GSM-R" title="GSM-R" target="_blank">GSM-R(Global System for Mobile Communication Railway)是國際鐵路聯(lián)盟為滿足歐洲21世紀(jì)鐵路一體化進(jìn)程而推薦的歐洲鐵路專用移動通信系統(tǒng)。為加強(qiáng)對GSM-R系統(tǒng)的頻率監(jiān)測和保護(hù)，維護(hù)GSM-R系統(tǒng)正常運(yùn)行，保證鐵路運(yùn)營安全，需建設(shè)GSM-R實(shí)時監(jiān)測專用系統(tǒng)。目前絕大多數(shù)GSM-R監(jiān)測系統(tǒng)都是以PC機(jī)為控制器，通過移動的監(jiān)測車輛搭載復(fù)雜的監(jiān)測設(shè)備對鐵路沿線的GSM-R信號進(jìn)行監(jiān)測，還需要加上機(jī)車記錄裝置。這種系統(tǒng)集成程度低，成本高，無法滿足當(dāng)前監(jiān)測系統(tǒng)對于實(shí)時性和準(zhǔn)確性的要求。考慮到嵌入式系統(tǒng)的移動性和低成本的優(yōu)勢，本文采用嵌入式GSM-R監(jiān)測系統(tǒng)，由一個數(shù)據(jù)處理中心和20個監(jiān)測終端組成，監(jiān)測終端主要放置在鐵路沿線區(qū)域。借助于雙核處理器的高速運(yùn)算來對GSM-R信號數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測操作，提高了系統(tǒng)的效率。

1 系統(tǒng)組成
    本系統(tǒng)主要完成對GSM-R信號的受干擾情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)信號受到干擾，則實(shí)時上報數(shù)據(jù)處理中心并進(jìn)行監(jiān)測結(jié)果的顯示和數(shù)據(jù)的存儲，為確保GSM-R系統(tǒng)的通信質(zhì)量和鐵路運(yùn)行安全提供保障。同時，數(shù)據(jù)處理中心能夠通過網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)測終端下達(dá)指令實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測終端的遠(yuǎn)程控制操作，以及監(jiān)測終端的復(fù)位、自檢和時間統(tǒng)一，確保監(jiān)測終端能夠長時間正常運(yùn)行。
    如圖1所示，GSM-R監(jiān)測系統(tǒng)所采用的硬件平臺由一個數(shù)據(jù)處理中心及若干個監(jiān)測終端組成。監(jiān)測終端利用GSM-R網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其中監(jiān)測終端由數(shù)據(jù)采集模塊、雙核處理器以及4個調(diào)制解調(diào)器(MODEM)(GSM移動、GSM聯(lián)通、CDMA、GSM-R)等部分組成。

    雙核處理器采用TI公司的OMAP-L138，集成了300 MHz ARM926EJ-S內(nèi)核及300 MHz C6748VLIW DSP核，借助于雙核處理器的高速運(yùn)算來對GSM-R數(shù)據(jù)進(jìn)行接收解析操作，效率較高。
    4個MODEM通過串口服務(wù)器與雙核處理器相連。系統(tǒng)在監(jiān)測到GSM-R信號受到干擾時，會根據(jù)所受干擾類型的不同，通過Linux操作系統(tǒng)下發(fā)AT指令到相應(yīng)的MODEM以獲取受干擾小區(qū)和干擾源小區(qū)的配置信息。
2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計
2.1 硬件數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)設(shè)計
    硬件數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

