基于SDR的GSM-R網絡頻譜監測接收機技術研究

吉 萌 師 進 姜 博 趙 波

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081；3．中國鐵路總公司，北京 100844)

1 概述

GSM-R是鐵路數字移動通信系統的簡稱，是國際鐵路聯盟UIC為滿足歐洲21世紀鐵路一體化進程而推薦的歐洲鐵路專用移動通信系統，最早在歐洲發展起來。GSM-R在GSM的基礎上增加了調度通信功能、鐵路智能網功能來滿足鐵路專網調度通信和車地數據、語音傳輸需求，并為用戶開發各種鐵路應用提供通信信息平臺。

軟件定義無線電（Software Defined Radio, SDR）是新的無線通信系統實現技術，不同于傳統無線通信系統通過硬件實現混頻、濾波、調制解調、檢波等無線通信功能，軟件無線電通過在通用計算機或者嵌入式系統上部署軟件的方式來實現通信系統的基本功能。

移動通信系統的干擾是造成網絡運行質量下降和通信傳輸可靠性下降的重要因素之一，在GSM-R系統中，干擾將引起GMSK解調誤碼率上升、通話感知質量下降、數據業務無差錯傳輸概率降低。當干擾超過一定閾值，將造成無線通信信道的阻塞，使得無線通信無法在目標頻段上運行，引起頻譜資源的浪費。

GSM-R移動通信系統與公眾無線通信系統有所區別。GSM-R網絡是鐵路專網應用系統，為保證列車的安全運行，系統必須具有更高的可靠性和更優QoS。因此，在GSM-R移動通信網絡的建設和運行中，應特別注意干擾的監測和解決，以充分發揮GSM-R網絡的作用。

本文提出一種基于軟件定義無線電的GSM-R無線頻譜監測接收機技術，在物理平臺上采用通用無線電外設（USRP），信號處理上應用模塊化信號處理軟件平臺GNU Radio，軟硬件結合搭建了GSM-R無線頻譜監測接收機樣機，并將該設備應用于中國通號GSM-R無線通信實驗室和CTCS-3級仿真測試實驗室的實際環境的頻譜和干擾監測。文中給出了監測結果，并分析驗證了SDR技術在GSM-R頻譜和干擾監測應用的可行性。

2 中國GSM-R網絡現狀

目前，中國高速鐵路建設穩步推進，高速鐵路在人們日常生活中發揮著不可替代的作用。按照鐵路規劃，到2020年，中國高速鐵路里程將達到3萬km。

中國高鐵已是我國高端裝備制造業的“黃金名片”，2008年以來我國鐵路得到長足發展，中國鐵路進入高鐵時代。根據國家2025年鐵路中長期規劃，鐵路總里程由12萬km增至17.5萬km，其中高鐵由1.9萬km增至3.8萬km，未來十年依然是鐵路大發展的“黃金時代”。

為發展我國高速鐵路，2003年鐵道部向信息產業部上報《關于申請GSM-R移動通信系統頻率的函》，提出鐵路GSM-R系統用頻申請。2003年9月信息產業部批復同意鐵路GSM-R系統與中國移動通信集團公司按地域共用900 MHz（885～889/930～934 MHz）即2×4 MHz帶寬的頻率；2007年3月信息產業部發文明確，該段頻率中國移動通信集團公司僅能使用到2009年年底，由鐵路GSM-R系統使用。

3 無線通信系統頻譜監測技術發展情況[1]

GSM-R能保證為列車控制、調度語音、售票檢票等業務提供高效的信息服務平臺的前提是GSM-R網絡具有較高的覆蓋質量和較低的干擾水平。GSM-R干擾監測是GSM-R鏈路預算、建設和運維的重要組成部分，長期、及時的干擾監測能準確發現干擾的來源、位置等信息，有利于GSM-R網絡穩定可靠運行，并降低網絡優化的難度[2]。

