GSM通信基站安防及載波監(jiān)控系統(tǒng)設計

楊國榮

(西安鐵路職業(yè)技術學院，陜西 西安 710014)

GSM通信基站安防及載波監(jiān)控系統(tǒng)設計

楊國榮

(西安鐵路職業(yè)技術學院，陜西 西安 710014)

基于GSM通信基站的安防及載波監(jiān)控系統(tǒng)進行設計。監(jiān)控主機采用8位AVR單片機搭載GSM無線通信模塊、無線接收模塊、語音模塊、串口。單片機通過串口和無線接收模塊連接基站安防單元傳感器和載波監(jiān)控無線傳感器，再將采集的數(shù)據(jù)進行分析處理。若檢測到異常狀況則啟動警笛，以起到很好的震懾作用。收端采用西門子公司生產(chǎn)的TC35i模塊和PC機，PC機上裝有串口調(diào)試和監(jiān)控軟件。監(jiān)控主機與收端之間采用G網(wǎng)和Internet網(wǎng)絡完成通信。通過對基站安防和基站覆蓋區(qū)內(nèi)話務量檢測的闡述，為移動業(yè)務的拓展提供了新的思想和實現(xiàn)方法。

GSM；基站安防；載波監(jiān)控

隨著GSM通信基站機房的數(shù)目越來越多，由于大部分無人值守，站點設備被盜的情況屢屢發(fā)生，不僅影響了網(wǎng)絡質(zhì)量，而且給運營商造成了巨大的經(jīng)濟損失；因此，如何有效解決無人值守的基站、機房等站點設備的安全隱患，已成為當前急需解決的突出問題。對現(xiàn)代移動通信網(wǎng)絡而言，大容量、高質(zhì)量、低成本相互關聯(lián)，各個運營商面臨低成本競爭的同時，又要極力要求新網(wǎng)絡建設、容量升級以及高質(zhì)量的服務。隨著基站覆蓋區(qū)域內(nèi)話務量大量增加，當高于信道容量時，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡故障。為解決上述移動通信中普遍存在的問題，本文設計了一種基于GSM基站的安防及載波監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)總體架構

該監(jiān)控系統(tǒng)包括安防和載波數(shù)據(jù)的采集處理、報警信息的傳輸、TC35i模塊與PC機間的通信以及軟件對報警信息的顯示等，可以完成包括市區(qū)、郊區(qū)以及鄉(xiāng)村所有BTS機房的監(jiān)控、報警，維護人員的調(diào)度與分派等功能。為了避免本地BTS機房出現(xiàn)重大危機，導致BTS系統(tǒng)癱瘓而無法發(fā)出報警信息的現(xiàn)象，本方案中告警信息將通過其他運營商的GSM網(wǎng)絡來傳輸[2]。整個監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1 BTS機房監(jiān)控網(wǎng)絡拓撲結構

2 系統(tǒng)的硬件設計

監(jiān)控主機采用AVR單片機(ATMEGA64L8AI)、GSM通信模塊(BenQ M22)和探測模塊，接收模塊采用TC35i模塊，與PC機完成通信。硬件連接圖如圖2所示。

圖2 硬件連接圖

2.1 發(fā)端設計

采用8位AVR單片機(ATMEGA64L8AI)，通過串口、GSM無線模塊以及紅外接收等方式，連接基站安防單元傳感器、載波監(jiān)控無線傳感器和信號強度測試傳感器，并將采集的數(shù)據(jù)進行分析處理。若檢測到異常狀況則啟動警笛，以起到很好的震懾作用，并且通過GSM網(wǎng)絡和TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，將告警信息發(fā)送至位于中心運維部的告警信息處理中心，中心將按照規(guī)定章程向主管領導匯報，進而展開維護。

2.1.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)主要由電源、復位、振蕩電路以及擴展部分等部分組成。對于一個完整的電子設計來講，首要問題就是為整個系統(tǒng)提供電源供電模塊，

電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運行的前提和基礎。單片機的置位和復位，都是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)，復位電平的持續(xù)時間必須大于單片機的2個機器周期。單片機系統(tǒng)里都有晶振(全稱叫晶體振蕩器)。其結合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率。單片機晶振提供的時鐘頻率越高，單片機運行速度就越快，單片機的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率上[3]。

