基于软件无线电的GSM-R网络Um接口监测系统研究

刘晓亮，孟景辉，马良德，杨吉，杨树忠

（中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081）

1 概述

我国高速铁路线路上大规模应用了铁路数字移动通信系统（GSM-R），该系统是基于GSM，并对GSM网络结构和业务进行扩展和改进，增加了调度通信功能和铁路特色业务的通信系统。GSM-R为CTCS-3级列车运行控制系统（简称CTCS-3级列控系统）提供车-地间连续、双向的信息传输通道[1]。CTCS-3级列控系统的车-地数据传输涉及多个设备及接口，完善的接口监测系统可以为CTCS-3线路的运营维护、故障分析等提供详细的数据支撑[2]。为保障CTCS-3级列控系统的可靠运用，准确定位和分析系统故障，在GSM-R网络侧装备Abis、A、PRI接口监测系统，但由于缺乏与列控车载设备相关的Um接口监测系统，无法形成监测数据的闭环管理，使列控车载设备无线超时故障原因无法准确定位[3-4]。

目前，随着软件无线电技术的成熟，基于软件无线电技术的监测检测系统逐渐得到发展[5]。研究基于软件无线电平台的GSM-R网络Um接口监测系统，通过对列控车载设备Um接口进行实时监测，获取车载设备与GSM-R网络交互的信令和车-地通信数据包，能够为列控系统运营维护和无线超时故障分析提供详细的数据支撑和依据。

2 Um接口监测系统

Um接口监测系统通过在高速综合检测列车车顶（靠近ATP的位置）设置独立天线，接收列控车载设备车-地间通信信号，并对信号进行同步、解调、解码等，得到车载设备与GSM-R网络交互的信令和应用数据。系统结构见图1。

图1 Um接口监测系统结构

Um接口监测系统包括车顶天线、采集处理设备和数据分析系统，系统组成见图2。

图2 Um接口监测系统组成

车顶天线采用标准900 MHz频段的天线，安装在高速综合检测列车车顶，采集的空中电波信号通过功分器分路给上行数据采集板和下行数据采集板。

采集处理设备由采集板、数据处理单元和数据通信单元组成。1列高速综合检测列车需要2套采集处理设备，分别安装在高速综合检测列车1车和8车的标准机柜中。采集板采用通用软件无线电外设（Universal Software Radio Peripheral，USRP）平台，集成信号放大器、下变频、低通滤波器和模数转换器等模块，工作频率与GSM-R网络频率一致，采集带宽为4 MHz，2个采集板分别采集上行信号和下行信号。采集板通过天线得到空中电波信号后，对信号进行放大、下变频、抽样得到I/Q数据。数据处理单元采用GNU Radio平台，该平台可以提供构建软件无线电所需的信号运行和处理模块。利用GNU Radio平台提供的模块，对I/Q数据进行信道化、GMSK解调、解码，之后得到Um接口的监测数据。数据通信单元负责将数据通过网络发送给数据分析系统。

数据分析系统负责接收、存储和分析车载采集处理设备发送的Um接口监测数据，能够实现实时分析、在线回放、数据保存与导出等功能，其功能模块划分见图3。

图3 数据分析系统功能模块划分

3 数据处理方案

Um接口监测系统处理采集到的上行信号和下行信号，通过对信号进行放大、下变频到中频、低通滤波、模数转换、数字下变频到基带，得到I/Q数据，并对I/Q数据进行信道化、GMSK解调、解码，得到Um接口的监测数据。系统数据处理流程见图4。

3.1 数据采集

采集板通过天线得到空中电波信号后，按照以下步骤进行数据处理：

（1）通过低噪声放大器，对信号进行放大；

（2）对信号进行下变频，使信号转换到中频信号；

（3）通过低通滤波器使信号更平滑；

（4）通过模数转换器得到数字信号；

（5）对信号进行数字下变频，得到基带I/Q数据。

此外，GSM-R采用时分多址（TDMA）技术，要求时间必须同步，因此2个采集板在下变频时，共享1个时钟晶振，进行时钟同步。由于操作系统调度会有部分时间差，导致2个采集板与计算机间的通信存在时差，因此在数据传输过程中，会进行校正同步。

图4 Um接口监测系统数据处理流程

3.2 GSM信号信道化

为能够同时对GSM-R整个带宽的信号进行处理，提出利用信道化的方式处理GSM信号。将整个带宽信号分成多个子信道来并行输出，即可获得任意信道传输的信息。

GSM-R采用等间隔频道配置方法。频道序号从999～1 019，共21个频道。扣除低端999和高端1 019作为隔离保护，实际可用频道19个，频道序号为1 000～1 018。理论上只监测19个频点即可，但为了便于信道化，监测20个频点，即999～1 018。无线信号经过信道化后，生成20路输出，与20个频点一一对应。

