基于GSM-R網絡空中接口動態監測系統研究

吳 宇 韓 蕾

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

我國GSM-R網絡作為一種綜合數字移動通信系統，承載著CTCS-3（簡稱C3）列車控制等數據業務，為車地安全數據傳輸提供雙向、大容量通道，保障列車安全信息有效、可靠的交互。因此GSM-R網絡在鐵路運輸中承擔著日益艱巨的通信任務，而GSM-R無線網絡異常是影響C3系統的質量和傳輸可靠性的重要因素之一，快速準確的查找出異常原因，并進行相應處理，才能使網絡運營不受影響。

當前比較成熟的GSM-R網絡監測手段是對Abis接口、A接口以及PRI接口等有線接口的監測，該類接口監測系統已經應用于京滬、武廣、鄭西、哈大等多條高速鐵路，但是對于Um的監測尚屬空白。Um接口作為車載移動臺與地面之間的接口，受各種因素影響較大，無線網絡環境復雜，存在更多的不穩定性。Um接口是分析無線干擾、網絡覆蓋、無線信道擁塞和車地設備故障最佳結合點，也是唯一能夠解析無線測量報告、無線系統消息，實現信號的頻譜分析，實現電路域和分組域信令和業務并行監測的接口。因此實現GSM-R網絡Um接口監測對于及時發現網絡存在的故障和隱患，提高網絡運維質量非常重要。

2 Um接口監測系統架構

Um接口監測系統主要由3部分構成： 1）采集子系統；2）數據處理子系統；3）分析顯示子系統。如圖1所示。

采集子系統具有固定頻點的空中無線信號捕獲功能。由于鐵路GSM-R沿線各基站的頻點在設計時就確定下來，一般情況下基站多數配置為O2或O3，這樣采集子系統需要在每個基站處監測2～3個載頻的下行信息，同時根據下行載頻絕對頻點號能夠推斷出上行載頻的絕對頻點號，這樣也能有針對性的采集上行頻點信息。無線信號的捕獲功能主要是通過900 MHz GSM-R信號接收機完成，該接收機設置的位置可以有兩類：一是設置于機車車載端；二是設置于基站鐵塔處。綜合考慮本系統方案選擇后者，即每個基站鐵塔處設置1套接收機。根據GSM-R頻點分布，上行885～889 MHz，下行930～934 MHz，選擇接收機需要覆蓋該頻段范圍。GSM-R地面接收機首先將信號從射頻轉換到中頻，然后在中頻段完成A/D模擬數字轉換功能，接著通過FPGA做下變頻，實現數字中頻和基帶信號之間轉換，轉換后的基帶信號經過采樣，以適應網絡的傳輸要求和計算機計算能力的要求。接收機處理后的基帶I/Q信號通過鐵路傳輸網以E1方式發送到核心網機房的處理服務器設備進行后臺處理。

數據處理子系統需要完成兩部分工作：第一基帶I/Q數據首先進行幀同步和幀定位，以同步幀或時隙利用基于PC設備的軟件無線電平臺完成無線數字信號處理過程，該軟件無線電平臺能夠智能處理數字信號，包括多種解調模塊（GSM-R采用GSMK）、多種糾錯解碼模塊（RS,維特比，turbo碼）、多種信號處理結構（濾波器、FFT、量化器）等。最后生成不同信號類型下突發幀（burst）。第二將不同的burst送到解析處理服務器，實現Um接口L2/L3信令解碼以及用戶信息的關聯過程。關聯后信息按照用戶特征（MSISDN、IMSI、車次號、機車號）形成呼叫記錄。

分析顯示子系統由顯示終端、綜合分析平臺，網管客戶端等組成，實現對Um接口信令和數據的實時顯示、統計結果、分析圖表等。

3 Um接口監測實現

Um接口監測實現步驟如圖2所示：Um接口接收信號首先通過低通濾波器濾波，去除采樣信號中的毛刺，使波形平滑。接著利用搜索頻率校正信道（FCCH）中的頻率校正突發進行頻率校正，然后解析同步信道（SCH）的同步信息，實現監測系統與GSM-R網絡間時鐘同步。同步后的頻點根據各時隙的邏輯信道配置情況，確定載頻時隙承載的邏輯信道類型，不同類型邏輯信道采用相應的物理層算法譯碼得到burst幀數據。正確的Burst幀數據按照不同的數據鏈路幀類型送到L2協議層解碼，解碼結果發送到L3層，分別完成連接建立消息（CC）、移動性管理（MM）、無線資源管理（RR）消息解碼以及TCH信道對應的語音和數據的解碼。最終軟件完成同一機車解碼后信令和數據的關聯，對于未含有用戶唯一標識的信令，根據信令中指示的時隙號、幀號確定其對應的用戶唯一標識的信令，對其進行歸類。

