GSM-R空中接口监测与信令解析系统研究

邓佳琪 张 晓 赵 光 刘 林,2

1(西南交通大学信息科学与技术学院 四川 成都 611756) 2(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院) 陕西 西安 710043)

0 引 言

随着高速铁路的快速发展,铁路GSM-R网络除了承载语音、信令等通信业务外,还承载CTCS-3列车控制业务,因此,GSM-R网络传输质量成为高速铁路安全运营的关键[1]。GSM-R系统由基站子系统(Base Station Subsystem,BSS)、网络子系统(Network Switching Subsystem,NSS)、运行和业务支撑子系统以及其他终端设备组成[2],且通过网络交换子系统实现与其他通信网络的互联互通[3]。GSM-R网络接口如图1所示。现有的GSM-R网络接口监测系统主要集中在Abis接口和A接口。这些接口处于基站和交换机之间,所能监测的数据是基站和交换机之间传递的信令数据,对于车载设备与交换机之间通过空中接口传输的数据和信令无法监控[4]。此外,其中部分信令只在空中接口传送。当这部分信令出现故障时,仅依靠现有监测系统提供的接口数据,无法再现和定位故障[5]。如对CTCS-3无线超时和降级问题分析处理时,由于空口监测数据缺失,则无法准确判断是车载移动设备问题还是GSM-R网络问题[6]。

图1 GSM-R系统接口

本文致力于通过GSM-R空口协议解析以完善GSM-R网络接口监测系统,跟踪车载设备到地面终端间的信令传输,通过空口信令的准确分析为故障定位提供依据,这对保障高速铁路列车的安全运营具有重要意义。本文设计的空口信令解析系统采用通用软件无线电外设(Universal Software Radio Peripheral,USRP)采集GSM-R空口数据,通过物理层相关的解调译码等,获取信令数据并进行内容解析,具体过程如图2所示。其中,USRP完成信号采集,并处理成基带IQ数据。PC中物理层模块完成IQ数据的载波同步、SCH同步、解调、信道译码、解交织等过程。协议解析模块则完成对物理层处理后得到的比特流进行信令信息的解析。

图2 协议解析系统

1 USRP数据采集

为了实现对指定频段信号的采集和存储,本文采用如图3所示的数据采集系统。其中硬件USRP和计算机采用千兆网线连接。USRP充当计算机的射频前端,将天线接收到的无线电波转换为计算机软件可以处理的数字信号。计算机通过软件GNU Radio建立数据采集流图与USRP协同工作。图4即为在GNU Radio软件中建立的数据采集流图[7]。图4中,RTL-SDR Source模块用于设置USRP待采集信号的参数及USRP工作相关参数,如中心频率、采样率、带宽、频偏、射频增益等参数;File Sink模块用于完成对采集数据的存储。为了便于实时了解采集信号特征,数据采集系统采用QT GUI Frequency Sink模块进行采集数据实时频谱分析。进行数据采集时,首先将USRP和计算机连接,然后在PC端运行GUN Radio软件下的数据采集流图,实现信号的采集和存储。

图3 数据采集系统

图4 GNU Radio软件的数据采集流图

2 信令解析软件基本架构

GSM-R空口信令解析软件基本架构如图5所示。信令解析软件读取USRP存储的IQ基带信号进行载波同步,即查找FCCH。FCCH同步模块从数据文件头开始搜索直到找到FCCH为止。如果整个文件都已经处理完毕仍然没有搜索到FCCH,FCCH同步失败,本次采集数据无法实现信令解析。FCCH载波同步完成后即进行帧同步,即SCH同步。实现了FCCH和SCH同步后信令解析软件将按照GSM-R协议规范依次进行物理层、链路层、网络层的处理。

图5 软件基本结构

2.1 载波同步(FCCH同步)

