基于GSM-R的空口監測系統研究

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展，GSM-R網絡在時速350 km高速線路中逐漸成為行車安全的關鍵環節，不僅承載語音、信令等通信業務，還是CTCS-3（簡稱C3）列控數據傳輸的載體，關系到高速鐵路的通信質量和運營安全。鐵路GSM-R無線系統中，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與網絡之間的信令信息和業務信息，是鐵路C3系統能夠正常運行重要環節。

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接口監測系統主要監測A，Abis，PRI接口，只監測地面核心網側設備，沒有對空中接口進行監測，無法形成監測數據的閉環,導致不少故障不能準確定位。本文研究的空口監測系統不僅包含地面側空口監測系統，還包括車載側空口監測系統，可以同時對車地Um口和車載Igsm-r接口數據進行有效監測，并上報到綜合分析系統，與既有的Abis、A及PRI接口監測系統采集到的業務和信令數據進行對比。從而能更準確判斷出發生故障的具體原因,可以更有效地監控突發干擾,為快速解決GSM-R網絡問題提供數據支持。

2 空口監測系統設計

2.1 整體結構設計

空口監測系統由地面側監測設備、車載側監測設備、地面處理中心設備和通信通道組成。如圖1所示。

圖1 空口監測系統整體結構圖Fig.1 The overall structure diagram of the airport monitoring system

其中車載側空口監測設備包括Um接口監測單元、Igsm-r接口監測單元、數據存儲單元及無線通信控制單元；地面側空口監測設備與車載側空口監測設備類似，地面側不包含Igsm-r接口監測單元和無線通信控制單元；地面中心處理設備包括數據處理服務器、數據庫服務器、數據查詢分析終端、通信服務器、接口網關及防火墻；通信通道可選用公網的3G/4G網絡，也可選用鐵路專用的GPRS或WLAN網絡。

車載監測設備和地面監測設備都通過無線射頻接收模塊實現Um接口的數據采集并對數據進行初步處理。當采集單元部署在基站站房時，通過以太網接口按照指定格式將數據通過鐵路通信網發送給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，空口監測設備將采集到的Igsm-r及Um接口數據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，空口監測設備按指定格式將數據保存在本地，當條件具備時再通過網絡下載或離線導入到查詢操作單元進行后續處理。地面處理服務器接收到監測發送的數據后，進行數據解析、關聯、告警識別及數據存儲等處理。

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

2.2 空口監測系統功能設計

空口接口監測系統由數據采集單元、數據處理單元和查詢操作單元組成，同時網管子系統為空口監測子系統提供配置管理和告警管理功能。具體功能設計如下。

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

數據傳輸、文件下載及上傳功能：能夠將采集到的Igsm-r和Um接口數據實時傳送到地面處理中心；能夠對需要傳輸的數據進行壓縮及解壓縮處理；地面中心設備能夠根據需要從車載監測設備下載指定的離線記錄文件，并能將文件上傳到數據處理服務器進行解析、關聯等處理。

數據解析功能：能夠按照協議解析Igsm-r接口的AT命令和C3業務數據（車載側）；能夠按照協議解析Um接口的網絡信令和C3業務數據；能夠解析Um接口層2和層3的網絡信令；能夠逐層解析C3業務數據。

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據記錄信息；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測頻點的信號強度分布情況。

數據查詢及統計功能：能夠查詢Igsm-r和Um接口的呼叫記錄、AT命令、網絡信令、業務數據、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；能夠統計網絡注冊時延及成功率、連接建立時延及失敗率指標。

數據存儲功能：車載側能夠將監測信息保存為本地記錄文件；地面側能夠保存Igsm-r和Um接口的呼叫記錄、原始數據、數據解析結果、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網絡異常事件，如切換失敗、掉話等；能夠識別業務通信異常，如單方向數據傳輸超時、業務異常拆鏈等；能夠識別疑似網絡干擾異常事件。

故障分析及數據共享功能：能夠根據Igsm-r、Um、Abis、A及PRI接口的數據情況對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業務數據差異，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：監測設備能與地面處理中心設備通過NTP協議進行時間同步；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。地面側能設定需要采集的頻點集合，可以支持設定至少10個頻點。車載側和地面側都支持頻點集合范圍內各頻點下行方向的信號強度。

網管功能：配置管理：能夠配置線路、RBC、C3用戶、應答器、GSM-R基站等基礎數據；設備管理：支持配置車載監測設備和地面中心處理設備；告警管理：支持實時監測車載設備狀態異常和地面中心設備的狀態異常，提供聲光告警，并能查詢歷史告警信息；性能管理：能夠實時監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

