铁路空口监测系统技术方案研究

陈彦文

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

随着高速铁路的快速发展，GSM-R 网络在时速350 km 高速线路中逐渐成为行车安全的关键环节，不仅承载语音、信令等通信业务，还是CTCS-3 列控数据传输的载体，关系到高速铁路的通信质量和运营安全。为此，中国铁路总公司发布一系列“强基达标、提质增效”的工程指导意见和系统标准，要求在承载CTCS-3 列控业务的G 网区段配备GSM-R 空口（Um）监测设备，辅助GSM-R 网络优化工作，提高GSM-R 网络的抗干扰能力。

1 需求分析

U m 接口是移动设备与基站收发信机之间的接口，用于传输移动设备与G S M-R 网络之间的信令信息和业务信息。在C T C S-3 等级线路中，是划分信号专业与通信专业的维护和责任界面。目前GSM-R 接口监测系统包括A、Abis、P R I、G b、G n、G i 等，只监测地面设备，没有对车载设备接口进行监测，无法对涉及车载设备的问题进行故障定位，大部分只能归结为突发干扰。U m 口监测系统可以与既有的接口监测系统进行数据对比，再和车载通信模块进行数据分析，从而判断出发生故障的具体原因，可以更好的监控突发干扰，为快速解决GSM-R 网络问题提供数据支持。

2 系统设计

2.1 硬件结构

空口监测系统硬件设备由数据采集设备、承载网络和数据中心系统组成，如图1 所示，其中数据采集设备包含空口监测设备、功分器、馈线和天线，空口监测设备负责通过天馈线采集Um 接口数据和基站频谱监测数据，将采集的数据实时上传到数据中心系统；承载网络可利用铁路基站机房内MSTP传输网也可利用IP 数据网，传输系统和数据网系统分别为采集设备提供2 M 和FE 接口；数据中心系统包括数据中心处理服务器、应用服务器和操作终端，负责收集存储上传的数据并进行数据分析比对，判断故障发生原因，显示分析处理结果，并提供系统维护界面，进行综合作业管理。

2.2 软件结构

空口监测系统从功能划分可分为3 层:数据层、服务层和应用层。

数据层采自地理信息系统、空口监测采集设备，提供采集点位的GIS 数据和Um 接口数据等。

服务层作为数据处理层，完成信令消息过滤、语音数据过滤、干扰数据过滤、频谱数据过滤等功能。频谱数据的过滤是软件FFT 实现的。快速傅氏变换（Fast Fourier Transformation，FFT）是离散傅氏变换（DFT）的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。FFT 算法可分为按时间抽取算法和按频率抽取算法。信令数据过滤是通过收集的SDCCH 信道的数据来实现。语音数据过滤是通过收集TCH 信道的数据来实现。

应用层作为人机交互界面，为维护人员提供消息跟踪、实时频谱、频谱回放、语音回放、告警推送、干扰处理、数据配置管理、维护记录历史查询等相关技术服务。

2.3 部署原则

为更好的对GSM-R 网络进行监测，及时发现网络存在的故障节点，提高GSM-R 系统网络质量，建议将空口监测系统采集设备部署在以下几处重点部位。

1）交叉并线等枢纽区间属于重要区间无线环境复杂、需要增加空口监测设备来分析干扰情况和定位出现的无线超时故障。

2）对干扰多发区域，干扰处理后需要监控，防止干扰再次发生，影响行车，安装无线监测设备是必要的。对一些无线超时多发区域，可以通过安装无线监测设备来分析问题，解决问题，减少无线超时次数。

3）对车站、动车段、局界等重要基站安装无线监测设备，在重要基站出现问题时能第一时间提供数据联合分析，解决问题。

4）RBC 交权区多发单MT 问题、切换失败、起呼RBC 失败、移交失败等问题，需要空口监测辅助定位故障。

5）CTCS-2 线路业务问题主要表现为收发进路预告问题，因此需要监控收发区域基站，从空口分析、定位进路预告收发故障。

2.4 设备安装

空口监测系统数据中心系统服务器安装于核心网机房内，利用承载网络与采集设备进行通信。

采集设备安装在区间基站机房内，主要有串联和并联两种安装方式：其中串联方式将采集设备的上行数据端口通过功分器连接到铁塔天线，下行数据端口通过采集设备自带小天线接收下行信号，如图1 所示；并联方式则是在铁塔上新设一副全向天线，通过馈线将接收到的上下行数据分别引入采集设备的上下行数据端口，如图2 所示。

图1 串联方式 Fig.1 Series mode

图2 并联方式 Fig.2 Parallel mode

分析以上两种安装方式，串联方式施工相对简单，缺点是只能接收下行信号较小范围的频谱，适用于直放站覆盖区间。并联方式接收到频谱和空口数据和基站实际收发数据近似相同，较真实的反应基站的收发情况，缺点是需增加独立天馈线，施工相对复杂，适用于宏基站覆盖区间。

3 应用分析

3.1 案例一

3.1.1 案例背景

某铁路K224 公里处为RBC3 与RBC2 交权处，在此处频发上行车由于单电台引起的CTCS-3 降级或无线超时故障。该区域线路及网络覆盖情况如图3所示。

图3 线路及网络覆盖情况 Fig.3 Line and network coverage

津秦高铁与大秦线有8 个共用基站，当上行列车车载MT1 和MT2从没有GSM-R 网信号区域进入有GSM-R 网信号区域，即进入大秦线基站时，首先进行位置区更新，当行驶至RBC交权区时，MT1 开始起呼津秦线RBC3。在MT2即将进入津秦线基站区域后，由于位置区发生变化(大秦线华为基站LAC=9990，津秦线诺西基站LAC=8455),MT2 会进行位置区更新，MT1 由于处于连接状态，不会进行位置区更新。大约在K224 公里RBC3 与RBC2 交界处，MT2 起呼津秦RBC2，完成RBC 交权后，MT1 挂断。MT1 返回空闲状态后接着进行位置区更新。