3.1 幀同步原理

在GSM規范中，對總的頻譜劃分成200 kHz為單位的一個個頻段，稱為載頻。而對每一個載頻，允許8個用戶使用，即從時分多址方式來看，每個載頻有8個時隙（Time Slot），每個時隙的長度（BP）＝15/26＝0.577 ms，而每一個時幀長度為15/26×8 ＝ 4.615 ms。

在時隙中傳送的脈沖序列信號叫burst，burst是構成邏輯信道的基礎。通過不同邏輯信道組合承載業務信息和控制信息。GSM-R使用的突發類型共有5種，如圖3所示,NB是GSM-R系統中最常用的突發，包括26 bit訓練序列和58×2 bit的信息比特；FB主要作用是移動臺開機時內部頻率的調整；SB攜帶有幀結構方面的信息，用于移動臺向基站的同步過程；AB用于隨即介入過程；DB是BTS發出的填充BCCH載波上空閑時隙的突發，因為BCCH載波總是要求連續發送并且功率恒定。

Um接口監測幀同步過程如下。

1）首先進行FCCH捕獲。它對應頻率校正突發脈沖序列FB，因為FB為148 bit全0序列，對于GSMK調制來說，FB是一段標準的正弦波，該波形的特點明顯區別于其他的突發脈沖，因此首先要選擇FB進行時間粗同步。

2）FB粗同步利用數據段作相關運算，由于FB相對于其他burst相關性強，相關值的模的數值非常大，而其他數據相關性弱，其值被抑制的較低，可以在查找FB時設置一個門限，此門限可根據信號的平均功率得到。當有連續若干個相關的模值高于門限時，就可以判定找到了FB，由此可以推斷FB大概的其實位置。根據GSM系統的信道結構，經過最多88個時隙的時間，就可以在滑動窗口中檢測到FB的存在。

3）粗同步實現后利用SCH實現精同步。SCH是同步信道，它位于FCCH之后8個時隙的地方，SCH中傳輸的突發脈沖序列為SB，主要用于移動臺起始幀同步的捕獲，同時它還提供基站識別碼和TDMA幀號。SB含有一個特殊的長度為64的擴展訓練序列，而每個burst中信息比特只有78 bit。訓練比特序列非常長，它具有非常好的自相關性。使用預先存儲好的本地參考信號和確定范圍的接收信號進行相關運算，就可以得到非常明顯的峰值特性。一方面可以確定SB的存在，另一方面可以由峰值點精確定位出SB的起始點，這樣就完成時間精確同步的工作。

3.2 物理層處理原理

GSM-R空口監測最終目的是監測車載和地面之間控制信令流程、C3車地用戶之間傳輸的列控信息以及CIR語音信息等。為了實現上述目標，首先要得到各邏輯信道的burst數據，最重要的步驟就是物理層的數字信號處理過程。

由于不同邏輯信道采用的信道編解碼方式不同，重點關注邏輯信道主要分為兩類：一類是業務信道，包括TCH；一類是控制信道，包括FACCH、SACCH、BCCH、SDCCH等。

全速率語音信道（TCH/FS）以鐵路C3列控系統傳輸的控制信息為安全數據，其安全性要求很高，均采用CSD傳輸模式。在該模式下，通過解碼TCH的信道消息內容能夠還原安全信息的內容。

慢速隨路控制信道（FACCH）短消息業務使用該信道承載，通過解碼FACCH信道內容還原短消息內容。

廣播控制信道（BCCH）包含空中接口主要的無線網絡參數，具體有網絡識別參數、小區選擇參數、系統控制參數和網絡功能參數。按照系統消息類型劃分有 1、2、2BIS、2TER、3、4、7、8。

獨立專用控制信道（SDCCH）Um接口信令消息通過該邏輯信道承載，本系統主要監測的信令消息包括呼叫信令、切換信令、位置更新信令等。

慢速隨路控制信道（SACCH）通過提取SACCH信道的信息，得到上下行測量報告內容并在此基礎上繪制無線信號場強和質量分布以及信號強度與特定空間、位置環境的關系。除此以外SACCH信道上還包含系統消息5、5BIS、5TER、6。

