基于軟件無線電的GSM-R網(wǎng)絡(luò)Um接口監(jiān)測系統(tǒng)研究

劉曉亮，孟景輝，馬良德，楊吉，楊樹忠

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

1 概述

我國高速鐵路線路上大規(guī)模應用了鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R），該系統(tǒng)是基于GSM，并對GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)進行擴展和改進，增加了調(diào)度通信功能和鐵路特色業(yè)務(wù)的通信系統(tǒng)。GSM-R為CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)（簡稱CTCS-3級列控系統(tǒng)）提供車-地間連續(xù)、雙向的信息傳輸通道[1]。CTCS-3級列控系統(tǒng)的車-地數(shù)據(jù)傳輸涉及多個設(shè)備及接口，完善的接口監(jiān)測系統(tǒng)可以為CTCS-3線路的運營維護、故障分析等提供詳細的數(shù)據(jù)支撐[2]。為保障CTCS-3級列控系統(tǒng)的可靠運用，準確定位和分析系統(tǒng)故障，在GSM-R網(wǎng)絡(luò)側(cè)裝備Abis、A、PRI接口監(jiān)測系統(tǒng)，但由于缺乏與列控車載設(shè)備相關(guān)的Um接口監(jiān)測系統(tǒng)，無法形成監(jiān)測數(shù)據(jù)的閉環(huán)管理，使列控車載設(shè)備無線超時故障原因無法準確定位[3-4]。

目前，隨著軟件無線電技術(shù)的成熟，基于軟件無線電技術(shù)的監(jiān)測檢測系統(tǒng)逐漸得到發(fā)展[5]。研究基于軟件無線電平臺的GSM-R網(wǎng)絡(luò)Um接口監(jiān)測系統(tǒng)，通過對列控車載設(shè)備Um接口進行實時監(jiān)測，獲取車載設(shè)備與GSM-R網(wǎng)絡(luò)交互的信令和車-地通信數(shù)據(jù)包，能夠為列控系統(tǒng)運營維護和無線超時故障分析提供詳細的數(shù)據(jù)支撐和依據(jù)。

2 Um接口監(jiān)測系統(tǒng)

Um接口監(jiān)測系統(tǒng)通過在高速綜合檢測列車車頂（靠近ATP的位置）設(shè)置獨立天線，接收列控車載設(shè)備車-地間通信信號，并對信號進行同步、解調(diào)、解碼等，得到車載設(shè)備與GSM-R網(wǎng)絡(luò)交互的信令和應用數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 Um接口監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Um接口監(jiān)測系統(tǒng)包括車頂天線、采集處理設(shè)備和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，系統(tǒng)組成見圖2。

圖2 Um接口監(jiān)測系統(tǒng)組成

車頂天線采用標準900 MHz頻段的天線，安裝在高速綜合檢測列車車頂，采集的空中電波信號通過功分器分路給上行數(shù)據(jù)采集板和下行數(shù)據(jù)采集板。

采集處理設(shè)備由采集板、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)通信單元組成。1列高速綜合檢測列車需要2套采集處理設(shè)備，分別安裝在高速綜合檢測列車1車和8車的標準機柜中。采集板采用通用軟件無線電外設(shè)（Universal Software Radio Peripheral，USRP）平臺，集成信號放大器、下變頻、低通濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等模塊，工作頻率與GSM-R網(wǎng)絡(luò)頻率一致，采集帶寬為4 MHz，2個采集板分別采集上行信號和下行信號。采集板通過天線得到空中電波信號后，對信號進行放大、下變頻、抽樣得到I/Q數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理單元采用GNU Radio平臺，該平臺可以提供構(gòu)建軟件無線電所需的信號運行和處理模塊。利用GNU Radio平臺提供的模塊，對I/Q數(shù)據(jù)進行信道化、GMSK解調(diào)、解碼，之后得到Um接口的監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信單元負責將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)負責接收、存儲和分析車載采集處理設(shè)備發(fā)送的Um接口監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)實時分析、在線回放、數(shù)據(jù)保存與導出等功能，其功能模塊劃分見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)功能模塊劃分

