基于GSM-R的空口监测系统研究

刘子豪

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

1 概述

伴随着高速铁路快速发展，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（简称C3）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。铁路GSM-R无线系统中，空口(Um)接口是车载移动终端(MS)和地面基站(BTS)之间的接口，用于传输MS与网络之间的信令信息和业务信息，是铁路C3系统能够正常运行重要环节。

高速铁路处于高速运行过程当中，穿越复杂地形，无线信道易收到干扰，引起无线超时故障。目前在用的GSM-R接口监测系统主要监测A，Abis，PRI接口，只监测地面核心网侧设备，没有对空中接口进行监测，无法形成监测数据的闭环,导致不少故障不能准确定位。本文研究的空口监测系统不仅包含地面侧空口监测系统，还包括车载侧空口监测系统，可以同时对车地Um口和车载Igsm-r接口数据进行有效监测，并上报到综合分析系统，与既有的Abis、A及PRI接口监测系统采集到的业务和信令数据进行对比。从而能更准确判断出发生故障的具体原因,可以更有效地监控突发干扰,为快速解决GSM-R网络问题提供数据支持。

2 空口监测系统设计

2.1 整体结构设计

空口监测系统由地面侧监测设备、车载侧监测设备、地面处理中心设备和通信通道组成。如图1所示。

图1 空口监测系统整体结构图Fig.1 The overall structure diagram of the airport monitoring system

其中车载侧空口监测设备包括Um接口监测单元、Igsm-r接口监测单元、数据存储单元及无线通信控制单元；地面侧空口监测设备与车载侧空口监测设备类似，地面侧不包含Igsm-r接口监测单元和无线通信控制单元；地面中心处理设备包括数据处理服务器、数据库服务器、数据查询分析终端、通信服务器、接口网关及防火墙；通信通道可选用公网的3G/4G网络，也可选用铁路专用的GPRS或WLAN网络。

车载监测设备和地面监测设备都通过无线射频接收模块实现Um接口的数据采集并对数据进行初步处理。当采集单元部署在基站站房时，通过以太网接口按照指定格式将数据通过铁路通信网发送给Um接口处理服务器。当采集单元部署在车载MT侧时：若车载侧具备实时通信条件，空口监测设备将采集到的Igsm-r及Um接口数据按照指定格式上报到地面处理服务器；若车载侧不具备实时通信条件时，空口监测设备按指定格式将数据保存在本地，当条件具备时再通过网络下载或离线导入到查询操作单元进行后续处理。地面处理服务器接收到监测发送的数据后，进行数据解析、关联、告警识别及数据存储等处理。

查询分析终端既可从数据库查询已存储的Igsm-r及Um接口信息，也可以实时显示Um接口处理单元发送的数据。针对车载侧监测设备无法实时上报监测数据的情况，可以通过网络下载或离线导入的方式将采集单元保存的离线数据文件下载到本地，并将文件内容发送给数据处理服务器解析以后显示。

2.2 空口监测系统功能设计

空口接口监测系统由数据采集单元、数据处理单元和查询操作单元组成，同时网管子系统为空口监测子系统提供配置管理和告警管理功能。具体功能设计如下。

数据采集功能：能够采集Igsm-r接口(车载侧）的AT命令和C3业务数据；能够采集Um接口的网络信令和C3业务数据，并能对数据进行解调、去交织及解码等处理；采集数据时不会影响车载MT正常工作，且Um接口采集设备不会对外发射无线信号。

数据传输、文件下载及上传功能：能够将采集到的Igsm-r和Um接口数据实时传送到地面处理中心；能够对需要传输的数据进行压缩及解压缩处理；地面中心设备能够根据需要从车载监测设备下载指定的离线记录文件，并能将文件上传到数据处理服务器进行解析、关联等处理。

数据解析功能：能够按照协议解析Igsm-r接口的AT命令和C3业务数据（车载侧）；能够按照协议解析Um接口的网络信令和C3业务数据；能够解析Um接口层2和层3的网络信令；能够逐层解析C3业务数据。

实时跟踪功能：可选择用户实时跟踪用户的呼叫记录信息；可选择用户实时跟踪用户的原始数据记录信息；可选择用户实时跟踪用户的测量报告分布情况；可选择设备实时跟踪设备监测频点的信号强度分布情况。

数据查询及统计功能：能够查询Igsm-r和Um接口的呼叫记录、AT命令、网络信令、业务数据、切换事件、测量报告、通信异常等信息；能够查看Igsm-r和Um接口的呼叫详细信息，支持查看呼叫流程图；能够查询并回放频点信号强度分布信息；能够统计网络注册时延及成功率、连接建立时延及失败率指标。

数据存储功能：车载侧能够将监测信息保存为本地记录文件；地面侧能够保存Igsm-r和Um接口的呼叫记录、原始数据、数据解析结果、通信异常、切换事件、测量报告等信息。

