GSM-R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)高速跟蹤及動(dòng)態(tài)流控技術(shù)的探討

蘇 軒 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司保衛(wèi)部

1 技術(shù)原理探討

研發(fā)的新系統(tǒng)可以對(duì)GSM-R 通信系統(tǒng)的無(wú)線頻譜、空口交互信令以及空口語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)、分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)載設(shè)備和GSM-R 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的重要分界接口-空中接口的全面監(jiān)控，及時(shí)處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備出現(xiàn)的各種告警信息和故障，做到真正的“主動(dòng)性”的預(yù)防，其關(guān)鍵技術(shù)包含：

（1）高速移動(dòng)跟蹤技術(shù)：本系統(tǒng)的采集設(shè)備在接收端增加了特有多普勒頻移估計(jì)與校正模塊，并且采用高精度的時(shí)鐘算法從接收的數(shù)字信號(hào)中提取同步信號(hào)用作信道估計(jì)和多普勒頻移修正，從而保障準(zhǔn)確跟蹤GMS-R 通信系統(tǒng)空中接口的信號(hào)。

（2）關(guān)鍵算法的SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）優(yōu)化：通過(guò)單個(gè)指令同時(shí)操作多個(gè)數(shù)據(jù)，從而減少指令周期數(shù)，提高運(yùn)算速度，獲得更高的性能。在使用平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)物理層基帶算法模塊時(shí)，需要充分考慮到SIMD 指令集的能力和CPU 架構(gòu)的特點(diǎn)，從算法、數(shù)據(jù)、代碼等層次進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

（3）采用動(dòng)態(tài)流控技術(shù)確保多臺(tái)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)完整性：該監(jiān)控系統(tǒng)需要在各個(gè)基站部署采集設(shè)備，因此采集設(shè)備所采集的大量空口接口數(shù)據(jù)可能在數(shù)據(jù)服務(wù)端造成阻塞從而導(dǎo)致丟包。本系統(tǒng)采用了專(zhuān)利的流控技術(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算各個(gè)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)量，并動(dòng)態(tài)調(diào)整各個(gè)采集設(shè)備的端口流量，當(dāng)發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)出現(xiàn)溢出時(shí)將阻塞信號(hào)發(fā)送給源地址，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)流控，避免了在話務(wù)忙時(shí)的采集設(shè)備發(fā)送大量數(shù)據(jù)沖擊整個(gè)系統(tǒng)，保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

（4）采用信令及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特有關(guān)聯(lián)算法：對(duì)于切入的用戶(hù)是無(wú)法直接識(shí)別用戶(hù)的IMSI 或MSISDN，但業(yè)務(wù)信道本身所攜帶的無(wú)線信道信息和業(yè)務(wù)層信息具備相關(guān)性。當(dāng)用戶(hù)在進(jìn)行列控?cái)?shù)據(jù)交互時(shí)在應(yīng)用層發(fā)送的信息包含了機(jī)車(chē)信息，因此通過(guò)解碼TCH 的業(yè)務(wù)層信息特別是應(yīng)用層的關(guān)鍵字段-車(chē)載ETCS 設(shè)備的標(biāo)識(shí)號(hào)就可以識(shí)別機(jī)車(chē)信息，而機(jī)車(chē)信息可以與TCH的無(wú)線信道信息進(jìn)行匹配。

（5）分組域空口數(shù)據(jù)的解析：分組域（GPRS）數(shù)據(jù)解析的設(shè)計(jì)基于軟件無(wú)線電技術(shù) ，硬件由射頻前端和通用處理平臺(tái)組成，數(shù)據(jù)傳輸采用pcie 數(shù)據(jù)接口。射頻全段采用超外差設(shè)計(jì)，保證了寬帶接收下的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度。分組域數(shù)據(jù)的物理層及高層的解碼在通用處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，使用c++語(yǔ)言，其中物理層解碼采用了SIMD（Single Instruction Multiple Data）技術(shù)進(jìn)行了算法優(yōu)化，對(duì)寬帶數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理，極大了加快了物理層處理效率。

2 運(yùn)用環(huán)境探討

研發(fā)GMS-R 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集單元的工作頻率為930～954 MHz / 885-909 MHz；接收及帶寬：接收頻段內(nèi)的任意兩段25 MHz，可軟件配置；頻率穩(wěn)定性為±0.5 ppm；接收機(jī)誤碼率小于10-7，靈敏度不小于-110 dBm；天線輸入阻抗小于50 ?，硬件設(shè)備功耗小于40 W。

系統(tǒng)在采集設(shè)備部分與現(xiàn)有基站系統(tǒng)共用鐵塔和機(jī)房，并且利用既有傳輸端口或數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此在系統(tǒng)的部署過(guò)程中將無(wú)需額外進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，此外系統(tǒng)的所有接口均不與既有GSM-R 設(shè)備進(jìn)行物理連接，因此在安裝和使用過(guò)程中不會(huì)影響任何GSM-R設(shè)備的運(yùn)行。