2.1.2 通信模塊接口電路

通信模塊接口電路如圖3所示，電路設計了開機指示LED，開機后會以大約1 Hz的頻率閃爍，表示接入網(wǎng)絡，此閃爍不受單片機控制，啟動信號接在P0.0上。

2.2 載波監(jiān)控設計

此載波監(jiān)控系統(tǒng)將針對G網(wǎng)設計，在G網(wǎng)中采用的關鍵技術是時分復用，因而此系統(tǒng)也將基于時隙的提取，通過設置參考電平值來判斷突變話務量。

2.2.1 關鍵技術

圖3 通信模塊接口電路

該檢測系統(tǒng)的技術核心在于能夠準確生成在G網(wǎng)中對每個時隙進行多次采樣的內(nèi)部時鐘，并且對復幀內(nèi)部的每時隙狀態(tài)進行存儲和統(tǒng)計分析，在處理器的查詢周期內(nèi)輸出所統(tǒng)計的數(shù)據(jù)信息。另外，比較器的參考門限能夠根據(jù)功率信號的強度自動尋找，并且能夠定時優(yōu)化[4]。

2.2.2 載波容量控制的相關理論

該系統(tǒng)話務量檢測單元由話務統(tǒng)計控制盤和選頻檢測盤2個主要模塊組成。

話務統(tǒng)計控制盤為核心元件，是該系統(tǒng)的“心臟”部分。它主要完成話務量統(tǒng)計、門限自動查找和優(yōu)化、與上位機網(wǎng)管通信、接收門限設置命令和查詢命令等功能。

選頻檢測盤則集成了選頻和功率檢測功能，主要完成功率信號的頻點選擇和信號功率檢測。首先，選頻檢測盤從基站中提取上行信號，并選出需要的頻點，通過檢測GSM無線幀業(yè)務時隙的電平值并將該值與已設置好的門限電平進行比較，判斷時隙是否被占用；然后，話務統(tǒng)計控制盤對剛剛被選頻檢測盤所檢測處理過的GSM基站上行功率信號進行分析，根據(jù)GSM物理層協(xié)議，采用相應算法完成模塊所在基站話務量統(tǒng)計的功能；最后，將統(tǒng)計數(shù)據(jù)通過控制盤總線傳送至單片機作進一步處理并與上位機通信[5]。2.2.3 基站解決突發(fā)話務量方法

1)確定容量/載頻需求計算。通過統(tǒng)計及推測，確定移動通信話務量突發(fā)區(qū)的最大用戶數(shù)，以每用戶0.02 Erl的強度計算移動通信話務量突發(fā)區(qū)的話務突發(fā)時容量總需求。話務突發(fā)時容量總需求通過愛爾蘭B公式來計算，在B為2%或5%的條件下，求得滿足服務要求的總的信道數(shù)。參考GSM信道分配原則，可以確定所需總的載頻數(shù)。而通常移動通信話務量突發(fā)區(qū)的現(xiàn)有載頻資源僅僅滿足常規(guī)狀態(tài)下人流未集中時需求，所需的總載頻數(shù)減去現(xiàn)有載頻數(shù)即為需要增加的載頻數(shù)[6]。

2)支援基站及載頻的規(guī)定。通過OMC統(tǒng)計數(shù)據(jù)等收集通信話務量突發(fā)區(qū)的附近基站的話務量、阻塞率、載頻數(shù)及頻點和話務變化特征等，確定支援基站和載頻。在載頻的確定中，應避免支援基站與通信話務量突發(fā)區(qū)的同頻干擾問題，如無合適的載頻頻點，必要時要和局方溝通進行局部地區(qū)的載波頻點調(diào)整。

3)確定基站類型及功率。分析支援基站的具體環(huán)境，確定應信源引入方式，進行鏈路預算，確定應采用的直放站類型及功率。確定方案實現(xiàn)后，在通信話務量突發(fā)區(qū)話務量突發(fā)時的通話質(zhì)量應滿足：阻塞率、掉話率和接入成功率等指標。

2.3 收端設計

2.3.1 TC35i模塊

該部分采用西門子公司生產(chǎn)的TC35i無線通信模塊，可以快速、安全、可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的語音傳輸和短消息服務。模塊的工作電壓為3.3～4.8 V，可以工作在900和1 800 MHz 2個頻段，所在頻段功耗分別為2和1 W。通過AT命令操作模塊，支持TXT和PDU模式的短消息。

2.3.2 PC機與TC35i通信

PC機通過RS 232串口與TC35i相連，為了測試連接是否成功，可以通過超級終端或者串口調(diào)試助手打開相應的端口，并且通過AT命令對TC35i模塊進行初始化。

