信息單元跟蹤對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)信道,包括TCH信道頻點(diǎn)號(hào)、時(shí)隙號(hào)。
7)跟蹤業(yè)務(wù)分配TCH信道,提取用戶(hù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。除此以外通過(guò)偷幀標(biāo)記判斷FACCH信道位置,監(jiān)控該信道。
8)一旦檢測(cè)到“FACCH”信道上有“斷開(kāi)連接”消息,可以放棄此次分配信道的監(jiān)測(cè)過(guò)程,同時(shí)回到SDCCH信道等待釋放信令過(guò)程。
當(dāng)列車(chē)發(fā)生切換時(shí),從一個(gè)小區(qū)切換到另外一個(gè)小區(qū),分屬于不同的基站時(shí),地面接收機(jī)只能跟蹤到當(dāng)前基站所屬切換信令,需要處理服務(wù)器完成切換信令的接續(xù)。假設(shè)接收機(jī)1負(fù)責(zé)A基站下信息采集,接收機(jī)2負(fù)責(zé)B基站下信息采集,當(dāng)列車(chē)從A基站切換到B基站時(shí),接收機(jī)1存儲(chǔ)下源小區(qū)的切出信令,接收機(jī)2存儲(chǔ)下目標(biāo)小區(qū)的切入信令,按照網(wǎng)絡(luò)配置的正常切換順序,把接收機(jī)1和接收機(jī)2的信令進(jìn)行關(guān)聯(lián)。
在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中,為了避免移動(dòng)臺(tái)同時(shí)發(fā)射和接收,上行鏈路TDMA幀總是落后于下行鏈路TDMA幀3個(gè)BP,如圖4所示。在進(jìn)行GSM-R網(wǎng)絡(luò)Um接口監(jiān)測(cè)時(shí),通過(guò)下行幀同步信道確定下行載頻的時(shí)隙位置后,由于上行信道沒(méi)有FCCH頻率校正信道和SCH同步信道,需要根據(jù)上下行之間的3個(gè)burst的時(shí)間差推斷上行信道時(shí)隙位置,然后進(jìn)一步完成上行信道的解析過(guò)程。
為測(cè)試本系統(tǒng)是否具有可行性,特在實(shí)驗(yàn)室下搭建環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試環(huán)境如下:基站一套,配置BCCH頻點(diǎn)1016,TCH頻點(diǎn)1012。SAGEM測(cè)試手機(jī)一部模仿車(chē)載移動(dòng)臺(tái)。Um接口動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1套。
設(shè)定接收機(jī)的采集頻率為934 MHz,對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)為1016,利用Um接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解碼burst信息如下。
2140260 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b
2140264 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b
2140271 0: 49 06 1b 90 04 64 f0 02 21 10 50 00 14 6c 65 48 b9 00 00 80 00 b0 5b
2140275 0: 05 06 20 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b
2140281 0: 05 06 20 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b
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2140301 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b
2140305 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b
2140311 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b
2140315 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b
2140322 0: 31 06 1c 64 f0 02 21 10 65 48 b9 00 00 80 00 b2 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b
2140326 0: 05 06 20 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b
2140332 0: 05 06 20 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b
為方便用戶(hù)觀察,將解碼后的burst信息進(jìn)行L2/L3層協(xié)議處理,轉(zhuǎn)換為用戶(hù)可以識(shí)別的信令消息,經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)解析結(jié)果正確,如圖5所示。
本文研究基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)Um接口動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)空口信令和數(shù)據(jù)原理和具體實(shí)現(xiàn)方案,提出一種可實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)搭建方案,針對(duì)該方案關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討和深入分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果可知,采用本系統(tǒng)方案能夠準(zhǔn)確同步到需要監(jiān)測(cè)的GSM-R網(wǎng)絡(luò),正確采樣和解析Um接口消息,為下一階段系統(tǒng)完善打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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