基于GSM-R的空口監(jiān)測系統(tǒng)研究

劉子豪

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

伴隨著高速鐵路快速發(fā)展，GSM-R網(wǎng)絡在時速350 km高速線路中逐漸成為行車安全的關鍵環(huán)節(jié)，不僅承載語音、信令等通信業(yè)務，還是CTCS-3（簡稱C3）列控數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，關系到高速鐵路的通信質(zhì)量和運營安全。鐵路GSM-R無線系統(tǒng)中，空口(Um)接口是車載移動終端(MS)和地面基站(BTS)之間的接口，用于傳輸MS與網(wǎng)絡之間的信令信息和業(yè)務信息，是鐵路C3系統(tǒng)能夠正常運行重要環(huán)節(jié)。

高速鐵路處于高速運行過程當中，穿越復雜地形，無線信道易收到干擾，引起無線超時故障。目前在用的GSM-R接口監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測A，Abis，PRI接口，只監(jiān)測地面核心網(wǎng)側設備，沒有對空中接口進行監(jiān)測，無法形成監(jiān)測數(shù)據(jù)的閉環(huán),導致不少故障不能準確定位。本文研究的空口監(jiān)測系統(tǒng)不僅包含地面?zhèn)瓤湛诒O(jiān)測系統(tǒng)，還包括車載側空口監(jiān)測系統(tǒng)，可以同時對車地Um口和車載Igsm-r接口數(shù)據(jù)進行有效監(jiān)測，并上報到綜合分析系統(tǒng)，與既有的Abis、A及PRI接口監(jiān)測系統(tǒng)采集到的業(yè)務和信令數(shù)據(jù)進行對比。從而能更準確判斷出發(fā)生故障的具體原因,可以更有效地監(jiān)控突發(fā)干擾,為快速解決GSM-R網(wǎng)絡問題提供數(shù)據(jù)支持。

2 空口監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 整體結構設計

空口監(jiān)測系統(tǒng)由地面?zhèn)缺O(jiān)測設備、車載側監(jiān)測設備、地面處理中心設備和通信通道組成。如圖1所示。

圖1 空口監(jiān)測系統(tǒng)整體結構圖Fig.1 The overall structure diagram of the airport monitoring system

其中車載側空口監(jiān)測設備包括Um接口監(jiān)測單元、Igsm-r接口監(jiān)測單元、數(shù)據(jù)存儲單元及無線通信控制單元；地面?zhèn)瓤湛诒O(jiān)測設備與車載側空口監(jiān)測設備類似，地面?zhèn)炔话琁gsm-r接口監(jiān)測單元和無線通信控制單元；地面中心處理設備包括數(shù)據(jù)處理服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、數(shù)據(jù)查詢分析終端、通信服務器、接口網(wǎng)關及防火墻；通信通道可選用公網(wǎng)的3G/4G網(wǎng)絡，也可選用鐵路專用的GPRS或WLAN網(wǎng)絡。

車載監(jiān)測設備和地面監(jiān)測設備都通過無線射頻接收模塊實現(xiàn)Um接口的數(shù)據(jù)采集并對數(shù)據(jù)進行初步處理。當采集單元部署在基站站房時，通過以太網(wǎng)接口按照指定格式將數(shù)據(jù)通過鐵路通信網(wǎng)發(fā)送給Um接口處理服務器。當采集單元部署在車載MT側時：若車載側具備實時通信條件，空口監(jiān)測設備將采集到的Igsm-r及Um接口數(shù)據(jù)按照指定格式上報到地面處理服務器；若車載側不具備實時通信條件時，空口監(jiān)測設備按指定格式將數(shù)據(jù)保存在本地，當條件具備時再通過網(wǎng)絡下載或離線導入到查詢操作單元進行后續(xù)處理。地面處理服務器接收到監(jiān)測發(fā)送的數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)解析、關聯(lián)、告警識別及數(shù)據(jù)存儲等處理。