通信异常识别功能：能够识别GSM-R网络异常事件，如切换失败、掉话等；能够识别业务通信异常，如单方向数据传输超时、业务异常拆链等；能够识别疑似网络干扰异常事件。

故障分析及数据共享功能：能够根据Igsm-r、Um、Abis、A及PRI接口的数据情况对C3无线超时异常进行分析；能够汇总比对Igsm-r、Um和PRI接口的C3业务数据差异，为故障定位提供基础；能够查看全接口呼叫流程图。

时间同步功能：监测设备能与地面处理中心设备通过NTP协议进行时间同步；地面中心的所有设备能保持时间同步，并能与指定的外部时间源进行同步。

GSM频段扫频功能：车载侧支持对GSM网络下行的930～950 MHz进行扫频；支持对930～950 MHz的BCCH信道进行解码。地面侧能设定需要采集的频点集合，可以支持设定至少10个频点。车载侧和地面侧都支持频点集合范围内各频点下行方向的信号强度。

网管功能：配置管理：能够配置线路、RBC、C3用户、应答器、GSM-R基站等基础数据；设备管理：支持配置车载监测设备和地面中心处理设备；告警管理：支持实时监测车载设备状态异常和地面中心设备的状态异常，提供声光告警，并能查询历史告警信息；性能管理：能够实时监测地面中心设备的性能信息，并能识别性能超限告警。

3 关键技术实现

3.1 基于无线模块阵列的空口数据采集与解析技术

GSM-R 上行频率 885 ～ 889 MHz (移动台发 ,基站收 )、下行频率 930 ～ 934 MHz (基站发,移动台收)。共4 MHz频率带宽。频率间隔为45 MHz,相邻频道间隔为200 kHz，可用信道有19个。为了监测邻频干扰，空口监测设备设定的采集频带宽度需远大于这个范围。

现有的空口监测采集方法只通过上下行两个射频模块采集空中信号，受模块的采样频段及处理能力的限制，可采集的频段有限。并且只对BCCH进行采集与解析，通信过程中的TCH信道、ACCH信道、DCCH信 道、RACH信道、AGCH信道、SCH信道、PCH信道等其他信道频点无法同时采集，导致无法完整监测网络的真实情况。

本文的空口监测设备通过多个模块并行处理技术实现对空中信号的采集及解析，并行模块中包括一个master主模块、1个reporter数据通信模块和38个slave数据处理模块。主模块为宽频模块，通过上、下行天线实时接收无线网络空中信号，可采集的频段范围除了覆盖本小区频点外，还包含前方和后方各自相邻的2个小区，共计5个小区中的所有频点（上下行各10个以上）和所有时隙。将采集到的信号按频点拆分，通过交换芯片模块依次分发到模块阵列中的各slave从模块并行处理，阵列中的模块进行解调、解码，最终将数据统一发送给reporter模块。空口采集模块的结构如图2所示。

图2 空口采集设备内部结构图Fig.2 Internal structure diagram of air port acquisition equipment

通过这种方式能够实现模块的并行处理，极大提高处理速度，并且可以降低单一模块故障的影响。从模块阵列中的模块还能根据采集需求进行扩展，能适应逐渐增加的数据量及不同的通信网络制式。实际测试表明，通过采用这种方法设计的空口采集设备的处理性能远优于同类型设备，针对频谱采集与回放的功能也更加完善。采集设备能够将监测的无线场强信息上报到查询分析终端，通过查询分析终端可以支持对各个频点信号强度进行跟踪，实现基本的干扰检测及干扰分析，如图3所示。

图3 查询操作单元查看频点信号强度界面Fig.3 View the frequency point signal strength interface by querying the operation unit

3.2 GPS及北斗并行授时技术

由于车载空口设备处于高速远距离移动的条件下，针对无线延迟故障的判断所要求的时间精度很高，要求至少在ms级别，因此如何对空口设备进行高精度时间同步，成为一大难题。本系统设备采用GPS和北斗并行授时技术对车载设备和地面设备进行时间同步。通过全球导航卫星系统定位（GNSS）授时是一种接收卫星发射的低功率无线电信号,通过计算校准得出同步时间的方式。接收时钟只要接收到1颗卫星信号就能保证时钟的走时准确性,从而可以给其他的设备进行时间同步。

通过GNSS授时可直接给设备进行时间同步的方式有3种：NTP/SNTP同步；pci/pcie板卡同步；串口授时。本系统采用亚米级u-blox M8授时模块通过串口外接进行时间同步。u-blox M8 能并行捕获和跟踪两个 GNSS系统，例如北斗和GPS。凭借很好的信号接收电路与先进的软件算法的结合，质量优异的跟踪和搜索引擎，u-blox M8能在GNSS星信号恶劣的环境下使用的较多的卫星数量，提供很好的授时定位方案。

u-blox M8是包含北斗接收的单机接收器。利用同时接收GPS 和北斗信号时，产品的灵敏度可高达-165 dBm。采用u-blox M8 将全球导航卫星系统的并发接收性能的提高应用到铁路高速复杂的线路环境，能够满足系统对高精度时间同步的要求。并且，模块支持使用一个外部SQI 闪存，u-blox M8 也可通过固件更新而轻松升级。