GSM-R無線電干擾是指GSM-R網絡通信過程中發生的，導致GSM-R信噪比下降、有用信息遭到損壞或者信息傳輸受到阻礙狀態及事實。

無線干擾信號是空間不可預知的電磁能量，可以通過直接耦合或者間接耦合的方式進入有用系統。無線干擾主要影響無線通信系統接收機，造成有用信號質量下降、信息丟失、數據傳輸受阻等現象。高強度、長時間的干擾可能會造成設備損壞，并可能導致整個網絡癱瘓。

對GSM-R影響較大的無線干擾可以按照頻率進行區分，可以分為以下幾種類型：同頻干擾、互調干擾、鄰頻干擾、阻塞干擾、帶外干擾。

同頻干擾：是指出現在GSM-R接收機濾波器和LNA通帶內的的與正常信號頻率相同的，無法與正常信號相互區分的無用信號。

互調干擾：互調干擾主要由非線性器件產生。非線性器件將產生組合頻率信號。當有多個不同頻率的信號加到接收機的低噪聲放大器等非線性器件上時，組合頻率信號的一部分可能落到接收機通帶內，成為互調干擾。

鄰頻干擾：鄰頻干擾主要由有用信號的臨近頻率產生。這類干擾主要由于頻率規劃不合理導致。

阻塞干擾：當有用頻率兩旁有強度較強的信號時，如果有用頻譜的信號較為微弱，將受到阻塞干擾。

帶外干擾：帶外干擾是同系統發射機的諧波或雜散輻射落在接收信號的頻帶內造成的干擾。

對GSM-R系統進行干擾監測的主要做用主要有以下幾點：第一，通過干擾監測可以篩選覆蓋區域頻譜比較干凈的點，合理設置基站；第二，通過干擾監測可以定位干擾源的位置和干擾源的類型，便于和干擾源的產權單位進行頻譜協調，并為后續的頻率規劃和分配提供支撐。

4 SDR技術研究

軟件定義無線電（Software Defined Radio,SDR）是將傳統無線通信系統中用硬件實現的部分（包括混頻器、濾波器、放大器、調制解調器、檢波器等）通過軟件實現的技術。SDR的概念在20世紀60年代已經出現，受制于處理器性能的限制，一致沒有實用化。近年來，通用處理器處理能力得到迅猛發展，軟件無線電技術也得到了長足的發展，在軍用、監測、公共服務等等眾多領域得到應用[3]。

4.1 USRP

近年來，軟件無線電技術慢慢進入實際應用，不同技術標準和各類型硬件平臺下的無線電通信可以很方便的在通用統一的硬件平臺上通過軟件編程來實現不同制式和不同用途無線通信[4，5]。

通用軟件無線電外設（Universal Software Radio Peripheral，USRP）的制造廠商是Ettus Research公司，USRP與GNU Radio具有很高的兼容性。通過使用USRP結合GNU Radio，可以方便地搭建軟件無線電設備樣機，實現快速的測試驗證。USRP的母板和子板分別承擔無線通信系統的數字基帶和中頻部分以及射頻部分。

在實際的研究和開發過程中，USRP的用戶能夠通過編寫程序，而不用通過更換高昂的硬件設備，設計和調試各種無線通信系統。現在USRP已經成為一個比較理想的軟件無線電平臺。

USRP硬 件 設 備 由 USRP母 板（mother board）、工作于不同頻段的子板（daughter board）以及相應的天線組成。母板上一般會設置高速信號處理的現場可編程門陣列（FPGA）芯片，子板上會設置對應頻段的LNA、混頻器、PA等射頻器件。子板根據射頻前端器件的不同，頻率范圍可以在70 MHz～5.9 GHz內調整。

目前的USRP產品線包括USRP的產品分為3個不同的系列，包括： USRP B200、B210，使用USB總線；USRP N200、N210使用千兆以太網接口；USRP E100、E110集成嵌入式系統。

本文選用基于USB3.0總線的USRP B210產品，它是USRP系列產品之一，B210采用了射頻前端集成在AD9361的主板上的設計，單片機直接轉換收發器，可實時提供到56 MHz的帶寬。B210采用在AD9361的信號鏈[6]，提供MIMO能力。板載信號的處理和控制是通過在AD9361 Spartan6 FPGA連接到一個使用xc6slx150 SuperSpeed USB 3.0主機上進行。B210最大提供61.44 MS/s的吞吐量，利用UHD的API與PC相連的，可提供實時帶寬最大到56 M。