查詢分析終端既可從數(shù)據(jù)庫查詢已存儲的Igsm-r及Um接口信息，也可以實時顯示Um接口處理單元發(fā)送的數(shù)據(jù)。針對車載側監(jiān)測設備無法實時上報監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況，可以通過網(wǎng)絡下載或離線導入的方式將采集單元保存的離線數(shù)據(jù)文件下載到本地，并將文件內(nèi)容發(fā)送給數(shù)據(jù)處理服務器解析以后顯示。

2.2 空口監(jiān)測系統(tǒng)功能設計

空口接口監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和查詢操作單元組成，同時網(wǎng)管子系統(tǒng)為空口監(jiān)測子系統(tǒng)提供配置管理和告警管理功能。具體功能設計如下。

數(shù)據(jù)采集功能：能夠采集Igsm-r接口(車載側）的AT命令和C3業(yè)務數(shù)據(jù)；能夠采集Um接口的網(wǎng)絡信令和C3業(yè)務數(shù)據(jù)，并能對數(shù)據(jù)進行解調(diào)、去交織及解碼等處理；采集數(shù)據(jù)時不會影響車載MT正常工作，且Um接口采集設備不會對外發(fā)射無線信號。

數(shù)據(jù)傳輸、文件下載及上傳功能：能夠?qū)⒉杉降腎gsm-r和Um接口數(shù)據(jù)實時傳送到地面處理中心；能夠?qū)π枰獋鬏數(shù)臄?shù)據(jù)進行壓縮及解壓縮處理；地面中心設備能夠根據(jù)需要從車載監(jiān)測設備下載指定的離線記錄文件，并能將文件上傳到數(shù)據(jù)處理服務器進行解析、關聯(lián)等處理。

數(shù)據(jù)解析功能：能夠按照協(xié)議解析Igsm-r接口的AT命令和C3業(yè)務數(shù)據(jù)（車載側）；能夠按照協(xié)議解析Um接口的網(wǎng)絡信令和C3業(yè)務數(shù)據(jù)；能夠解析Um接口層2和層3的網(wǎng)絡信令；能夠逐層解析C3業(yè)務數(shù)據(jù)。

實時跟蹤功能：可選擇用戶實時跟蹤用戶的呼叫記錄信息；可選擇用戶實時跟蹤用戶的原始數(shù)據(jù)記錄信息；可選擇用戶實時跟蹤用戶的測量報告分布情況；可選擇設備實時跟蹤設備監(jiān)測頻點的信號強度分布情況。

數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計功能：能夠查詢Igsm-r和Um接口的呼叫記錄、AT命令、網(wǎng)絡信令、業(yè)務數(shù)據(jù)、切換事件、測量報告、通信異常等信息；能夠查看Igsm-r和Um接口的呼叫詳細信息，支持查看呼叫流程圖；能夠查詢并回放頻點信號強度分布信息；能夠統(tǒng)計網(wǎng)絡注冊時延及成功率、連接建立時延及失敗率指標。

數(shù)據(jù)存儲功能：車載側能夠?qū)⒈O(jiān)測信息保存為本地記錄文件；地面?zhèn)饶軌虮４鍵gsm-r和Um接口的呼叫記錄、原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)解析結果、通信異常、切換事件、測量報告等信息。

通信異常識別功能：能夠識別GSM-R網(wǎng)絡異常事件，如切換失敗、掉話等；能夠識別業(yè)務通信異常，如單方向數(shù)據(jù)傳輸超時、業(yè)務異常拆鏈等；能夠識別疑似網(wǎng)絡干擾異常事件。

故障分析及數(shù)據(jù)共享功能：能夠根據(jù)Igsm-r、Um、Abis、A及PRI接口的數(shù)據(jù)情況對C3無線超時異常進行分析；能夠匯總比對Igsm-r、Um和PRI接口的C3業(yè)務數(shù)據(jù)差異，為故障定位提供基礎；能夠查看全接口呼叫流程圖。

