GSM-R干扰判别与分析系统的研究

2011-12-31孙亮

铁路技术创新 2011年2期

■ 孙亮

目前，我国已经建设了分别代表高原、重载和繁忙干线的青藏铁路、大秦线、胶济线3条GSM-R线路，同时也完成了武广、沪宁、沪杭等部署CTCS-3级列控系统（C3）的高速铁路的建设。在以上线路的建设过程中，GSM-R网络分别出现了不同程度的覆盖和干扰问题，因此干扰测试成为保障无线网络规划和排查干扰的重要手段。

1 干扰的主要类型

GSM-R系统面临的干扰按干扰源划分主要包括以下几种：同频干扰、邻频干扰、直放站干扰、互调干扰和外部干扰。同频干扰指所有落到接收机通带内与有用信号频率相同的无用信号干扰，即指无用信号的载频与有用信号的载频相同，并对接收同频有用信号的接收造成影响的干扰，亦称同信道干扰。邻频干扰分为两大类：一类来自GSM-R网内，主要是由于频率规划不合理，相邻的2个频率距离太近，可以从GSM-R网络频率规划表中直接得出。一般情况下，在GSM-R网络中如果当前小区的广播控制信道（BCCH）载波频率或业务信道频率和当前小区的两层相邻小区所规划的BCCH载波频率或业务信道频率出现相邻的情况，则认为会产生邻频干扰。一类来自网外，主要是GSM-R和中国移动、中国联通之间的干扰。如果在某一位置中国移动或中国联通在铁路沿线附近小区的BCCH载波频率和GSM-R网络的对应小区或相邻小区BCCH载波频率出现相邻情况，两者可能会产生邻频干扰。直放站干扰主要是由于设置使用不合理，将对移动通信网络造成严重干扰。互调干扰主要是指当有多个不同频率的信号加到非线性器件上时，非线性变换将产生许多组合频率信号，其中的一部分可能落到接收机通带内，对有用信号形成干扰。

2 GSM-R干扰判别与分析系统原理

GSM-R干扰判别与分析系统的主要原理是采用电脑控制终端M S采集Um接口的信令信息，通过对Um接口协议的分析得到测试点附近的相关基站的网络信息，用于分析附近是否存在对GSM-R网络形成干扰的信号，其结构见图1。

为了便于理解结构图，首先简单介绍一下GSM-R系统结构。GSM-R系统由6个子系统组成：交换子系统（SSS）、基站子系统（BSS）、固定用户接入交换系统（FAS）、运行与维护子系统（OM C）、通用分组无线业务子系统（GPRS）、终端子系统、移动智能网子系统（IN）和终端，并通过SSS中的网关移动交换中心（GM SC）实现与其他通信网络电路域业务的互联互通，通过通用分组无线业务系统（GPRS）中的网关GPRS业务支持节点（GGSN）实现与其他数据信息网络分组域业务的互联互通（见图2）。

图1 GSM-R干扰判别与分析系统结构图

在GSM-R系统中，信令消息具体体现在接口的协议和规范上。接口代表2个相邻实体之间的连接点，而协议是说明连接点上交换信息需要遵守的规则。在GSM-R系统中主要的接口有：无线（Um）接口、Ab is接口、Ater接口、A接口、PSTN/ISDN/PSDN接口。Um接口位于M S和BTS之间，是二者的通信接口，用于移动台和系统固定部分之间的通信，其物理连接通过无线链路实现。GSM-R干扰判别与分析系统主要采集的是Um接口的信息。

U m接口上的协议可以分为3层。第一层是物理支持：TDM A帧、FDM A和逻辑信道复用。第二层是LAPDm协议，没有标志，由于实时的限制没有错误重发机制。第三层是无线接口层，其中又包括3个子层：无线资源管理（RR）子层用于寻呼、功率控制、加密、切换；移动性管理（M M）子层用于安全、定位、IMSI附着/分离；连接管理（CM）子层用于呼叫控制（CC）、补充业务（SS）、短消息业务（SM S）、双音多频（DTM F）信令。Um接口协议分层见图3。将Um接口采集到的信令进行分析，便可以得到当前使用终端附近的网络信息。

3 软件系统

3.1 软件结构

软件系统主要是由数据采集模块、数据存储模块、基站信息数据库、数据分析模块、显示模块、数据输出模块组成（见图4）。

软件的工作流程是通过数据采集模块采集相应的数据，将采集到的数据存储到计算机内，数据分析模块将存储的数据进行分析整理，把分析后的数据与基站信息数据库中的数据进行比对，比对出的结果保存起来便于日后进一步分析、查询，并根据需要输出和显示。

3.2 关键技术

3.2.1 终端的控制流程

终端的控制主要通过电脑向终端发送AT命令和Trac e命令实现。AT命令主要是对终端拨打功能的控制，如拨打电话、挂机、发送数据信息等，Trace信令主要是对M S输出GSM-R信令的控制，如激活相应信令的输出、锁定指定信道等。Trace信令与电脑的交互流程见图5。

图2 GSM-R网络结构示意图

图3 Um接口分层结构示意图

图4 软件系统组成结构示意图

3.2.2 Trace信令解析

终端与电脑之间交互的Trace信息帧结构见图6。其中STX/ETX定义了帧结构的包头和包尾，包头：0x02，包尾：0x03，App lication Id定义了手机型号，通常为0x02，代表所采用的机型为2G5（OT46x， OT49x）系列，M essage Leng th表示的是除去Checksum和ETX的数据帧的长度，M essage Iden tification定义了帧的数据类型，M essage Con ten t是帧结构的数据主体内容，Checksum是帧结构的校验码。

3.2.3 数据存储

数据存储保存的主要内容包括测试信息的存储及用于分析的基站信息数据库两部分。

测试信息包括对终端控制的AT命令、Trace信息、相关命令的时间信息、测试地点信息及分析后测试结果。

图5 Trace信令与电脑的交互流程

图6 Trace信息帧结构

基站信息数据库存储了全国GSM-R线路沿线相关的基站信息，包括基站所在地点的经纬度、BSIC、分配使用的BCCH信道号、TCH信道号、线路信息等，为数据分析模块提供数据参考。

3.2.4 地理信息

将测试地点当前的地理信息和基站信息数据空中的地理信息在显示模块中以地图的方式直观的显示，可以方便对周边GSM-R网络直观了解，方便分析信号的来源、距离，对测试情况有进一步的了解。

3.2.5 小区锁定以及扫频功能

系统采用的终端特有的2种功能，强制功能，可以实现在空闲以及通话模式下锁定BCCH，禁止越区切换以及锁定频段功能；扫频功能有3种模式，分别为射频扫描、BCCH扫描及BCCH on ly模式。射频扫描：在此模式下，信道依次扫描，只显示接收电平；BCCH扫描：在此模式下，信道依次扫描，显示接收电平并解码BCCH；BCCH on ly：在此模式下，显示接收电平并只解码可用的BCCH。通过这2种功能能够更加快捷的得到特定基站的信息，掌握干扰来源地点。