3.1 基于無線模塊陣列的空口數據采集與解析技術

GSM-R 上行頻率 885 ～ 889 MHz (移動臺發 ,基站收 )、下行頻率 930 ～ 934 MHz (基站發,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。為了監測鄰頻干擾，空口監測設備設定的采集頻帶寬度需遠大于這個范圍。

現有的空口監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，導致無法完整監測網絡的真實情況。

本文的空口監測設備通過多個模塊并行處理技術實現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數據通信模塊和38個slave數據處理模塊。主模塊為寬頻模塊，通過上、下行天線實時接收無線網絡空中信號，可采集的頻段范圍除了覆蓋本小區頻點外，還包含前方和后方各自相鄰的2個小區，共計5個小區中的所有頻點（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、解碼，最終將數據統一發送給reporter模塊。空口采集模塊的結構如圖2所示。

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

通過這種方式能夠實現模塊的并行處理，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采集需求進行擴展，能適應逐漸增加的數據量及不同的通信網絡制式。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。采集設備能夠將監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。通過全球導航衛星系統定位（GNSS）授時是一種接收衛星發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，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，質量優異的跟蹤和搜索引擎，u-blox M8能在GNSS星信號惡劣的環境下使用的較多的衛星數量，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，產品的靈敏度可高達-165 dBm。采用u-blox M8 將全球導航衛星系統的并發接收性能的提高應用到鐵路高速復雜的線路環境，能夠滿足系統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業務監測

高速鐵路ATO系統是在CTCS-2/CTCS-3級列控系統的基礎上,車載設置ATO單元實現自動駕駛控制,地面設置專用精確定位應答器實現精確定位,地面設備通過GPRS通信實現站臺門(安全門或屏蔽門,以下簡稱站臺門)控制、站間數據發送和列車運行調整計劃(簡稱運行計劃)處理。高速鐵路ATO系統主要功能包括:車站自動發車、區間自動運行、車站自動停車、車門自動開門(防護)、車門/站臺門聯動控制。

ATO業務通過使用GPRS網絡來實現車地數據傳輸。GSM-R網絡分組域業務（GPRS）與電路域數據業務相比，具有建立時間短、數據傳輸速率高、支持X.25和IP協議、永遠在線等特點。GPRS支持間歇和爆發式數據業務，能在0.5～1 s內恢復數據的重新傳輸,這些特點決定了GPRS適用于傳輸較大量的數據。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、列車啟動停穩信息和調度命令，以及ATO業務等。

本系統采用的設備可以對GPRS分組域業務進行監測，并對GPRS網絡信令和業務數據進行解析。針對短時間內業務數據增長的情況，預設一個閾值，當超過閾值以后可以對數據進行進一步的壓縮，得到壓縮后的數據包，再進行發送，并在地面端增加數據解壓操作，能夠實現數據的實時解析。通過查詢操作單元查詢解析出的GPRS信令和業務數據查詢結果如圖4所示。

圖4 查詢操作單元查看GPRS信令和業務數據界面Fig.4 View interface of GPRS signaling and service data by query operation u nit

4 系統應用

4.1 地面側應用

地面側空口監測子系統已應用在京沈高鐵和日蘭高鐵的部分線路。地面側空口監測系統在沿線基站機房的部署結構如圖5所示。

圖5 地面側空口監測設備安裝結構圖Fig.5 Installation structure diagram of air port monitoring equipment on ground

地面側空口監測設備安裝在基站機房，既可以利用既有基站饋線串聯接入，也可以并聯重新在監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，天線發射塔通過兩條饋線接入基站機房，空口監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測設備自帶吸盤天線進行采集，最終將采集到的數據通過專用網線接入交換機，與傳輸端口相連，再通過鐵路傳輸網接入核心機房。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接口數據。由于動車組內空間狹小，且各型號車輛ATP柜結構、位置不統一，尤其是已安裝的設備情況難以統計，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接口數據。上行方向的Um數據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口的監測數據。

目前基于網絡安全的考慮難以將監測數據通過公網傳送到地面，因此在列車入庫后需要手動采集存儲數據。針對這種情況，研發了U盤自動拷貝系統：插入車載監測設備的數據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務和信令數據，極大方便了調試人員快速收集數據進行分析。

5 結束語

空口監測設備是GSM-R接口監測系統的重要補充，實現了車載側與地面側通信信令和C3業務，包括ATO業務數據的全面監測，可以支持實時頻譜輸出及頻譜數據回放，在查詢操作終端還支持進行GSM-R網絡部分QoS指標統計。

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

現有空口監測設備結構較大，導致在車載側安裝復雜，且現有設備的價格偏高，從而導致設備目前在地面側及車載側均未能大面積推廣部署，造成系統未能充分發揮設備的功能及作用。但隨著空口監測設備結構及功能的不斷優化，在國內高速鐵路快速發展的大背景下，空口監測設備將發揮越來越重要的作用。