時間同步功能：監(jiān)測設備能與地面處理中心設備通過NTP協(xié)議進行時間同步；地面中心的所有設備能保持時間同步，并能與指定的外部時間源進行同步。

GSM頻段掃頻功能：車載側支持對GSM網(wǎng)絡下行的930～950 MHz進行掃頻；支持對930～950 MHz的BCCH信道進行解碼。地面?zhèn)饶茉O定需要采集的頻點集合，可以支持設定至少10個頻點。車載側和地面?zhèn)榷贾С诸l點集合范圍內(nèi)各頻點下行方向的信號強度。

網(wǎng)管功能：配置管理：能夠配置線路、RBC、C3用戶、應答器、GSM-R基站等基礎數(shù)據(jù)；設備管理：支持配置車載監(jiān)測設備和地面中心處理設備；告警管理：支持實時監(jiān)測車載設備狀態(tài)異常和地面中心設備的狀態(tài)異常，提供聲光告警，并能查詢歷史告警信息；性能管理：能夠?qū)崟r監(jiān)測地面中心設備的性能信息，并能識別性能超限告警。

3 關鍵技術實現(xiàn)

3.1 基于無線模塊陣列的空口數(shù)據(jù)采集與解析技術

GSM-R 上行頻率 885 ～ 889 MHz (移動臺發(fā) ,基站收 )、下行頻率 930 ～ 934 MHz (基站發(fā),移動臺收)。共4 MHz頻率帶寬。頻率間隔為45 MHz,相鄰頻道間隔為200 kHz，可用信道有19個。為了監(jiān)測鄰頻干擾，空口監(jiān)測設備設定的采集頻帶寬度需遠大于這個范圍。

現(xiàn)有的空口監(jiān)測采集方法只通過上下行兩個射頻模塊采集空中信號，受模塊的采樣頻段及處理能力的限制，可采集的頻段有限。并且只對BCCH進行采集與解析，通信過程中的TCH信道、ACCH信道、DCCH信 道、RACH信道、AGCH信道、SCH信道、PCH信道等其他信道頻點無法同時采集，導致無法完整監(jiān)測網(wǎng)絡的真實情況。

本文的空口監(jiān)測設備通過多個模塊并行處理技術實現(xiàn)對空中信號的采集及解析，并行模塊中包括一個master主模塊、1個reporter數(shù)據(jù)通信模塊和38個slave數(shù)據(jù)處理模塊。主模塊為寬頻模塊，通過上、下行天線實時接收無線網(wǎng)絡空中信號，可采集的頻段范圍除了覆蓋本小區(qū)頻點外，還包含前方和后方各自相鄰的2個小區(qū)，共計5個小區(qū)中的所有頻點（上下行各10個以上）和所有時隙。將采集到的信號按頻點拆分，通過交換芯片模塊依次分發(fā)到模塊陣列中的各slave從模塊并行處理，陣列中的模塊進行解調(diào)、解碼，最終將數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送給reporter模塊?？湛诓杉K的結構如圖2所示。

圖2 空口采集設備內(nèi)部結構圖Fig.2 Internal structure diagram of air port acquisition equipment

通過這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)模塊的并行處理，極大提高處理速度，并且可以降低單一模塊故障的影響。從模塊陣列中的模塊還能根據(jù)采集需求進行擴展，能適應逐漸增加的數(shù)據(jù)量及不同的通信網(wǎng)絡制式。實際測試表明，通過采用這種方法設計的空口采集設備的處理性能遠優(yōu)于同類型設備，針對頻譜采集與回放的功能也更加完善。采集設備能夠?qū)⒈O(jiān)測的無線場強信息上報到查詢分析終端，通過查詢分析終端可以支持對各個頻點信號強度進行跟蹤，實現(xiàn)基本的干擾檢測及干擾分析，如圖3所示。

圖3 查詢操作單元查看頻點信號強度界面Fig.3 View the frequency point signal strength interface by querying the operation unit

3.2 GPS及北斗并行授時技術

由于車載空口設備處于高速遠距離移動的條件下，針對無線延遲故障的判斷所要求的時間精度很高，要求至少在ms級別，因此如何對空口設備進行高精度時間同步，成為一大難題。本系統(tǒng)設備采用GPS和北斗并行授時技術對車載設備和地面設備進行時間同步。通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位（GNSS）授時是一種接收衛(wèi)星發(fā)射的低功率無線電信號,通過計算校準得出同步時間的方式。接收時鐘只要接收到1顆衛(wèi)星信號就能保證時鐘的走時準確性,從而可以給其他的設備進行時間同步。