3.3 ATO业务监测

高速铁路ATO系统是在CTCS-2/CTCS-3级列控系统的基础上,车载设置ATO单元实现自动驾驶控制,地面设置专用精确定位应答器实现精确定位,地面设备通过GPRS通信实现站台门(安全门或屏蔽门,以下简称站台门)控制、站间数据发送和列车运行调整计划(简称运行计划)处理。高速铁路ATO系统主要功能包括:车站自动发车、区间自动运行、车站自动停车、车门自动开门(防护)、车门/站台门联动控制。

ATO业务通过使用GPRS网络来实现车地数据传输。GSM-R网络分组域业务（GPRS）与电路域数据业务相比，具有建立时间短、数据传输速率高、支持X.25和IP协议、永远在线等特点。GPRS支持间歇和爆发式数据业务，能在0.5～1 s内恢复数据的重新传输,这些特点决定了GPRS适用于传输较大量的数据。对实时性要求不高的场合。例如，使用GPRS传输列尾风压、车次号信息、列车启动停稳信息和调度命令，以及ATO业务等。

本系统采用的设备可以对GPRS分组域业务进行监测，并对GPRS网络信令和业务数据进行解析。针对短时间内业务数据增长的情况，预设一个阈值，当超过阈值以后可以对数据进行进一步的压缩，得到压缩后的数据包，再进行发送，并在地面端增加数据解压操作，能够实现数据的实时解析。通过查询操作单元查询解析出的GPRS信令和业务数据查询结果如图4所示。

图4 查询操作单元查看GPRS信令和业务数据界面Fig.4 View interface of GPRS signaling and service data by query operation u nit

4 系统应用

4.1 地面侧应用

地面侧空口监测子系统已应用在京沈高铁和日兰高铁的部分线路。地面侧空口监测系统在沿线基站机房的部署结构如图5所示。

图5 地面侧空口监测设备安装结构图Fig.5 Installation structure diagram of air port monitoring equipment on ground

地面侧空口监测设备安装在基站机房，既可以利用既有基站馈线串联接入，也可以并联重新在监测设备上架设全向天线。由于前一种方案成本较低，所以推荐采用前一种方案，如图5所示，天线发射塔通过两条馈线接入基站机房，空口监测设备通过功分器接入基站的天馈线，以获取空口的上行信号，下行信号通过接口监测设备自带吸盘天线进行采集，最终将采集到的数据通过专用网线接入交换机，与传输端口相连，再通过铁路传输网接入核心机房。天馈线接功分器为一分二功分器，理论上信号强度衰减3 dB，经过实验室测试，选择的功分器加上射频跳线的平均衰减强度为4 dB。而C3线路信号强度通常在-70 dBm以上，经衰减后，以上行信号强度不低于-75 dBm，而基站GSM-R模块的灵敏度在-104 dBm，对通信效果的影响微弱。实际部署表明，对基站信号驻波比的影响很小，不会影响到正常的基站通信功能。

4.2 车载侧应用

车载空口监测设备需要安装在动车组的两端靠近ATP设备的位置，负责采集Igsm-r和Um接口数据。由于动车组内空间狭小，且各型号车辆ATP柜结构、位置不统一，尤其是已安装的设备情况难以统计，因此在安装设备前需要上车确认，设备供电和天线需要依据其他设备安装情况共用或灵活处理。安装结构如图6所示。

如图6所示，空口监测设备与DMS车载设备共用一路天馈线，用于采集下行方向的Um接口数据。上行方向的Um数据通过自带吸盘天线采集。通过三通与高阻跨接的方式，在ATP的MT模块与ATP之间的连线上获得Igsm-r口的监测数据。

目前基于网络安全的考虑难以将监测数据通过公网传送到地面，因此在列车入库后需要手动采集存储数据。针对这种情况，研发了U盘自动拷贝系统：插入车载监测设备的数据输出接口后可以自动拷贝到截止当前时间设备上存储的业务和信令数据，极大方便了调试人员快速收集数据进行分析。

5 结束语

空口监测设备是GSM-R接口监测系统的重要补充，实现了车载侧与地面侧通信信令和C3业务，包括ATO业务数据的全面监测，可以支持实时频谱输出及频谱数据回放，在查询操作终端还支持进行GSM-R网络部分QoS指标统计。

图6 车载侧空口监测设备安装结构图Fig.6 Installation structure diagram of air port monitoring equipment on vehicle

现有空口监测设备结构较大，导致在车载侧安装复杂，且现有设备的价格偏高，从而导致设备目前在地面侧及车载侧均未能大面积推广部署，造成系统未能充分发挥设备的功能及作用。但随着空口监测设备结构及功能的不断优化，在国内高速铁路快速发展的大背景下，空口监测设备将发挥越来越重要的作用。