基于SDR的GSM-R网络频谱监测接收机技术研究

吉 萌 师 进 姜 博 赵 波

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；3．中国铁路总公司，北京 100844)

1 概述

GSM-R是铁路数字移动通信系统的简称，是国际铁路联盟UIC为满足欧洲21世纪铁路一体化进程而推荐的欧洲铁路专用移动通信系统，最早在欧洲发展起来。GSM-R在GSM的基础上增加了调度通信功能、铁路智能网功能来满足铁路专网调度通信和车地数据、语音传输需求，并为用户开发各种铁路应用提供通信信息平台。

软件定义无线电（Software Defined Radio, SDR）是新的无线通信系统实现技术，不同于传统无线通信系统通过硬件实现混频、滤波、调制解调、检波等无线通信功能，软件无线电通过在通用计算机或者嵌入式系统上部署软件的方式来实现通信系统的基本功能。

移动通信系统的干扰是造成网络运行质量下降和通信传输可靠性下降的重要因素之一，在GSM-R系统中，干扰将引起GMSK解调误码率上升、通话感知质量下降、数据业务无差错传输概率降低。当干扰超过一定阈值，将造成无线通信信道的阻塞，使得无线通信无法在目标频段上运行，引起频谱资源的浪费。

GSM-R移动通信系统与公众无线通信系统有所区别。GSM-R网络是铁路专网应用系统，为保证列车的安全运行，系统必须具有更高的可靠性和更优QoS。因此，在GSM-R移动通信网络的建设和运行中，应特别注意干扰的监测和解决，以充分发挥GSM-R网络的作用。

本文提出一种基于软件定义无线电的GSM-R无线频谱监测接收机技术，在物理平台上采用通用无线电外设（USRP），信号处理上应用模块化信号处理软件平台GNU Radio，软硬件结合搭建了GSM-R无线频谱监测接收机样机，并将该设备应用于中国通号GSM-R无线通信实验室和CTCS-3级仿真测试实验室的实际环境的频谱和干扰监测。文中给出了监测结果，并分析验证了SDR技术在GSM-R频谱和干扰监测应用的可行性。

2 中国GSM-R网络现状

目前，中国高速铁路建设稳步推进，高速铁路在人们日常生活中发挥着不可替代的作用。按照铁路规划，到2020年，中国高速铁路里程将达到3万km。

中国高铁已是我国高端装备制造业的“黄金名片”，2008年以来我国铁路得到长足发展，中国铁路进入高铁时代。根据国家2025年铁路中长期规划，铁路总里程由12万km增至17.5万km，其中高铁由1.9万km增至3.8万km，未来十年依然是铁路大发展的“黄金时代”。

为发展我国高速铁路，2003年铁道部向信息产业部上报《关于申请GSM-R移动通信系统频率的函》，提出铁路GSM-R系统用频申请。2003年9月信息产业部批复同意铁路GSM-R系统与中国移动通信集团公司按地域共用900 MHz（885～889/930～934 MHz）即2×4 MHz带宽的频率；2007年3月信息产业部发文明确，该段频率中国移动通信集团公司仅能使用到2009年年底，由铁路GSM-R系统使用。

3 无线通信系统频谱监测技术发展情况[1]

GSM-R能保证为列车控制、调度语音、售票检票等业务提供高效的信息服务平台的前提是GSM-R网络具有较高的覆盖质量和较低的干扰水平。GSM-R干扰监测是GSM-R链路预算、建设和运维的重要组成部分，长期、及时的干扰监测能准确发现干扰的来源、位置等信息，有利于GSM-R网络稳定可靠运行，并降低网络优化的难度[2]。

GSM-R无线电干扰是指GSM-R网络通信过程中发生的，导致GSM-R信噪比下降、有用信息遭到损坏或者信息传输受到阻碍状态及事实。

无线干扰信号是空间不可预知的电磁能量，可以通过直接耦合或者间接耦合的方式进入有用系统。无线干扰主要影响无线通信系统接收机，造成有用信号质量下降、信息丢失、数据传输受阻等现象。高强度、长时间的干扰可能会造成设备损坏，并可能导致整个网络瘫痪。