通過GNSS授時可直接給設備進行時間同步的方式有3種：NTP/SNTP同步；pci/pcie板卡同步；串口授時。本系統(tǒng)采用亞米級u-blox M8授時模塊通過串口外接進行時間同步。u-blox M8 能并行捕獲和跟蹤兩個 GNSS系統(tǒng)，例如北斗和GPS。憑借很好的信號接收電路與先進的軟件算法的結合，質(zhì)量優(yōu)異的跟蹤和搜索引擎，u-blox M8能在GNSS星信號惡劣的環(huán)境下使用的較多的衛(wèi)星數(shù)量，提供很好的授時定位方案。

u-blox M8是包含北斗接收的單機接收器。利用同時接收GPS 和北斗信號時，產(chǎn)品的靈敏度可高達-165 dBm。采用u-blox M8 將全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的并發(fā)接收性能的提高應用到鐵路高速復雜的線路環(huán)境，能夠滿足系統(tǒng)對高精度時間同步的要求。并且，模塊支持使用一個外部SQI 閃存，u-blox M8 也可通過固件更新而輕松升級。

3.3 ATO業(yè)務監(jiān)測

高速鐵路ATO系統(tǒng)是在CTCS-2/CTCS-3級列控系統(tǒng)的基礎上,車載設置ATO單元實現(xiàn)自動駕駛控制,地面設置專用精確定位應答器實現(xiàn)精確定位,地面設備通過GPRS通信實現(xiàn)站臺門(安全門或屏蔽門,以下簡稱站臺門)控制、站間數(shù)據(jù)發(fā)送和列車運行調(diào)整計劃(簡稱運行計劃)處理。高速鐵路ATO系統(tǒng)主要功能包括:車站自動發(fā)車、區(qū)間自動運行、車站自動停車、車門自動開門(防護)、車門/站臺門聯(lián)動控制。

ATO業(yè)務通過使用GPRS網(wǎng)絡來實現(xiàn)車地數(shù)據(jù)傳輸。GSM-R網(wǎng)絡分組域業(yè)務（GPRS）與電路域數(shù)據(jù)業(yè)務相比，具有建立時間短、數(shù)據(jù)傳輸速率高、支持X.25和IP協(xié)議、永遠在線等特點。GPRS支持間歇和爆發(fā)式數(shù)據(jù)業(yè)務，能在0.5～1 s內(nèi)恢復數(shù)據(jù)的重新傳輸,這些特點決定了GPRS適用于傳輸較大量的數(shù)據(jù)。對實時性要求不高的場合。例如，使用GPRS傳輸列尾風壓、車次號信息、列車啟動停穩(wěn)信息和調(diào)度命令，以及ATO業(yè)務等。

本系統(tǒng)采用的設備可以對GPRS分組域業(yè)務進行監(jiān)測，并對GPRS網(wǎng)絡信令和業(yè)務數(shù)據(jù)進行解析。針對短時間內(nèi)業(yè)務數(shù)據(jù)增長的情況，預設一個閾值，當超過閾值以后可以對數(shù)據(jù)進行進一步的壓縮，得到壓縮后的數(shù)據(jù)包，再進行發(fā)送，并在地面端增加數(shù)據(jù)解壓操作，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時解析。通過查詢操作單元查詢解析出的GPRS信令和業(yè)務數(shù)據(jù)查詢結果如圖4所示。

圖4 查詢操作單元查看GPRS信令和業(yè)務數(shù)據(jù)界面Fig.4 View interface of GPRS signaling and service data by query operation u nit

4 系統(tǒng)應用

4.1 地面?zhèn)葢?/h3>

地面?zhèn)瓤湛诒O(jiān)測子系統(tǒng)已應用在京沈高鐵和日蘭高鐵的部分線路。地面?zhèn)瓤湛诒O(jiān)測系統(tǒng)在沿線基站機房的部署結構如圖5所示。