要实现GSM-R空口信令解析,首先要获得频率同步[8]。GSM-R系统通过在FCCH信道上发送如图6所示的频率校正突发来实现频率同步[9]。FCCH突发由148个连续的0组成,而GSM-R采用的是GMSK调制。因此,FCCH频率校正突发通过GMSK调制后就是一个固定频率的正弦/余弦波,且相邻符号的相位差为正,利用该特征即可以实现FCCH载波同步。本文实现FCCH同步过程如图7所示。由于前后两个尾比特共6个0,且考虑到系统对噪声等的容忍,本文设计的FCCH同步模块的同步条件是当找到连续138个相位差为正时,该段数据即为FCCH数据。

图6 FCCH突发脉冲结构

图7 FCCH查找流程

2.2 帧(SCH)同步

SCH是FCCH之后的第8个时隙。FCCH同步完成后,即可利用该关系从存储数据中找到对应的SCH数据。但是由于FCCH同步属于粗同步,按此关系获取的SCH数据存在一定的误差。因此,本文设计的SCH同步模块是根据FCCH位置及映射结构读取包含SCH在内的两个时隙的数据,在该两个时隙范围内寻找SCH精确位置。根据同步突发的结构(如图6所示)可知,同步突发包括64比特同步序列,且同步突发(Synchronous Burst,SB)扩展训练序列具有较强自相关性,因此,SCH同步方法即利用序列的相关性,将截取的SCH数据与协议规定的SCH同步序列(GMSK映射)进行滑动相关运算,相关值最大时即为SCH同步序列位置。SCH同步过程如图8所示。

图8 SCH同步框图

同步突发除了包含同步序列之外,还包括78比特加密数据,该数据中包含了基站识别码(Base Station Identity Code,BSIC)和帧号(Frame number,FN)等系统消息,因此,完成SCH同步后,将进行SB的信息解析。在SB解析过程中涉及的viterbi解调和CRC校验等信道解码处理将在下一部分进行分析。SCH解析的结果如图9所示。其中BSIC包括网络色码和基站色码,NCC为网络色码,用来识别相邻的PLMN网;BCC为基站色码,用来识别相同载频不同的基站;t3’表示为该SCH位于51复帧中的第几个SCH,值可为0、1、2、3、4;t3,t1,t2则是用来计算帧号,FN=(51×26×t1)+(51×tt)+t3。

图9 SCH解析结果图

2.3 物理层模块的信号处理

物理层信号处理是信令解析的基础,通过物理层的数字信号处理得到各个逻辑信道的突发数据,才能进一步进行协议解析。

2.3.1 信道映射模块

信道映射模块作为物理层处理中较为重要的模块,完成物理信道到逻辑信道的映射,以使逻辑信道上的突发脉冲能正确交织组合在一起形成帧格式传递给数据链路层模块。GSM-R系统的信道组合如图10所示。信道组合方式的获得如下:首先根据解析BCCH的系统消息得到时隙0上的BCCH和CCCH组合方式;其次解析CCCH的immediate assignment信令得到SDCCH的组合方式;最后解析SDCCH上assignment Command信令得到TCH的信道组合方式。因此我们可以根据信令解析结果和帧号得到信道映射的结果,即哪个时隙数据对应哪一种信道。

图10 控制信道组合示意图

2.3.2 信道数据的解码处理

信道解码过程是根据对应的信道类型将信道映射模块输出的突发进行解交织译码,还原信息比特后再传递给数据链路层。不同逻辑信道突发形式不同,除RACH、FCCH和SCH外的逻辑信道采用如图11所示的常规突发,常规突发包括26 bit训练比特和58×2 bit的信息比特。如果基站没有用户接入时公共控制信道会不间断发送空突发(格式如图11所示)。因此,在进行数据处理前需要先确定当前突发是常规突发还是空突发。区分常规突发和空突发的方式是利用两种突发的训练序列不同来完成,具体流程如图12所示。由于GSM-R上的公共控制信道数据采用A5/0加密方式,即不加密,所以物理层解码处理主要对数据进行组帧、解交织、viterbi解调和CRC校验处理,如图13所示。

