一種GSM—R在線Um接口監(jiān)測(cè)方案可行性探討

摘 要：本文簡(jiǎn)述了中國(guó)高鐵GSM-R網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及現(xiàn)狀，分析了高鐵運(yùn)行中GSM-R網(wǎng)絡(luò)受到的無線干擾對(duì)列車運(yùn)行安全帶來的影響，及目前進(jìn)行干擾排查及定位的產(chǎn)品和技術(shù)手段。提出了一種GSM-R網(wǎng)絡(luò)在線Um接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，并對(duì)其可行性，及在實(shí)際應(yīng)用中的意義進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：GSM-R；干擾監(jiān)測(cè)；Um接口；Um接口監(jiān)測(cè)

一、概述

目前GSM-R鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)在中國(guó)高速鐵路線路上大范圍推廣使用，隨著高鐵的成網(wǎng)建設(shè)，GSM-R網(wǎng)絡(luò)也相應(yīng)完成組網(wǎng)。GSM-R網(wǎng)絡(luò)承載了CTCS-3級(jí)列控、機(jī)車同步操控等重要系統(tǒng)的車地信息傳輸業(yè)務(wù)，是列車控制系統(tǒng)的重要組成部分。而干擾則是影響GSM-R網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能和服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，嚴(yán)重時(shí)影響到列車的安全運(yùn)行。

（一）GSM-R系統(tǒng)組成

GSM-R網(wǎng)由GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱GSM-R系統(tǒng)）和中繼傳輸電路組成。

GSM-R系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）、運(yùn)行和業(yè)務(wù)支撐子系統(tǒng)（OSS/BSS）和終端設(shè)備等四個(gè)部分。其中，網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)包括移動(dòng)交換子系統(tǒng)（SSS）、移動(dòng)智能網(wǎng)（IN）子系統(tǒng)和通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）子系統(tǒng)。GSM-R系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要接口如圖1所示：

（二）影響GSM-R網(wǎng)絡(luò)的主要干擾源

根據(jù)筆者在諸多高速鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及維護(hù)過程中的總結(jié)，在高鐵線路建設(shè)期聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中，以及高鐵線路正式運(yùn)營(yíng)期間影響GSM-R網(wǎng)絡(luò)的主要干擾源為外部干擾和內(nèi)部干擾。

1.外部干擾

（1）運(yùn)營(yíng)商GSM網(wǎng)基站的干擾。鐵路GSM-R系統(tǒng)工作在885～889/930～934MHZ頻段范圍中，共4MHz帶寬，與GSM系統(tǒng)工作在同一頻段，在鐵路沿線GSM-R和GSM兩系統(tǒng)基站間存在同、鄰頻設(shè)臺(tái)現(xiàn)象，造成同頻干擾。另一種干擾是GSM網(wǎng)基站設(shè)備的雜散信號(hào)對(duì)附近的GSM-R系統(tǒng)基站造成的干擾，GSM網(wǎng)基站設(shè)備產(chǎn)生的雜散信號(hào)，其頻譜多為窄帶持續(xù)強(qiáng)信號(hào)，而由于共站產(chǎn)生的互調(diào)信號(hào)，其頻譜多為斷續(xù)寬帶信號(hào)，嚴(yán)重影響GSM-R基站工作。

（2）運(yùn)營(yíng)商GSM網(wǎng)直放站引起的干擾。GSM系統(tǒng)大量使用的直放站也是GSM-R的主要干擾源，尤其是GSM系統(tǒng)采用的寬帶直放站對(duì)整個(gè)上下行通帶內(nèi)所有信號(hào)、噪聲進(jìn)行放大，這對(duì)覆蓋區(qū)域內(nèi)GSM-R系統(tǒng)基站的干擾更為嚴(yán)重，直接影響GSM-R系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)用，危及高速鐵路的行車安全。

（3）不明來源的干擾。非法使用的偽基站、GSM-R基站附件其他無線功率放大器、干擾器等設(shè)備都會(huì)對(duì)GSM-R系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

2.內(nèi)部干擾

在鐵路樞紐、兩條鐵路線交叉處、鐵路線路并行區(qū)段、GSM-R基站頻率在沒有統(tǒng)一規(guī)劃的情況下，存在鄰頻、同頻的情況，造成網(wǎng)內(nèi)相互干擾。

二、GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾排查定位的技術(shù)手段及設(shè)備

在高鐵線路建設(shè)時(shí)期，為了保證后期聯(lián)調(diào)聯(lián)試的順利進(jìn)行，及線路運(yùn)營(yíng)開通后GSM-R網(wǎng)絡(luò)不受外界干擾正常運(yùn)行，通常會(huì)對(duì)鐵路沿線進(jìn)行一次電磁環(huán)境測(cè)試，其目的是查找出影響GSM-R網(wǎng)絡(luò)的干擾點(diǎn)并進(jìn)行定位，為后續(xù)清除干擾點(diǎn)提供技術(shù)支持。

（1）目前通常的做法是在GSM-R網(wǎng)絡(luò)開通使用前，人工使用頻譜儀對(duì)每個(gè)GSM-R基站附近的區(qū)域進(jìn)行掃頻，如有發(fā)現(xiàn)有干擾，通過頻譜分析定位干擾源的方位和干擾頻段，通過測(cè)試手機(jī)解析干擾頻點(diǎn)確定干擾源。