圖5 地面?zhèn)瓤湛诒O(jiān)測設備安裝結構圖Fig.5 Installation structure diagram of air port monitoring equipment on ground

地面?zhèn)瓤湛诒O(jiān)測設備安裝在基站機房，既可以利用既有基站饋線串聯(lián)接入，也可以并聯(lián)重新在監(jiān)測設備上架設全向天線。由于前一種方案成本較低，所以推薦采用前一種方案，如圖5所示，天線發(fā)射塔通過兩條饋線接入基站機房，空口監(jiān)測設備通過功分器接入基站的天饋線，以獲取空口的上行信號，下行信號通過接口監(jiān)測設備自帶吸盤天線進行采集，最終將采集到的數(shù)據(jù)通過專用網(wǎng)線接入交換機，與傳輸端口相連，再通過鐵路傳輸網(wǎng)接入核心機房。天饋線接功分器為一分二功分器，理論上信號強度衰減3 dB，經(jīng)過實驗室測試，選擇的功分器加上射頻跳線的平均衰減強度為4 dB。而C3線路信號強度通常在-70 dBm以上，經(jīng)衰減后，以上行信號強度不低于-75 dBm，而基站GSM-R模塊的靈敏度在-104 dBm，對通信效果的影響微弱。實際部署表明，對基站信號駐波比的影響很小，不會影響到正常的基站通信功能。

4.2 車載側應用

車載空口監(jiān)測設備需要安裝在動車組的兩端靠近ATP設備的位置，負責采集Igsm-r和Um接口數(shù)據(jù)。由于動車組內(nèi)空間狹小，且各型號車輛ATP柜結構、位置不統(tǒng)一，尤其是已安裝的設備情況難以統(tǒng)計，因此在安裝設備前需要上車確認，設備供電和天線需要依據(jù)其他設備安裝情況共用或靈活處理。安裝結構如圖6所示。

如圖6所示，空口監(jiān)測設備與DMS車載設備共用一路天饋線，用于采集下行方向的Um接口數(shù)據(jù)。上行方向的Um數(shù)據(jù)通過自帶吸盤天線采集。通過三通與高阻跨接的方式，在ATP的MT模塊與ATP之間的連線上獲得Igsm-r口的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

目前基于網(wǎng)絡安全的考慮難以將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過公網(wǎng)傳送到地面，因此在列車入庫后需要手動采集存儲數(shù)據(jù)。針對這種情況，研發(fā)了U盤自動拷貝系統(tǒng)：插入車載監(jiān)測設備的數(shù)據(jù)輸出接口后可以自動拷貝到截止當前時間設備上存儲的業(yè)務和信令數(shù)據(jù)，極大方便了調(diào)試人員快速收集數(shù)據(jù)進行分析。

5 結束語

空口監(jiān)測設備是GSM-R接口監(jiān)測系統(tǒng)的重要補充，實現(xiàn)了車載側與地面?zhèn)韧ㄐ判帕詈虲3業(yè)務，包括ATO業(yè)務數(shù)據(jù)的全面監(jiān)測，可以支持實時頻譜輸出及頻譜數(shù)據(jù)回放，在查詢操作終端還支持進行GSM-R網(wǎng)絡部分QoS指標統(tǒng)計。

圖6 車載側空口監(jiān)測設備安裝結構圖Fig.6 Installation structure diagram of air port monitoring equipment on vehicle

現(xiàn)有空口監(jiān)測設備結構較大，導致在車載側安裝復雜，且現(xiàn)有設備的價格偏高，從而導致設備目前在地面?zhèn)燃败囕d側均未能大面積推廣部署，造成系統(tǒng)未能充分發(fā)揮設備的功能及作用。但隨著空口監(jiān)測設備結構及功能的不斷優(yōu)化，在國內(nèi)高速鐵路快速發(fā)展的大背景下，空口監(jiān)測設備將發(fā)揮越來越重要的作用。