GSM-R空中接口監測與信令解析系統研究

2023-05-08 03:01:40鄧佳琪

計算機應用與軟件 2023年4期

鄧佳琪張曉趙光劉林,2

1(西南交通大學信息科學與技術學院四川成都 611756) 2(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院) 陜西西安 710043)

0 引言

隨著高速鐵路的快速發展,鐵路GSM-R網絡除了承載語音、信令等通信業務外,還承載CTCS-3列車控制業務,因此,GSM-R網絡傳輸質量成為高速鐵路安全運營的關鍵[1]。GSM-R系統由基站子系統(Base Station Subsystem,BSS)、網絡子系統(Network Switching Subsystem,NSS)、運行和業務支撐子系統以及其他終端設備組成[2],且通過網絡交換子系統實現與其他通信網絡的互聯互通[3]。GSM-R網絡接口如圖1所示。現有的GSM-R網絡接口監測系統主要集中在Abis接口和A接口。這些接口處于基站和交換機之間,所能監測的數據是基站和交換機之間傳遞的信令數據,對于車載設備與交換機之間通過空中接口傳輸的數據和信令無法監控[4]。此外,其中部分信令只在空中接口傳送。當這部分信令出現故障時,僅依靠現有監測系統提供的接口數據,無法再現和定位故障[5]。如對CTCS-3無線超時和降級問題分析處理時,由于空口監測數據缺失,則無法準確判斷是車載移動設備問題還是GSM-R網絡問題[6]。

圖1 GSM-R系統接口

本文致力于通過GSM-R空口協議解析以完善GSM-R網絡接口監測系統,跟蹤車載設備到地面終端間的信令傳輸,通過空口信令的準確分析為故障定位提供依據,這對保障高速鐵路列車的安全運營具有重要意義。本文設計的空口信令解析系統采用通用軟件無線電外設(Universal Software Radio Peripheral,USRP)采集GSM-R空口數據,通過物理層相關的解調譯碼等,獲取信令數據并進行內容解析,具體過程如圖2所示。其中,USRP完成信號采集,并處理成基帶IQ數據。PC中物理層模塊完成IQ數據的載波同步、SCH同步、解調、信道譯碼、解交織等過程。協議解析模塊則完成對物理層處理后得到的比特流進行信令信息的解析。

圖2 協議解析系統

1 USRP數據采集

為了實現對指定頻段信號的采集和存儲,本文采用如圖3所示的數據采集系統。其中硬件USRP和計算機采用千兆網線連接。USRP充當計算機的射頻前端,將天線接收到的無線電波轉換為計算機軟件可以處理的數字信號。計算機通過軟件GNU Radio建立數據采集流圖與USRP協同工作。圖4即為在GNU Radio軟件中建立的數據采集流圖[7]。圖4中,RTL-SDR Source模塊用于設置USRP待采集信號的參數及USRP工作相關參數,如中心頻率、采樣率、帶寬、頻偏、射頻增益等參數;File Sink模塊用于完成對采集數據的存儲。為了便于實時了解采集信號特征,數據采集系統采用QT GUI Frequency Sink模塊進行采集數據實時頻譜分析。進行數據采集時,首先將USRP和計算機連接,然后在PC端運行GUN Radio軟件下的數據采集流圖,實現信號的采集和存儲。

圖3 數據采集系統

圖4 GNU Radio軟件的數據采集流圖

2 信令解析軟件基本架構

GSM-R空口信令解析軟件基本架構如圖5所示。信令解析軟件讀取USRP存儲的IQ基帶信號進行載波同步,即查找FCCH。FCCH同步模塊從數據文件頭開始搜索直到找到FCCH為止。如果整個文件都已經處理完畢仍然沒有搜索到FCCH,FCCH同步失敗,本次采集數據無法實現信令解析。FCCH載波同步完成后即進行幀同步,即SCH同步。實現了FCCH和SCH同步后信令解析軟件將按照GSM-R協議規范依次進行物理層、鏈路層、網絡層的處理。

圖5 軟件基本結構

2.1 載波同步(FCCH同步)