由于在鐵路上無論是業務信道還是控制信道都采用A5/0加密算法，也就是不加密的方式，所以譯碼方法總體上分為四步。

業務信道：第一步解調；第二步解交織；第三步卷積碼譯碼；第四步循環碼譯碼。

控制信道：第一步解調；第二步解交織；第三步卷積碼譯碼；第四步法爾瑪譯碼。

詳細過程如表1所示。

表1 物理層譯碼過程

3.3 多載頻多基站呼叫和切換信令關聯

前面提到由于基站往往不只有單一的頻點，多數有一個主BCCH載頻和多個TCH載頻構成。由于處理服務器對配置的頻點全部時隙進行盲采集，移動臺從空閑狀態到呼叫建立后數據的傳輸，需要多個時隙共同配合完成一個用戶呼叫過程的關聯，這些時隙有可能分布在不同的載頻上。因此需要通過軟件解碼信道消息內容，查詢相關信令對應所在的信道號碼，再將這些信道消息重新組合，完成對某個用戶信令跟蹤過程。具體實現方法如下。

1）首先確定下行主頻0時隙的信道結構，根據已有數據中公共控制信道的值，確定一個BCCH復幀中CCCH消息塊數。

2）等待CCCH塊中消息有“立即指配”消息，如果不是，則不進行任何處理，如果是“立即指配”，則提取此消息的信道描述單元及移動配置單元，包括指配的信道類型、子信道號、時隙號等。

3）根據“立即指配”消息單元再結合系統消息提供的信息，計算出SDCCH對應的信道。

4）等待SDCCH信道的“CM業務請求”或“尋呼響應”或“位置更新請求”，找到移動臺移動識別單元（IMSI或TMSI）。

5）等待SDCCH信道的“SETUP“消息，找出主叫或被叫的BCD號碼。

6）SDCCH信道收到“指配命令”后，根據“指配命令”中信息單元跟蹤對應的業務信道，包括TCH信道頻點號、時隙號。

7）跟蹤業務分配TCH信道，提取用戶業務數據。除此以外通過偷幀標記判斷FACCH信道位置，監控該信道。

8）一旦檢測到“FACCH”信道上有“斷開連接”消息，可以放棄此次分配信道的監測過程，同時回到SDCCH信道等待釋放信令過程。

當列車發生切換時，從一個小區切換到另外一個小區，分屬于不同的基站時，地面接收機只能跟蹤到當前基站所屬切換信令，需要處理服務器完成切換信令的接續。假設接收機1負責A基站下信息采集，接收機2負責B基站下信息采集，當列車從A基站切換到B基站時，接收機1存儲下源小區的切出信令，接收機2存儲下目標小區的切入信令，按照網絡配置的正常切換順序，把接收機1和接收機2的信令進行關聯。

3.4 上行信道同步

在GSM-R網絡中，為了避免移動臺同時發射和接收，上行鏈路TDMA幀總是落后于下行鏈路TDMA幀3個BP，如圖4所示。在進行GSM-R網絡Um接口監測時，通過下行幀同步信道確定下行載頻的時隙位置后，由于上行信道沒有FCCH頻率校正信道和SCH同步信道，需要根據上下行之間的3個burst的時間差推斷上行信道時隙位置，然后進一步完成上行信道的解析過程。

4 試驗測試及效果

為測試本系統是否具有可行性，特在實驗室下搭建環境進行測試。測試環境如下：基站一套，配置BCCH頻點1016，TCH頻點1012。SAGEM測試手機一部模仿車載移動臺。Um接口動態監測系統1套。

設定接收機的采集頻率為934 MHz，對應頻點為1016，利用Um接口監測系統解碼burst信息如下。

2140260 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140264 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140271 0: 49 06 1b 90 04 64 f0 02 21 10 50 00 14 6c 65 48 b9 00 00 80 00 b0 5b

2140275 0: 05 06 20 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140281 0: 05 06 20 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140285 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140291 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140295 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140301 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140305 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140311 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140315 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140322 0: 31 06 1c 64 f0 02 21 10 65 48 b9 00 00 80 00 b2 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140326 0: 05 06 20 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140332 0: 05 06 20 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

為方便用戶觀察，將解碼后的burst信息進行L2/L3層協議處理，轉換為用戶可以識別的信令消息，經過測試發現解析結果正確，如圖5所示。

5 結論

本文研究基于GSM-R網絡Um接口動態監測空口信令和數據原理和具體實現方案，提出一種可實現的網絡搭建方案，針對該方案關鍵技術進行探討和深入分析。通過實驗室測試結果可知，采用本系統方案能夠準確同步到需要監測的GSM-R網絡，正確采樣和解析Um接口消息，為下一階段系統完善打下堅實的基礎。

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