对GSM-R影响较大的无线干扰可以按照频率进行区分，可以分为以下几种类型：同频干扰、互调干扰、邻频干扰、阻塞干扰、带外干扰。

同频干扰：是指出现在GSM-R接收机滤波器和LNA通带内的的与正常信号频率相同的，无法与正常信号相互区分的无用信号。

互调干扰：互调干扰主要由非线性器件产生。非线性器件将产生组合频率信号。当有多个不同频率的信号加到接收机的低噪声放大器等非线性器件上时，组合频率信号的一部分可能落到接收机通带内，成为互调干扰。

邻频干扰：邻频干扰主要由有用信号的临近频率产生。这类干扰主要由于频率规划不合理导致。

阻塞干扰：当有用频率两旁有强度较强的信号时，如果有用频谱的信号较为微弱，将受到阻塞干扰。

带外干扰：带外干扰是同系统发射机的谐波或杂散辐射落在接收信号的频带内造成的干扰。

对GSM-R系统进行干扰监测的主要做用主要有以下几点：第一，通过干扰监测可以筛选覆盖区域频谱比较干净的点，合理设置基站；第二，通过干扰监测可以定位干扰源的位置和干扰源的类型，便于和干扰源的产权单位进行频谱协调，并为后续的频率规划和分配提供支撑。

4 SDR技术研究

软件定义无线电（Software Defined Radio,SDR）是将传统无线通信系统中用硬件实现的部分（包括混频器、滤波器、放大器、调制解调器、检波器等）通过软件实现的技术。SDR的概念在20世纪60年代已经出现，受制于处理器性能的限制，一致没有实用化。近年来，通用处理器处理能力得到迅猛发展，软件无线电技术也得到了长足的发展，在军用、监测、公共服务等等众多领域得到应用[3]。

4.1 USRP

近年来，软件无线电技术慢慢进入实际应用，不同技术标准和各类型硬件平台下的无线电通信可以很方便的在通用统一的硬件平台上通过软件编程来实现不同制式和不同用途无线通信[4，5]。

通用软件无线电外设（Universal Software Radio Peripheral，USRP）的制造厂商是Ettus Research公司，USRP与GNU Radio具有很高的兼容性。通过使用USRP结合GNU Radio，可以方便地搭建软件无线电设备样机，实现快速的测试验证。USRP的母板和子板分别承担无线通信系统的数字基带和中频部分以及射频部分。

在实际的研究和开发过程中，USRP的用户能够通过编写程序，而不用通过更换高昂的硬件设备，设计和调试各种无线通信系统。现在USRP已经成为一个比较理想的软件无线电平台。

USRP硬 件 设 备 由 USRP母 板（mother board）、工作于不同频段的子板（daughter board）以及相应的天线组成。母板上一般会设置高速信号处理的现场可编程门阵列（FPGA）芯片，子板上会设置对应频段的LNA、混频器、PA等射频器件。子板根据射频前端器件的不同，频率范围可以在70 MHz～5.9 GHz内调整。

目前的USRP产品线包括USRP的产品分为3个不同的系列，包括： USRP B200、B210，使用USB总线；USRP N200、N210使用千兆以太网接口；USRP E100、E110集成嵌入式系统。

本文选用基于USB3.0总线的USRP B210产品，它是USRP系列产品之一，B210采用了射频前端集成在AD9361的主板上的设计，单片机直接转换收发器，可实时提供到56 MHz的带宽。B210采用在AD9361的信号链[6]，提供MIMO能力。板载信号的处理和控制是通过在AD9361 Spartan6 FPGA连接到一个使用xc6slx150 SuperSpeed USB 3.0主机上进行。B210最大提供61.44 MS/s的吞吐量，利用UHD的API与PC相连的，可提供实时带宽最大到56 M。