    本系統(tǒng)監(jiān)測GSM-R的頻率范圍是上行885～889 MHz頻段，GSM-R下行930～934 MHz頻段，GSM-R頻率信號通過高頻接收模塊，變頻后輸出70 MHz中頻信號，中頻信號經(jīng)過數(shù)字下變頻的A/D采樣、變頻、濾波和速率轉(zhuǎn)化處理后輸出I&Q數(shù)字中頻信號，然后通過PCIe送入計算處理模塊中進(jìn)行處理，直接上傳到雙核處理器中。雙核處理器把接收到的GSM-R數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾監(jiān)測處理后，上傳處理結(jié)果到數(shù)據(jù)處理中心。
2.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
    監(jiān)測系統(tǒng)軟件在嵌有OMAP-L138雙核處理器的平臺上開發(fā)，交叉編譯器為Sourcery G++ Lite 2009q1-203 for ARM GNU/Linux。本系統(tǒng)軟件流程：雙核處理器首先開機(jī)自檢，設(shè)備初始化成功后與數(shù)字處理中心建立連接，接收指令操作。首先監(jiān)測終端對接收的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行長度、數(shù)據(jù)校驗(yàn)位、標(biāo)識位的判定，如果發(fā)現(xiàn)其中一個不正確，則雙核處理器向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送錯誤警告信息，要求數(shù)據(jù)處理中心重新發(fā)送指令并清除剛剛接收的錯誤網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，等待下一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的到來，直到判定無誤后再進(jìn)行功能模塊判定。
    如圖3所示，本系統(tǒng)軟件主要分為3大功能模塊：監(jiān)測控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)解析模塊。如果為遠(yuǎn)程控制監(jiān)測終端指令，則進(jìn)入監(jiān)測控制模塊進(jìn)行監(jiān)測終端的管理操作；如果為干擾監(jiān)測指令，則進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行干擾分析，并利用數(shù)據(jù)解析模塊確定受到干擾的GSM-R基站ID和對GSM-R信號造成干擾的基站ID，其中3個功能模塊利用多個線程協(xié)同工作，共同完成GSM-R監(jiān)測功能，為鐵路人員排除干擾提供依據(jù)。

    信息類別碼：由信息種類和信息內(nèi)容組成，信息種類用以說明監(jiān)測站編號，0～20可選擇。信息內(nèi)容分為兩部分：一部分是數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送的內(nèi)容，包括自檢操作、復(fù)位操作、時間同步操作；另一部分為雙核處理器發(fā)送的內(nèi)容，主要包括干擾內(nèi)容。
2.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計
    通過硬件數(shù)據(jù)采集模塊可以得到GSM-R上下行信道的通信頻段數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行GSM-R信號數(shù)據(jù)分析，如有干擾，則將數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議打包存儲，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心。
    如圖4所示，數(shù)據(jù)分析主要包括：(1)通過信噪分離算法，分離出異常信號和通信信號。(2)通過GSM-R干擾判定算法，判斷出當(dāng)前GSM-R上、下行通信頻段底部噪聲和通信信號的受干擾情況。(3)通過數(shù)學(xué)方法，實(shí)時顯示當(dāng)前信號的統(tǒng)計學(xué)特性。