要實現GSM-R空口信令解析,首先要獲得頻率同步[8]。GSM-R系統通過在FCCH信道上發送如圖6所示的頻率校正突發來實現頻率同步[9]。FCCH突發由148個連續的0組成,而GSM-R采用的是GMSK調制。因此,FCCH頻率校正突發通過GMSK調制后就是一個固定頻率的正弦/余弦波,且相鄰符號的相位差為正,利用該特征即可以實現FCCH載波同步。本文實現FCCH同步過程如圖7所示。由于前后兩個尾比特共6個0,且考慮到系統對噪聲等的容忍,本文設計的FCCH同步模塊的同步條件是當找到連續138個相位差為正時,該段數據即為FCCH數據。

圖6 FCCH突發脈沖結構

圖7 FCCH查找流程

2.2 幀(SCH)同步

SCH是FCCH之后的第8個時隙。FCCH同步完成后,即可利用該關系從存儲數據中找到對應的SCH數據。但是由于FCCH同步屬于粗同步,按此關系獲取的SCH數據存在一定的誤差。因此,本文設計的SCH同步模塊是根據FCCH位置及映射結構讀取包含SCH在內的兩個時隙的數據,在該兩個時隙范圍內尋找SCH精確位置。根據同步突發的結構(如圖6所示)可知,同步突發包括64比特同步序列,且同步突發(Synchronous Burst,SB)擴展訓練序列具有較強自相關性,因此,SCH同步方法即利用序列的相關性,將截取的SCH數據與協議規定的SCH同步序列(GMSK映射)進行滑動相關運算,相關值最大時即為SCH同步序列位置。SCH同步過程如圖8所示。

圖8 SCH同步框圖

同步突發除了包含同步序列之外,還包括78比特加密數據,該數據中包含了基站識別碼(Base Station Identity Code,BSIC)和幀號(Frame number,FN)等系統消息,因此,完成SCH同步后,將進行SB的信息解析。在SB解析過程中涉及的viterbi解調和CRC校驗等信道解碼處理將在下一部分進行分析。SCH解析的結果如圖9所示。其中BSIC包括網絡色碼和基站色碼,NCC為網絡色碼,用來識別相鄰的PLMN網;BCC為基站色碼,用來識別相同載頻不同的基站;t3’表示為該SCH位于51復幀中的第幾個SCH,值可為0、1、2、3、4;t3,t1,t2則是用來計算幀號,FN=(51×26×t1)+(51×tt)+t3。

圖9 SCH解析結果圖

2.3 物理層模塊的信號處理

物理層信號處理是信令解析的基礎,通過物理層的數字信號處理得到各個邏輯信道的突發數據,才能進一步進行協議解析。

2.3.1 信道映射模塊

信道映射模塊作為物理層處理中較為重要的模塊,完成物理信道到邏輯信道的映射,以使邏輯信道上的突發脈沖能正確交織組合在一起形成幀格式傳遞給數據鏈路層模塊。GSM-R系統的信道組合如圖10所示。信道組合方式的獲得如下:首先根據解析BCCH的系統消息得到時隙0上的BCCH和CCCH組合方式;其次解析CCCH的immediate assignment信令得到SDCCH的組合方式;最后解析SDCCH上assignment Command信令得到TCH的信道組合方式。因此我們可以根據信令解析結果和幀號得到信道映射的結果,即哪個時隙數據對應哪一種信道。

圖10 控制信道組合示意圖

2.3.2 信道數據的解碼處理

信道解碼過程是根據對應的信道類型將信道映射模塊輸出的突發進行解交織譯碼,還原信息比特后再傳遞給數據鏈路層。不同邏輯信道突發形式不同,除RACH、FCCH和SCH外的邏輯信道采用如圖11所示的常規突發,常規突發包括26 bit訓練比特和58×2 bit的信息比特。如果基站沒有用戶接入時公共控制信道會不間斷發送空突發(格式如圖11所示)。因此,在進行數據處理前需要先確定當前突發是常規突發還是空突發。區分常規突發和空突發的方式是利用兩種突發的訓練序列不同來完成,具體流程如圖12所示。由于GSM-R上的公共控制信道數據采用A5/0加密方式,即不加密,所以物理層解碼處理主要對數據進行組幀、解交織、viterbi解調和CRC校驗處理,如圖13所示。