2.3.3 短信息收發(fā)操作過程

對短信息的控制共有3種模式：Block Mode、基于AT指令的PDU Mode和基于AT指令的Text Mode。目前，發(fā)送短信息常用Text和PDU Mode。使用Text模式收發(fā)短信代碼簡單，實現(xiàn)起來容易，但是不能收發(fā)中文短信。本文重點介紹Text模式收發(fā)英文或數(shù)字短信。PDU模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信。在開始收發(fā)短信之前，需要開通一張可以提供短信息服務的SIM卡并插入SIM卡的卡座中，安裝好TC35i的天線；然后給整個系統(tǒng)上電，觀察LED的狀態(tài)，確定TC35i已經(jīng)正常工作且處于待機狀態(tài)；最后確定PC機與TC35i已經(jīng)連接上[7]。

3 系統(tǒng)的軟件設計

軟件系統(tǒng)可以對監(jiān)控設備進行可執(zhí)行操作，其具有性能管理、告警管理、配置管理和維護管理等功能，除這些功能外本系統(tǒng)也可進行功能升級和補充。軟件工作流程圖如圖4所示。

圖4 軟件工作流程圖

該系統(tǒng)具有很強的安全性，當工作人員需要進行操作和監(jiān)控時需要登錄該系統(tǒng)， 并且該系統(tǒng)具有后臺數(shù)據(jù)庫，其中保存了已注冊人員的信息以及已 監(jiān)控機房的位置信息。監(jiān)控系統(tǒng)本身具有可操作性，可動態(tài)顯示窗口，還可生成水晶報表及時向相關領導進行匯報。登錄成功后將進入軟件主界面，該界面可以實時地顯示監(jiān)控的所有機房，以及已發(fā)生的某種安防警告，工作人員可以進行進一步必要的操作，完成報表的生成，向主管領導進行匯報[8]。

為了實時性的操作以及更加靈活的擴展性，該軟件還設計了告警信息查詢、告警信息處理、增設和減少監(jiān)控機房以及修改監(jiān)控機房等功能。

4 結語

該系統(tǒng)擁有多重防范報警措施和預警功能，可以做到對BTS機房內(nèi)設備的安全預警和基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的話務量檢測，并適用于所有GSM通信基站。通過對基站安防和基站覆蓋區(qū)內(nèi)話務量檢測的研究，為移動業(yè)務的拓展提供了新的思想和實現(xiàn)方法，具有一定的實踐意義。

[1] 孫冉.移動通信基站的后臺監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].曲阜：曲阜師范大學，2013.

[2] 陳景文. GSM直放站話務量檢測統(tǒng)計的實現(xiàn)與應用[J].移動通信，2008(7)：17-19.

[3] 李鵬.雷電脈沖對移動通信基站影響的研究脈沖[D].北京：北京郵電大學，2012.

[4] 王華,牛小龍.基于GSM網(wǎng)絡的防盜報警系統(tǒng)的設計[J].淮陰師范學院，2012(4)：23-25.

[5] 吳金貴.基于SDR平臺GSM系統(tǒng)接收機關鍵技術的研究[D].上海：上海交通大學，2010.

[6] 周艷麗,魏宗壽.利用TC35i和PC及實現(xiàn)短信息的收發(fā)[J].蘭州交通大學，2007(3)：14-16.

[7] 胡海濤.通信基站電磁輻射測量系統(tǒng)[D].鄭州：鄭州大學，2007.

[8] 王守華,黃曉. 基于無線傳感和GSM場測試在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2011(32)：87-91.

責任編輯鄭練

DesignofSecurityandCarrierMonitoringSystembasedonGSMBase-station

YANG Guorong

(Xi′an Railway Vocational and Technical Institute, Xi′an 710014, China)

This article is based on GSM communication base station security monitoring system to carry on the design and the carrier. Monitoring host is equipped with 8-bit AVR SCM,GSM wireless communication module, wireless receiver module, voice module and serial. Wireless carrier monitoring sensor, through the serial port and wireless receiver module, then it will analyze and process the data collected; Detecting an abnormal condition, it will start the sirens in order to play a better deterrent. Receiving end uses PC and TC35i module produced by Siemens, equipped with serial debugging software and monitoring software on the PC. It uses G network and the Internet to complete the communication between the monitoring host and receiving end. This paper describes the security and detection of traffic in coverage area of base station, providing new ideas and implementation methods for the expansion of mobile services.

GSM, base station security, carrier monitoring

TN 929.5

：A

楊國榮(1976-)，女，副教授，碩士，主要從事鐵路通信與信息系統(tǒng)等方面的研究。

2014-12-15