USRP B210的原理结构图如图1所示。

4.2 GNU Radio

GNU Radio 是一个开源软件项目，由全世界各地的软件无线电开发人员维护。GNU Radio基于C/C++语言和Python语言开发。C/C++语言主要用来实现信号处理库，Python语言主要用来实现用户界面和信号处理模块之间的链接。GNU Radio可以和USRP等软件无线电硬件集成，快速形成无线通信系统设备样机。

GNU Radio 可以进行各类信号处理。通过与USRP结合，可以使用GNU Radio编写应用程序从数据流中获取数据或将数据传输到数据流中，然后使用USRP硬件将其发射出去。GNU Radio具有滤波器、通道编码、同步单元、均衡单元（equalizer）、解调器、声音合成机（vocoder）、解码器（decoder）、等很多功能块,这些功能块也都是无线电系统中的常见部件单元。更重要的是，它还具有连接这些功能模块的方法及管理在这些功能块间传输数据的协议。当发现GNU Radio缺失的特定功能块，便可快速生成并将其添加到系统中。

4.3 使用SDR的技术优势

软件定义无线电具有如下技术优势。

由于软件无线电的信号处理功能都是模块化实现的，所以可通过调整软件模块的数量，配置设备的功能。

软件无线电采用标准模块的设计方法，实现了通信系统硬件的平台化。将软件和硬件解耦后，可以根据实际的需要分别进行软件和硬件的升级和扩展。通过这样的方法，使用软件无线电技术的无线通信系统可以和新旧不同体制的电台通信。

5 基于SDR的无线电频谱监测接收机

无线电频谱监测接收机的主要测试放大是目标频率扫描和信号场强检测。可以使用低噪声放大器LNA来增加接收机的灵敏度，以发现微弱的干扰信号[7]。

在本文的研究中，基于USRP B210和GNU Radio搭建了的无线电频谱监测接收机。USRP是硬件平台，负责将射频信号中的基带信息解调出来，然后在通用计算机的GNU Radio软件中实现基带信号的处理。无线电信号通过天线进入子板，在子板上进行低噪声放大和混频处理。然后中频信号进入母板，通过模数转换器采样后，形成I/Q信号进入GNU Radio的主机[8]。信号处理流程如图2所示。

根据上述设计，本文的研究人员搭建了基于SDR的无线电监测平台接收机样机，并在中国通号GSM-R实验室、CTCS-3级仿真测试实验室开展了现场测试。样机和测试界面如图3、4所示。

从图4的（a）可以看出，在频谱图中，在940 MHz附近存在较大的公网GSM信号，信号的瞬时强度和Maxhold值分别用蓝色和黄色线条标出；在图4（b）中，可以直观地看出，该信号持续存在，不是突发的信号。

测试结果表明，基于SDR的无线电监测平台接收机样机能快速简便地实现接收功能，并能灵活调整监测的频率范围，可以作为GSM-R网络频谱监测的手段，并可作为GSM-R干扰监测和分析系统的基础。

6 结论和建议

本文研究了GSM-R网络干扰的定义和分类，论证了GSM-R网络频谱监测和干扰分析的重要意义。研究了软件定义无线电（SDR）技术，详细研究了软件定义无线电中的USRP平台和GNU Radio技术，并在这两个技术的基础上搭建了GSM-R网络频谱监测接收机样机，开展了实际测试。测试结果表明，基于SDR技术GSM-R网络频谱监测接收机样机可以准确获取指定频段的频谱信息和瀑布图信息。

后续在GSM-R网络频谱监测接收机样机的基础上可以继续研究干扰分析系统，形成完整的GSM-R网络干扰监测和分析系统，应用于各种场景下的网络干扰分析，并为制定干扰防护和解决措施提供技术和数据支撑。