降低GSM-R 網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和優(yōu)化工作成本是探討研究的目標(biāo)之一，采用該系統(tǒng)后將減少GSM-R 維護(hù)單位在進(jìn)行故障排查時(shí)的測(cè)試設(shè)備指出和現(xiàn)場(chǎng)人力資源支出，并且系統(tǒng)將大幅提高故障分析和定位的效率，避免故障分析和定位中大量重復(fù)性工作，這些方面都將有效降低GSM-R 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作的成本，相對(duì)于人力資源的手動(dòng)分析具備更高的投入性?xún)r(jià)比。

3 研究方法的探討

系統(tǒng)可以通過(guò)接收GSMR 網(wǎng)內(nèi)的上下行信號(hào)，對(duì)空中傳輸?shù)纳漕l信號(hào)經(jīng)天線單元、射頻單元接收后，進(jìn)行基帶系統(tǒng)信號(hào)處理，并通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行協(xié)議棧解析。頻譜監(jiān)測(cè)功能時(shí)通過(guò)射頻單元對(duì)GSM-R 以及GSM 上下行頻段進(jìn)行掃頻，并且將掃頻的結(jié)果匯總。通過(guò)實(shí)時(shí)掃描當(dāng)前小區(qū)下的所有頻率和所有時(shí)隙的所有業(yè)務(wù)來(lái)保障數(shù)據(jù)跟蹤的完整性，實(shí)現(xiàn)呼叫的自動(dòng)跟蹤。同時(shí)系統(tǒng)采集設(shè)備所采集的大量空口數(shù)據(jù)可能在數(shù)據(jù)服務(wù)器造成阻塞從而導(dǎo)致丟包。系統(tǒng)采用了專(zhuān)利的流控技術(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算各個(gè)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)量，并動(dòng)態(tài)調(diào)整各個(gè)采集設(shè)備的端口流量，當(dāng)發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)出現(xiàn)溢出時(shí)將阻塞信號(hào)發(fā)送給源地址，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)流控，避免了在話務(wù)忙時(shí)的采集設(shè)備發(fā)送大量數(shù)據(jù)沖擊整個(gè)系統(tǒng)，保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

4 實(shí)驗(yàn)方法的探討

系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)容如圖1所示，主要包括GMS-R 空中接口的數(shù)據(jù)采集（包含電路域及分組域數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)處理三大部分，其中數(shù)據(jù)采集單元分為頻率掃描數(shù)據(jù)采集模塊以及GSM-R 空口信號(hào)采集模塊兩部分。其中監(jiān)測(cè)設(shè)備部分是本系統(tǒng)的總要組成部分，其硬件組成如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 監(jiān)測(cè)設(shè)備的組成圖

（1）射頻單元：該部分是系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作單元，主要負(fù)責(zé)頻譜數(shù)據(jù)采集，產(chǎn)生射頻信號(hào)通道，自動(dòng)搜索本小區(qū)的所有頻率和時(shí)隙并進(jìn)行接收。

（2）數(shù)據(jù)采集單元：數(shù)據(jù)采集單元包括射頻中頻信號(hào)的變頻、解調(diào)、均衡、去交織等，并將生成的數(shù)據(jù)傳送給處理器單元。

（3）處理器單元：主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的信道解碼、信源解碼、信令和業(yè)務(wù)識(shí)別、數(shù)據(jù)封裝等功能，并且將封裝后的數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸網(wǎng)路發(fā)給數(shù)據(jù)庫(kù)中心。此外處理器單元也設(shè)有本地存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一定時(shí)期的原始數(shù)據(jù)

平臺(tái)的軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本功能，一是接收系統(tǒng)硬件數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存，二是承載系統(tǒng)軟件平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)回放以及綜合作業(yè)管理。軟件系統(tǒng)按照功能架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層等3部分，如圖3所示。

5 成果應(yīng)用探討

此次探討研究是對(duì)GSM-R 基站設(shè)備的無(wú)線頻譜、空口交互信令以及空口語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)、分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)載設(shè)備和GSM-R 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的重要分界接口-空中接口的全面監(jiān)控，同時(shí)實(shí)現(xiàn)GSM-R 鐵路通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)的干擾監(jiān)控，及時(shí)處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備出現(xiàn)的各種告警信息和故障，做到“主動(dòng)性”的預(yù)防。通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)GSM-R 基站設(shè)備的無(wú)線頻譜、空口交互信令以及空口語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)、分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)載設(shè)備和GSM-R 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的重要分界接口-空中接口的全面監(jiān)控。通過(guò)自主研發(fā)完全滿足于鐵路數(shù)據(jù)的安全保密性要求；且系統(tǒng)完全獨(dú)立運(yùn)行，系統(tǒng)建設(shè)對(duì)鐵路其他通信設(shè)備和鐵路通信在用業(yè)務(wù)無(wú)任何影響。

此次探討研究的技術(shù)具備現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值，圍繞GSM-R通信監(jiān)測(cè)設(shè)備領(lǐng)域，根據(jù)智能化監(jiān)測(cè)發(fā)展需求，以鐵路通信段為應(yīng)用測(cè)試點(diǎn)，解決應(yīng)用困難和完成測(cè)試后具有全路推廣的前景。