3.3 GSM信号同步

在GSM解码过程中，同步是必不可少的环节。GSM信号的同步有频率同步和时间同步。基站主要通过频率校正信道（FCCH）和同步信道（SCH）传输频率同步和时间同步的数据，而移动台必须依赖FCCH和SCH完成同步[6-7]。

（1）频率同步。FCCH依靠频率校正突发脉冲序列实现频率的同步，该序列有142个固定比特，其结构简单，固定比特全部为0，便于识别该序列[8]。移动台通过该突发脉冲序列得到该小区的频率后，才能解析其他消息。

（2）时间同步。SCH依靠同步突发脉冲序列实现时间的同步。由于FCCH帧与SCH帧间的相对位置固定，因此可由频率校正突发脉冲序列推导出同步突发脉冲序列的位置。SCH解码所得的信息包含移动台需要同步的所有消息和该小区的TDMA帧号。

3.4 上行解码

由于本方案是全频点监测，需要处理所有频点时隙的数据，而列车的移动台仅占用某频点的某一个时隙，其他时隙的数据可能被其他设备占用或者为空，因此为减少系统的运算量，首先通过幅值判断某上行时隙是否含有上行波，如果有，则继续解析此上行时隙和对应的下行时隙；如果没有，则不解析此时隙数据。

由于监测系统采集天线距离列车的发送天线较近，因此采集的信号较强，根据GSM信号的特点，对采集的上行数据进行分析，将上行信号幅值阈值设置为0.5，即当有上行信号时，该时间段采集的基带I/Q信号的幅值一定大于0.5，设定5个采样点求幅值，然后取平均值，如果大于0.5则认为本时隙有上行信号，从而进行下一步的解码。

TDMA信道上1个时隙的消息格式被称为突发脉冲序列，上行TCH信道传输普通突发脉冲序列，该序列的结构包括尾比特、数据、训练序列。由于训练序列具有较好的自相关性[9-10]，因此可以利用突发脉冲训练序列的自相关性，确定突发脉冲准确的起始位置，正确解码上行信号。

3.5 实时监测

通过以上数据处理流程，对业务信道的数据进行解析，得到包括链路层、网络层、传输层、安全层和应用层在内的所有数据单元，根据高级数据链路（HDLC）协议，对数据进行还原组包，得到车到地的无线消息，而且每条无线消息都包含字段NID_ENGINE（车载设备的CTCS标识号），按照《CTCS-3级列控系统无线报文定义及运用原则》对无线消息进行解析，即可得到车载设备的CTCS标识号（车载设备唯一性标识）。Um接口监测系统会保存本车的车载设备CTCS标识号，将获取的标识号与系统保存的标识号进行比对，如果相同，则认为此时隙承载的是本车的数据，将此时隙的数据以图形的方式显示在界面上，达到实时检测本车的功能；如果不相同，则丢弃此数据。

当列车越区切换时，由于Um接口监测系统是全频点监测，只需按照接收的数据重新搜索列车占用的时隙，从而实现实时监测。

4 系统试验

Um接口监测系统研制完成后，在高速综合检测列车上进行了试验。该系统能够实现GSM-R信号的全频点采集、处理、解码等功能，通过车载设备的CTCS标识号对数据进行过滤，得到本车的Um接口数据。当列车越区切换时，自动跟踪车载电台（MT）模块，能够完整和实时地采集Um接口监测数据。

Um接口监测数据分析系统接收到本车的Um接口监测数据之后，按照相应协议对监测数据进行分析、显示和存储，Um接口监测数据分析系统界面见图5。该系统以图形化的方式显示列车当前服务小区和相邻小区的接收电平，以及话音质量、TA值、车-地无线消息的交互过程和列车的小区切换过程，将Um应用数据、切换记录、话音质量统计、层二信令、层三信令等内容以表格的形式显示，通过对数据进行解析和分析，可以实时监测列车所在位置的电磁环境，实时监测列车与GSM-R网络基站通信的过程，以达到分析CTCS-3级列控系统无线超时故障的目的。

图5 Um接口监测数据分析系统界面

5 结束语

介绍基于软件无线电的Um接口监测系统的组成和实现方法，提出基于车载设备CTCS标识号的实时监测方案。Um接口监测系统在高速综合检测列车上进行了试验，能够实时获取车载设备与GSM-R网络基站交互的信令和车-地通信数据，能够为列控系统运营维护和无线超时故障分析提供详细的数据支撑和依据。下一步，结合地面GSM-R网络Abis、A、PRI接口监测数据，可进一步增强系统的智能分析和综合处理能力，为高速铁路安全运营提供有力保障。