图11 常规突发和空突发脉冲结构

图12 NB和DB区分流程 图13 信道解码处理流程

(1) 组帧是将发送端信道编码时的分段信息重新组合在一起。如图14所示的公共控制信道为例,由于连续的4帧时隙0数据才能形成一个BCCH消息块,故将4个连续常规突发的信息比特提取出来按顺序拼接在一起进行组帧。

图14 BCCH和CCCH在TS0上的复用

(2) 解交织是为了让交织后的比特按规则重新组合恢复原始比特顺序。GSM-R中的交织方式有块交织和内部交织两种方式。

(3) 利用viterbi算法进行卷积码编码的解码,算法实现是基于viterbi的最大似然检测法,在解码的同时还可以检测和纠正在传输过程中出现的误码比特。解码后就是CRC校验,用来判断解码出来的数据是否正确有效。

2.4 数据链路层模块的设计与实现

数据链路层(L2)作为空中接口的第二层,主要作用是为网络层实体之间相互有效地传递消息提供可靠性保障。数据链路层使用的协议为LAPDm协议,它提供给网络层的业务连接点是服务接入点(SAP)。空口支持的业务接入点有两种:SAPI=0表示普通信令,SAPI=3表示短消息SMS。

数据链路层中的帧格式主要分为Format B、Bbis和A等,具体结构如图15所示。当DCCH发送没有信息域的消息时采用帧格式A,发送有信息域的消息时采用帧格式B;而BCCH、PCH、NCH和AGCH发送消息时均采用帧格式Bbis,每次发送的一个块包含一个完整信息。帧的区分是由物理层(L1)提供的,即在L1进行信道映射以后,L2根据L1提供的信道类型指示得到数据的帧格式,然后再进一步对其帧结构进行解析。L2处理模块中主要针对帧头的地址域、控制域、长度指示域进行解析,然后将有效信息域传递给网络层。具体流程如图16所示。

(a) Format type A

(b) Format type B

(c) Format type Bbis图15 数据链路层帧结构

图16 数据链路层处理流程

2.5 网络层模块的设计与实现

由空中接口协议体系可知,网络层协议是整个空中接口协议的核心,它提供了移动台和基站之间信令交互的接口。本系统网络层模块的主要功能是对网络层信令进行解析。网络层的消息格式分为标准消息格式和非标准消息格式。标准L3消息格式包含2个字节的头部部分和非必要信令部分。其中头部包含协议鉴别(PD)、跳频指示(Skip Indicator,SI)(或者业务标识(Transaction identifier,TI))以及消息类型(Message type,MT),其组成结构如图17所示。

图17 标准L3消息的结构

根据数据链路层解析得到的长度指示域提取信息域比特流,并传递给网络层(L3)解析模块。由L3消息格式可知比特流第5-8位为跳频指示字段,当其值为0000时消息将被忽略。比特流第1-4位为协议鉴别字段,第9-16位为消息类型字段,由于在不同类型协议中部分消息类型的字段编码相同,所以在解析过程中应该先解析协议鉴别字段区分RR、CC和MM等协议类型,再解析消息类型。协议鉴别解析模块如图18所示,消息类型解析模块如图19所示。

图18 协议鉴别模块流程

图19 消息类型解析模块流程

3 系统测试验证

利用图3的数据采集系统完成高铁GSM-R数据采集。将高铁站采集到的GSM-R数据导入信令解析软件中进行测试。部分信令交互解析结果如图20所示。其中MNC结果为20表示该数据为铁路GSM-R的数据。将输出解析结果与协议中规定参数的说明和Wireshark结果进行对比,可以得到其帧号、消息类型、MCC、MNC、LAC等参数均相同,如图21所示。结果验证了算法的正确性,表明该系统能够实现GSM-R信令的监测。

图20 BCCH部分信令解析结果

图21 Wireshake信令解析结果

4 结 语

本文根据3GPP协议标准针对GSM-R空口监测完成了协议分析软件系统,利用USRP采集得到的铁路数据进行协议解析软件的验证测试。测试结果与3GPP协议比对表明解析系统实现正确,满足空口监测系统的基本要求,通过跟踪车载设备到地面终端间的信令传输,可为空口信令准确分析和故障定位提供依据。