3 數(shù)據(jù)處理方案

Um接口監(jiān)測系統(tǒng)處理采集到的上行信號和下行信號，通過對信號進行放大、下變頻到中頻、低通濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字下變頻到基帶，得到I/Q數(shù)據(jù)，并對I/Q數(shù)據(jù)進行信道化、GMSK解調(diào)、解碼，得到Um接口的監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程見圖4。

3.1 數(shù)據(jù)采集

采集板通過天線得到空中電波信號后，按照以下步驟進行數(shù)據(jù)處理：

（1）通過低噪聲放大器，對信號進行放大；

（2）對信號進行下變頻，使信號轉(zhuǎn)換到中頻信號；

（3）通過低通濾波器使信號更平滑；

（4）通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字信號；

（5）對信號進行數(shù)字下變頻，得到基帶I/Q數(shù)據(jù)。

此外，GSM-R采用時分多址（TDMA）技術(shù)，要求時間必須同步，因此2個采集板在下變頻時，共享1個時鐘晶振，進行時鐘同步。由于操作系統(tǒng)調(diào)度會有部分時間差，導致2個采集板與計算機間的通信存在時差，因此在數(shù)據(jù)傳輸過程中，會進行校正同步。

圖4 Um接口監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

3.2 GSM信號信道化

為能夠同時對GSM-R整個帶寬的信號進行處理，提出利用信道化的方式處理GSM信號。將整個帶寬信號分成多個子信道來并行輸出，即可獲得任意信道傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

GSM-R采用等間隔頻道配置方法。頻道序號從999～1 019，共21個頻道?？鄢投?99和高端1 019作為隔離保護，實際可用頻道19個，頻道序號為1 000～1 018。理論上只監(jiān)測19個頻點即可，但為了便于信道化，監(jiān)測20個頻點，即999～1 018。無線信號經(jīng)過信道化后，生成20路輸出，與20個頻點一一對應。

3.3 GSM信號同步

在GSM解碼過程中，同步是必不可少的環(huán)節(jié)。GSM信號的同步有頻率同步和時間同步。基站主要通過頻率校正信道（FCCH）和同步信道（SCH）傳輸頻率同步和時間同步的數(shù)據(jù)，而移動臺必須依賴FCCH和SCH完成同步[6-7]。

（1）頻率同步。FCCH依靠頻率校正突發(fā)脈沖序列實現(xiàn)頻率的同步，該序列有142個固定比特，其結(jié)構(gòu)簡單，固定比特全部為0，便于識別該序列[8]。移動臺通過該突發(fā)脈沖序列得到該小區(qū)的頻率后，才能解析其他消息。

（2）時間同步。SCH依靠同步突發(fā)脈沖序列實現(xiàn)時間的同步。由于FCCH幀與SCH幀間的相對位置固定，因此可由頻率校正突發(fā)脈沖序列推導出同步突發(fā)脈沖序列的位置。SCH解碼所得的信息包含移動臺需要同步的所有消息和該小區(qū)的TDMA幀號。

3.4 上行解碼

由于本方案是全頻點監(jiān)測，需要處理所有頻點時隙的數(shù)據(jù)，而列車的移動臺僅占用某頻點的某一個時隙，其他時隙的數(shù)據(jù)可能被其他設(shè)備占用或者為空，因此為減少系統(tǒng)的運算量，首先通過幅值判斷某上行時隙是否含有上行波，如果有，則繼續(xù)解析此上行時隙和對應的下行時隙；如果沒有，則不解析此時隙數(shù)據(jù)。

由于監(jiān)測系統(tǒng)采集天線距離列車的發(fā)送天線較近，因此采集的信號較強，根據(jù)GSM信號的特點，對采集的上行數(shù)據(jù)進行分析，將上行信號幅值閾值設(shè)置為0.5，即當有上行信號時，該時間段采集的基帶I/Q信號的幅值一定大于0.5，設(shè)定5個采樣點求幅值，然后取平均值，如果大于0.5則認為本時隙有上行信號，從而進行下一步的解碼。