（2）GSM-R網(wǎng)絡(luò)開通使用后，利用現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和分析。當(dāng)前比較成熟的GSM-R網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè)的手段是使用GSM-R接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)Abis接口、A接口以及PRI接口等有線接口的在線監(jiān)測(cè)，該產(chǎn)品對(duì)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)中ATP與RBC之間無線通信接口的全程在線監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)采集Abis接口網(wǎng)絡(luò)信令、A接口網(wǎng)絡(luò)信令、PRI接口網(wǎng)絡(luò)信令以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，為干擾的排查和分析提供了重要的海量數(shù)據(jù)支撐。

上述的當(dāng)前干擾排查手段費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作效率低，且接口監(jiān)測(cè)設(shè)備只能采集到A、Abis、PRI三接口的信令數(shù)據(jù)，無法采集車載ATP與基站之間空中接口（Um接口）的信令與數(shù)據(jù)，在發(fā)生無線超時(shí)無法準(zhǔn)確判斷定位是車載MT問題，還是GSM-R網(wǎng)絡(luò)問題，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)突發(fā)干擾，無線環(huán)境變化導(dǎo)致故障的情況沒有記錄。Um接口是MS和BTS之間的接口，通過該接口MS完成與網(wǎng)絡(luò)側(cè)的通信，完成分組數(shù)據(jù)傳送、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、無線資源管理等多方面的功能。Um接口通信質(zhì)量易受無線環(huán)境影響，存在不穩(wěn)定情況，導(dǎo)致通信誤碼率增加甚至通信中斷。因此，非常有必要尋找一種在運(yùn)營(yíng)期，不影響GSM-R系統(tǒng)工作的情況下對(duì)Um接口進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的方法。

三、GSM-R網(wǎng)絡(luò)Um接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

筆者提出一種GSM-R網(wǎng)絡(luò)Um接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，如圖2所示，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)。該GSM-R網(wǎng)絡(luò)Um接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠解決ATP與基站之間空中接口（Um接口）的信令與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的問題。通過對(duì)Um接口的監(jiān)測(cè)可以準(zhǔn)確分析GSM-R網(wǎng)絡(luò)無線超時(shí)的原因和故障定位。

采集子系統(tǒng)放置在機(jī)車車載設(shè)備機(jī)柜內(nèi)，主要為Um接收機(jī)，Um接收機(jī)包括射頻接收模塊、A/D采樣模塊、處理模塊。其中射頻接收模塊用于接收GSM-R網(wǎng)絡(luò)中Um接口各時(shí)隙傳輸?shù)纳闲泻拖滦械臒o線信號(hào)，將射頻信號(hào)進(jìn)行A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換；A/D采樣模塊對(duì)射頻接收模塊輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣得到基帶采樣數(shù)據(jù)；處理器對(duì)基帶采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行同步、解調(diào)提取無線信號(hào)上攜帶的bit信息，將收集到的信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并通過鐵路無線網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)是Um接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最重要部分，數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)根據(jù)3GPP相關(guān)協(xié)議通過解析軟件將接收到的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行信令解析，解析為層2、層3的數(shù)據(jù)，并將信令和用戶信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)后的信息按照用戶特征（MSISDN、IMSI、車次號(hào)、機(jī)車號(hào)）進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成呼叫記錄結(jié)果，通過分析子系統(tǒng)顯示出來。

分析子系統(tǒng)對(duì)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析及存儲(chǔ)，發(fā)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量惡化及無線鏈路故障進(jìn)行告警并及時(shí)傳送到顯示終端。

四、Um接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)干擾監(jiān)測(cè)的可行性

Um接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備以下功能：

（1）實(shí)現(xiàn)GSM-R頻段的網(wǎng)絡(luò)信令及業(yè)務(wù)的監(jiān)測(cè)，解析網(wǎng)絡(luò)信令及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)查詢、導(dǎo)出，支持實(shí)時(shí)跟蹤等功能；

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜的掃描，以及GSM廣播信道的信令解碼；

（3）可監(jiān)測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，通過接收到基站收發(fā)臺(tái)信號(hào)的強(qiáng)弱，信號(hào)的波形、頻譜和規(guī)范要求進(jìn)行比對(duì)，將故障定位為基站收發(fā)臺(tái)或車載移動(dòng)臺(tái)；

（4）可對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，對(duì)于外來干擾信息能夠解析和定位；

（5）能完整存儲(chǔ)通信過程中的測(cè)量報(bào)告和系統(tǒng)消息，通過測(cè)量報(bào)告可分析業(yè)務(wù)過程中的電平、質(zhì)量、TA等，重現(xiàn)故障時(shí)的終端和網(wǎng)絡(luò)情況；

（6）能夠監(jiān)控GSM-R網(wǎng)絡(luò)電磁環(huán)境及干擾的動(dòng)態(tài)變化。

通過上述功能，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在工程建設(shè)、聯(lián)調(diào)聯(lián)試、運(yùn)營(yíng)維護(hù)全過程的GSM-R網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能和服務(wù)質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)及干擾信息解析定位，能夠滿足GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的需求。

五、結(jié)論及展望

GSM-R網(wǎng)絡(luò)Um接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無法采集車載ATP與基站之間空中接口（Um接口）的信令與數(shù)據(jù)的問題，完善了GSM-R網(wǎng)絡(luò)的接口監(jiān)測(cè)體系，能夠準(zhǔn)確分析GSM-R網(wǎng)絡(luò)無線超時(shí)的原因和故障定位，對(duì)保障高速鐵路列車的安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義，具有較為實(shí)用的價(jià)值。Um接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為設(shè)備維護(hù)人員后期分析問題提供了數(shù)據(jù)支撐，提高維護(hù)工作效率及故障處理水平，保障高速鐵路安全運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：孫斌（1977-），男，漢族，陜西漢中人，本科，工程師，研究方向：無線通信。