USRP B210的原理結構圖如圖1所示。

4.2 GNU Radio

GNU Radio 是一個開源軟件項目，由全世界各地的軟件無線電開發人員維護。GNU Radio基于C/C++語言和Python語言開發。C/C++語言主要用來實現信號處理庫，Python語言主要用來實現用戶界面和信號處理模塊之間的鏈接。GNU Radio可以和USRP等軟件無線電硬件集成，快速形成無線通信系統設備樣機。

GNU Radio 可以進行各類信號處理。通過與USRP結合，可以使用GNU Radio編寫應用程序從數據流中獲取數據或將數據傳輸到數據流中，然后使用USRP硬件將其發射出去。GNU Radio具有濾波器、通道編碼、同步單元、均衡單元（equalizer）、解調器、聲音合成機（vocoder）、解碼器（decoder）、等很多功能塊,這些功能塊也都是無線電系統中的常見部件單元。更重要的是，它還具有連接這些功能模塊的方法及管理在這些功能塊間傳輸數據的協議。當發現GNU Radio缺失的特定功能塊，便可快速生成并將其添加到系統中。

4.3 使用SDR的技術優勢

軟件定義無線電具有如下技術優勢。

由于軟件無線電的信號處理功能都是模塊化實現的，所以可通過調整軟件模塊的數量，配置設備的功能。

軟件無線電采用標準模塊的設計方法，實現了通信系統硬件的平臺化。將軟件和硬件解耦后，可以根據實際的需要分別進行軟件和硬件的升級和擴展。通過這樣的方法，使用軟件無線電技術的無線通信系統可以和新舊不同體制的電臺通信。

5 基于SDR的無線電頻譜監測接收機

無線電頻譜監測接收機的主要測試放大是目標頻率掃描和信號場強檢測。可以使用低噪聲放大器LNA來增加接收機的靈敏度，以發現微弱的干擾信號[7]。

在本文的研究中，基于USRP B210和GNU Radio搭建了的無線電頻譜監測接收機。USRP是硬件平臺，負責將射頻信號中的基帶信息解調出來，然后在通用計算機的GNU Radio軟件中實現基帶信號的處理。無線電信號通過天線進入子板，在子板上進行低噪聲放大和混頻處理。然后中頻信號進入母板，通過模數轉換器采樣后，形成I/Q信號進入GNU Radio的主機[8]。信號處理流程如圖2所示。

根據上述設計，本文的研究人員搭建了基于SDR的無線電監測平臺接收機樣機，并在中國通號GSM-R實驗室、CTCS-3級仿真測試實驗室開展了現場測試。樣機和測試界面如圖3、4所示。

從圖4的（a）可以看出，在頻譜圖中，在940 MHz附近存在較大的公網GSM信號，信號的瞬時強度和Maxhold值分別用藍色和黃色線條標出；在圖4（b）中，可以直觀地看出，該信號持續存在，不是突發的信號。

測試結果表明，基于SDR的無線電監測平臺接收機樣機能快速簡便地實現接收功能，并能靈活調整監測的頻率范圍，可以作為GSM-R網絡頻譜監測的手段，并可作為GSM-R干擾監測和分析系統的基礎。

6 結論和建議

本文研究了GSM-R網絡干擾的定義和分類，論證了GSM-R網絡頻譜監測和干擾分析的重要意義。研究了軟件定義無線電（SDR）技術，詳細研究了軟件定義無線電中的USRP平臺和GNU Radio技術，并在這兩個技術的基礎上搭建了GSM-R網絡頻譜監測接收機樣機，開展了實際測試。測試結果表明，基于SDR技術GSM-R網絡頻譜監測接收機樣機可以準確獲取指定頻段的頻譜信息和瀑布圖信息。

后續在GSM-R網絡頻譜監測接收機樣機的基礎上可以繼續研究干擾分析系統，形成完整的GSM-R網絡干擾監測和分析系統，應用于各種場景下的網絡干擾分析，并為制定干擾防護和解決措施提供技術和數據支撐。