TDMA信道上1個時隙的消息格式被稱為突發(fā)脈沖序列，上行TCH信道傳輸普通突發(fā)脈沖序列，該序列的結(jié)構(gòu)包括尾比特、數(shù)據(jù)、訓練序列。由于訓練序列具有較好的自相關(guān)性[9-10]，因此可以利用突發(fā)脈沖訓練序列的自相關(guān)性，確定突發(fā)脈沖準確的起始位置，正確解碼上行信號。

3.5 實時監(jiān)測

通過以上數(shù)據(jù)處理流程，對業(yè)務(wù)信道的數(shù)據(jù)進行解析，得到包括鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、安全層和應用層在內(nèi)的所有數(shù)據(jù)單元，根據(jù)高級數(shù)據(jù)鏈路（HDLC）協(xié)議，對數(shù)據(jù)進行還原組包，得到車到地的無線消息，而且每條無線消息都包含字段NID_ENGINE（車載設(shè)備的CTCS標識號），按照《CTCS-3級列控系統(tǒng)無線報文定義及運用原則》對無線消息進行解析，即可得到車載設(shè)備的CTCS標識號（車載設(shè)備唯一性標識）。Um接口監(jiān)測系統(tǒng)會保存本車的車載設(shè)備CTCS標識號，將獲取的標識號與系統(tǒng)保存的標識號進行比對，如果相同，則認為此時隙承載的是本車的數(shù)據(jù)，將此時隙的數(shù)據(jù)以圖形的方式顯示在界面上，達到實時檢測本車的功能；如果不相同，則丟棄此數(shù)據(jù)。

當列車越區(qū)切換時，由于Um接口監(jiān)測系統(tǒng)是全頻點監(jiān)測，只需按照接收的數(shù)據(jù)重新搜索列車占用的時隙，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測。

4 系統(tǒng)試驗

Um接口監(jiān)測系統(tǒng)研制完成后，在高速綜合檢測列車上進行了試驗。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)GSM-R信號的全頻點采集、處理、解碼等功能，通過車載設(shè)備的CTCS標識號對數(shù)據(jù)進行過濾，得到本車的Um接口數(shù)據(jù)。當列車越區(qū)切換時，自動跟蹤車載電臺（MT）模塊，能夠完整和實時地采集Um接口監(jiān)測數(shù)據(jù)。

Um接口監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)接收到本車的Um接口監(jiān)測數(shù)據(jù)之后，按照相應協(xié)議對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析、顯示和存儲，Um接口監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)界面見圖5。該系統(tǒng)以圖形化的方式顯示列車當前服務(wù)小區(qū)和相鄰小區(qū)的接收電平，以及話音質(zhì)量、TA值、車-地無線消息的交互過程和列車的小區(qū)切換過程，將Um應用數(shù)據(jù)、切換記錄、話音質(zhì)量統(tǒng)計、層二信令、層三信令等內(nèi)容以表格的形式顯示，通過對數(shù)據(jù)進行解析和分析，可以實時監(jiān)測列車所在位置的電磁環(huán)境，實時監(jiān)測列車與GSM-R網(wǎng)絡(luò)基站通信的過程，以達到分析CTCS-3級列控系統(tǒng)無線超時故障的目的。

圖5 Um接口監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)界面

5 結(jié)束語

介紹基于軟件無線電的Um接口監(jiān)測系統(tǒng)的組成和實現(xiàn)方法，提出基于車載設(shè)備CTCS標識號的實時監(jiān)測方案。Um接口監(jiān)測系統(tǒng)在高速綜合檢測列車上進行了試驗，能夠?qū)崟r獲取車載設(shè)備與GSM-R網(wǎng)絡(luò)基站交互的信令和車-地通信數(shù)據(jù)，能夠為列控系統(tǒng)運營維護和無線超時故障分析提供詳細的數(shù)據(jù)支撐和依據(jù)。下一步，結(jié)合地面GSM-R網(wǎng)絡(luò)Abis、A、PRI接口監(jiān)測數(shù)據(jù)，可進一步增強系統(tǒng)的智能分析和綜合處理能力，為高速鐵路安全運營提供有力保障。