3.1.2 故障现象

某日当列车经过图3 所示区域时,列车车载电台发生单电台故障(只有1 台电台位置更新成功)。

该车次两个终端信息：MT1 的MSISDN 为14983173233，MT2 的MSISDN 为14983173233。

3.1.3 案例分析

1）PRI 接口分析

从PRI 接口呼叫记录分析，可以看到该车在津秦高铁区段只有其MT2: 14983173233（IMSI460208319003555）一直在发起呼叫，而MT1(IMSI:460208319003554)一直没有呼叫记录，PRI 口呼叫记录如图4 所示。

2）空口监测系统Um 口信令分析

根据现场情况，在大秦线基站布设空口监测设备1 套，通过对空口信令分析，录取到该车次车单MT 时间段空口信令数据。从空口数据分析，09:47:13( 对 应BSC 侧 时 间 为09:52:32)，MT2(IMSI=460208319003555)在大秦线基站位置更新成功，但从空口监测系统没有找到MT1(IMSI 460208319003554)的位置更新信令。

BSC 侧设置空口监测服务器，对BSC 空口信令跟踪分析。根据分析结果，09:52:34 MT2(IMSI=460208319003555)在大秦线基站位置更新成功，没有跟踪到MT1(IMSI=460208319003554)的位置更新信息。空口监测系统采集到MT2 位置更新情况和BSC 侧跟踪信息如图5 所示。

图4 PRI口呼叫记录 Fig.4 PRI interface call detail records

图5 空口监测系统信息 Fig.5 Um interface monitoring system message

3）话统分析

位置更新首先要进行SDCCH 的立即指配，立即指配过程由Channel Request 消息触发，网络侧通过Immediate Assignment 消息分配SDCCH 信道。通过统计大秦线基站覆盖小区的立即指配指标，指配成功率均为100%。BSC 在单MT1 故障时间段没有指派失败问题。故障时间段大秦基站立即指配情况如表1 所示。

表1 故障时间段大秦线基站立即指配成功率Tab.1 Immediate assignment success rate of Datong-Qinhuangdao Railway base stations in failure period

3.1.4 解决方案

经过在该区段部署空口监测设备，对空口信令和BSC 数据进行跟踪分析，同一时间，每一条信道请求信息应对应携带同意随机数消息，而出现故障的MT 设备信道请求消息中没有发现相同随机数，故分析该MT 设备未向基站侧发起信道请求。

根据空口数据采集分析结果，建议对车载终端进行内部信令跟踪，研究终端是否由于不连续GSM-R 网络覆盖导致未成功注册至无线网络，造成终端设备不发送信道请求。经核查，对车载MT设备进行维护和软件更新，成功解决故障问题。

3.2 案例二

3.2.1 案例背景

某铁路区段在网络优化过程中，通过安装空口监测设备，采集到GSM-R 信号频谱如图6 所示。从图中可以看到，在GSM-R 上行频率885 ～889 MHz范围内，有2 个比较明显上行窄带干扰信号，干扰电平在-100 ～-95 dBm 之间，上行频谱底噪为-110 dBm。下行频谱没有异常。经过排查，发现铁路旁的一处私人屋楼顶有大量的私装天线，用频谱仪测试发现888.3 MHz 上行干扰信号，干扰信号强度约-42 dBm。第二处在铁路边城中村用频谱仪测试发现887.2 MHz 上行干扰信号，强度约-60 dBm。

图6 上行频谱图 Fig.6 Up link spectrum

3.2.2 解决方案

通过空口监测系统，分析采集到的广播信道数据，解析出各GSM-R 和公网各小区分析如表2 所示。从表中可看到，该监测点周边移动基站较多，频率分配有比较靠近GSM-R 频段的频率。同时，G 基站11 和基站14 BCCH 频率为邻频,在该位置可能会引起网内邻频干扰。

经在干扰区域现场调查，该区域公网覆盖较差，村民为改善房屋内信号，私装较多劣质放大器，导致覆盖该区域上行干扰较明显。经铁路局联系当地无线电管理部门，对部分私装放大器进行拆除，同时协调公网运营商改善该区域覆盖后，该区域上行干扰带明显减弱。

4 结论

随着大众铁路出行对移动通信网络需求的持续提高，铁路沿线公网运营商覆盖增强，同时为满足物联网需求的信号发射设备的增多，铁路沿线干扰信号呈逐年增加趋势；另外随着全国各CTCS-2 线路及CTCS-3 线路的达速推进，任何网络异常都可能造成行车秩序的紊乱。空口监测系统是接口监测系统的重要组成部分，有助于及时分析判断网络问题，快速进行故障定位并及时处理，同时有助于厘清信号专业与通信专业的维护和责任。

表2 空口监测扫频到GSM信号小区信息Tab.2 GSM signal cell information swept by Um interface monitoring system

铁路空口接口监测系统是GSM-R 网络接口监测的重要组成部分，增加铁路空口监测系统成为GSM-R 接口监测系统必然趋势和必要手段，在全国铁路GSM-R 的运行线路正在稳步推进。