圖11 常規突發和空突發脈沖結構

圖12 NB和DB區分流程圖13 信道解碼處理流程

(1) 組幀是將發送端信道編碼時的分段信息重新組合在一起。如圖14所示的公共控制信道為例,由于連續的4幀時隙0數據才能形成一個BCCH消息塊,故將4個連續常規突發的信息比特提取出來按順序拼接在一起進行組幀。

圖14 BCCH和CCCH在TS0上的復用

(2) 解交織是為了讓交織后的比特按規則重新組合恢復原始比特順序。GSM-R中的交織方式有塊交織和內部交織兩種方式。

(3) 利用viterbi算法進行卷積碼編碼的解碼,算法實現是基于viterbi的最大似然檢測法,在解碼的同時還可以檢測和糾正在傳輸過程中出現的誤碼比特。解碼后就是CRC校驗,用來判斷解碼出來的數據是否正確有效。

2.4 數據鏈路層模塊的設計與實現

數據鏈路層(L2)作為空中接口的第二層,主要作用是為網絡層實體之間相互有效地傳遞消息提供可靠性保障。數據鏈路層使用的協議為LAPDm協議,它提供給網絡層的業務連接點是服務接入點(SAP)。空口支持的業務接入點有兩種:SAPI=0表示普通信令,SAPI=3表示短消息SMS。

數據鏈路層中的幀格式主要分為Format B、Bbis和A等,具體結構如圖15所示。當DCCH發送沒有信息域的消息時采用幀格式A,發送有信息域的消息時采用幀格式B;而BCCH、PCH、NCH和AGCH發送消息時均采用幀格式Bbis,每次發送的一個塊包含一個完整信息。幀的區分是由物理層(L1)提供的,即在L1進行信道映射以后,L2根據L1提供的信道類型指示得到數據的幀格式,然后再進一步對其幀結構進行解析。L2處理模塊中主要針對幀頭的地址域、控制域、長度指示域進行解析,然后將有效信息域傳遞給網絡層。具體流程如圖16所示。

(a) Format type A

(b) Format type B

圖16 數據鏈路層處理流程

2.5 網絡層模塊的設計與實現

由空中接口協議體系可知,網絡層協議是整個空中接口協議的核心,它提供了移動臺和基站之間信令交互的接口。本系統網絡層模塊的主要功能是對網絡層信令進行解析。網絡層的消息格式分為標準消息格式和非標準消息格式。標準L3消息格式包含2個字節的頭部部分和非必要信令部分。其中頭部包含協議鑒別(PD)、跳頻指示(Skip Indicator,SI)(或者業務標識(Transaction identifier,TI))以及消息類型(Message type,MT),其組成結構如圖17所示。

圖17 標準L3消息的結構

根據數據鏈路層解析得到的長度指示域提取信息域比特流,并傳遞給網絡層(L3)解析模塊。由L3消息格式可知比特流第5-8位為跳頻指示字段,當其值為0000時消息將被忽略。比特流第1-4位為協議鑒別字段,第9-16位為消息類型字段,由于在不同類型協議中部分消息類型的字段編碼相同,所以在解析過程中應該先解析協議鑒別字段區分RR、CC和MM等協議類型,再解析消息類型。協議鑒別解析模塊如圖18所示,消息類型解析模塊如圖19所示。

圖18 協議鑒別模塊流程

圖19 消息類型解析模塊流程

3 系統測試驗證

利用圖3的數據采集系統完成高鐵GSM-R數據采集。將高鐵站采集到的GSM-R數據導入信令解析軟件中進行測試。部分信令交互解析結果如圖20所示。其中MNC結果為20表示該數據為鐵路GSM-R的數據。將輸出解析結果與協議中規定參數的說明和Wireshark結果進行對比,可以得到其幀號、消息類型、MCC、MNC、LAC等參數均相同,如圖21所示。結果驗證了算法的正確性,表明該系統能夠實現GSM-R信令的監測。