    圖5中，GSM-R同頻干擾是指所有落到GSM-R通帶內(nèi)的與有用信號頻率相同的無用信號的干擾，即指無用信號的載頻與有用信號的載頻相同，并對同頻有用信號的接收造成影響的干擾。當(dāng)GSM-R基站布網(wǎng)不合理、頻率復(fù)用不當(dāng)、頻率規(guī)劃或頻點(diǎn)設(shè)定不正確時，可能會引起同頻干擾。通過當(dāng)前通信鏈路狀態(tài)模塊獲取GSM-R頻段的參數(shù)進(jìn)行比對，若為GSM-R同頻干擾，則將數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議打包，迅速發(fā)出告警信息，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心。
    GSM基站干擾是指 GSM和GSM-R按地域共用一小段頻率。在直轄市和省會城市，GSM-R的覆蓋范圍小于鐵路兩側(cè)各2 km，其他地區(qū)小于鐵路兩側(cè)各6 km，如果這兩個網(wǎng)絡(luò)布局不理想就會產(chǎn)生干擾。通過當(dāng)前通信鏈路狀態(tài)模塊獲取GSM頻段的參數(shù)進(jìn)行比對，若為GSM基站干擾，則將數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議打包，迅速發(fā)出告警信息，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心。
    CDMA帶外干擾是指CDMA使用頻率范圍下行為870 MHz~880 MHz，與GSM-R的頻域范圍只有5 MHz的保護(hù)帶，且CDMA采用擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，所以只要CDMA系統(tǒng)的帶外信號落在GSM-R通帶范圍內(nèi)且幅度達(dá)到一定值，就會對GSM-R信號產(chǎn)生干擾。通過參數(shù)比對，若為CDMA帶外干擾，則迅速發(fā)出告警信息并上傳數(shù)據(jù)處理中心。
    噪聲干擾和不明干擾也是不可避免的干擾。雙核處理器通過與預(yù)處理的模板參數(shù)比對確定干擾類型之后，將執(zhí)行結(jié)果按照協(xié)議打包，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心；同時數(shù)據(jù)處理中心將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，匯總監(jiān)測終端的實(shí)時監(jiān)測結(jié)果，在電腦上顯示并存儲到數(shù)據(jù)庫，以便工作人員進(jìn)行綜合處理，完成對監(jiān)測終端的狀態(tài)和實(shí)時數(shù)據(jù)的監(jiān)控。
2.2.3 數(shù)據(jù)解析模塊設(shè)計
    通過數(shù)據(jù)處理模塊可以判別出GSM-R同頻干擾、GSM干擾、CDMA帶外干擾、噪聲干擾和不明干擾。數(shù)據(jù)解析模塊的功能是根據(jù)干擾類型的不同，使用不同的MODEM來對小區(qū)信息進(jìn)行解析，分析出受干擾小區(qū)和干擾源小區(qū)的配置參數(shù)。
    (1)受干擾小區(qū)參數(shù)解析
    利用GSM-R MODEM和數(shù)據(jù)處理模塊所得結(jié)果進(jìn)行分析。首先，數(shù)據(jù)處理模塊返回GSM-R受到干擾的頻點(diǎn)，應(yīng)用GSM-R基站發(fā)射信號中心頻率轉(zhuǎn)換公式求出該頻點(diǎn)對應(yīng)的廣播控制信道號。具體轉(zhuǎn)換公式如下：
    上行：fl(n)=885 MHz+(n-999)×0.2 MHz
                999≤n≤1 019
    下行：fh(n)=930 MHz+(n-999)×0.2 MHz
                999≤n≤1 019
    啟動GSM-R MODEM執(zhí)行小區(qū)信號強(qiáng)度掃描指令，求出該廣播控制信道號對應(yīng)的載波配置，即確定對應(yīng)的小區(qū)。接著執(zhí)行小區(qū)掃描指令，求出監(jiān)測終端所在服務(wù)小區(qū)和鄰近小區(qū)的信息，進(jìn)行廣播控制信道號比對，進(jìn)而確定受干擾小區(qū)的ID。
    (2)干擾源小區(qū)參數(shù)解析
    如圖6，雙核處理器通過控制各個MODEM進(jìn)行串口操作來獲取干擾源基站的配置情況（包括基站ID、運(yùn)營商編號、載波配置、BCCH載波信號強(qiáng)度等）。用戶可以根據(jù)監(jiān)測終端報告的干擾類型、信號強(qiáng)度及信號解碼結(jié)果初步定位干擾源。同時將解析數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)處理中心。

3 結(jié)論
    對數(shù)據(jù)采集模塊采集的GSM-R頻段數(shù)據(jù)用軟件Cool Edit Pro V2.1觀察接收的數(shù)據(jù)波形情況，得到I/Q兩路數(shù)字中頻信號。圖7顯示了通過數(shù)據(jù)采集模塊接收的GSM-R時序的I/Q數(shù)字中頻信號。

    數(shù)據(jù)采集模塊接收GSM-R信號之后，監(jiān)測終端能自動對GSM-R頻段進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常信號時上傳至數(shù)據(jù)處理中心。同時還能接收數(shù)據(jù)處理中心的遠(yuǎn)程控制指令，完成遠(yuǎn)程復(fù)位、自檢、時間同步等操作，方便數(shù)據(jù)處理中心對監(jiān)測小站的管理。
    數(shù)據(jù)處理模塊通過簡單方便的判定方法完成對接收的GSM-R信號的監(jiān)測和干擾分析判別，有效地提高了干擾識別的實(shí)時性。數(shù)據(jù)解析模塊通過4種MODEM完成對受干擾小區(qū)ID和干擾源小區(qū)ID的解析，可降低成本。
    本系統(tǒng)可以完成對GSM-R實(shí)時監(jiān)測和干擾類型的預(yù)處理分類，以及解析出基站配置信息，使得分析干擾識別更具有針對性，能夠改善和優(yōu)化GSM-R通信性能和質(zhì)量，對于開發(fā)其他監(jiān)測GSM-R系統(tǒng)有一定的參考價值。
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