褚丹丹，賽景波

（北京工業(yè)大學(xué) 電子信息與控制工程學(xué)院，北京 100124）

GSM-R(Global System for Mobile Communication Railway)是國(guó)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(dòng)通信系統(tǒng)。為加強(qiáng)對(duì)GSM-R系統(tǒng)的頻率監(jiān)測(cè)和保護(hù)，維護(hù)GSM-R系統(tǒng)正常運(yùn)行，保證鐵路運(yùn)營(yíng)安全，需建設(shè)GSM-R實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)專用系統(tǒng)。目前絕大多數(shù)GSM-R監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是以PC機(jī)為控制器，通過(guò)移動(dòng)的監(jiān)測(cè)車輛搭載復(fù)雜的監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)鐵路沿線的GSM-R信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(wú)法滿足當(dāng)前監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求?？紤]到嵌入式系統(tǒng)的移動(dòng)性和低成本的優(yōu)勢(shì)，本文采用嵌入式GSM-R監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心和20個(gè)監(jiān)測(cè)終端組成，監(jiān)測(cè)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(lái)對(duì)GSM-R信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(duì)GSM-R信號(hào)的受干擾情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)信號(hào)受到干擾，則實(shí)時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)處理中心并進(jìn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果的顯示和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，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(shí)，數(shù)據(jù)處理中心能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)測(cè)終端下達(dá)指令實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)終端的遠(yuǎn)程控制操作，以及監(jiān)測(cè)終端的復(fù)位、自檢和時(shí)間統(tǒng)一，確保監(jiān)測(cè)終端能夠長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行。

如圖1所示，GSM-R監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采用的硬件平臺(tái)由一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心及若干個(gè)監(jiān)測(cè)終端組成。監(jiān)測(cè)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(cè)終端由數(shù)據(jù)采集模塊、雙核處理器以及4個(gè)調(diào)制解調(diào)器(MODEM)(GSM移動(dòng)、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(lái)對(duì)GSM-R數(shù)據(jù)進(jìn)行接收解析操作，效率較高。

4個(gè)MODEM通過(guò)串口服務(wù)器與雙核處理器相連。系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)到GSM-R信號(hào)受到干擾時(shí)，會(huì)根據(jù)所受干擾類型的不同，通過(guò)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(jì)

2.1 硬件數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊原理圖

本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(hào)通過(guò)高頻接收模塊，變頻后輸出70 MHz中頻信號(hào)，中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，然后通過(guò)PCIe送入計(jì)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(cè)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(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件在嵌有OMAP-L138雙核處理器的平臺(tái)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(cè)終端對(duì)接收的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)校驗(yàn)位、標(biāo)識(shí)位的判定，如果發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)不正確，則雙核處理器向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送錯(cuò)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(cuò)誤網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，等待下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的到來(lái)，直到判定無(wú)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(cè)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(cè)終端指令，則進(jìn)入監(jiān)測(cè)控制模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)終端的管理操作；如果為干擾監(jiān)測(cè)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(duì)GSM-R信號(hào)造成干擾的基站ID，其中3個(gè)功能模塊利用多個(gè)線程協(xié)同工作，共同完成GSM-R監(jiān)測(cè)功能，為鐵路人員排除干擾提供依據(jù)。

圖3 GSM-R監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件流程圖

2.2.1 監(jiān)測(cè)控制模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)控制模塊主要完成數(shù)據(jù)處理中心對(duì)監(jiān)測(cè)終端的管理功能，完成遠(yuǎn)程復(fù)位、自檢、時(shí)間同步等功能。雙核處理器作為客戶端和數(shù)據(jù)處理中心，在建立TCP/IP連接之后，不斷接收數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。自定義傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

表1 自定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包格式

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(shuō)明監(jiān)測(cè)站編號(hào)，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(shí)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(jì)

通過(guò)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(guò)數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行GSM-R信號(hào)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(chǔ)，通過(guò)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(guò)信噪分離算法，分離出異常信號(hào)和通信信號(hào)。(2)通過(guò)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(hào)的受干擾情況。(3)通過(guò)數(shù)學(xué)方法，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前信號(hào)的統(tǒng)計(jì)學(xué)特性。

圖4 數(shù)據(jù)分析過(guò)程

信噪分離算法是通過(guò)判定GSM-R通信系統(tǒng)中通信信號(hào)與底部噪聲的門限來(lái)區(qū)分是否為正常信號(hào)，即大于門限值的，認(rèn)為是通信信號(hào)；小于門限值且已經(jīng)影響到正常的GSM-R通信的，則認(rèn)為是底部噪聲。GSM-R干擾判定是在發(fā)生干擾時(shí)，通過(guò)比對(duì)受干擾的通信信號(hào)和底部噪聲的頻點(diǎn)模板，判定出干擾類型。根據(jù)自定義雙核處理器和數(shù)據(jù)處理中心傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包格式，自定義干擾類型如圖5所示。

圖5 自定義干擾類型

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(hào)頻率相同的無(wú)用信號(hào)的干擾，即指無(wú)用信號(hào)的載頻與有用信號(hào)的載頻相同，并對(duì)同頻有用信號(hào)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(shí)，可能會(huì)引起同頻干擾。通過(guò)當(dāng)前通信鏈路狀態(tài)模塊獲取GSMR頻段的參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，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(guò)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(huì)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(gè)網(wǎng)絡(luò)布局不理想就會(huì)產(chǎn)生干擾。通過(guò)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(duì)，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(guò)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(hào)落在GSM-R通帶范圍內(nèi)且幅度達(dá)到一定值，就會(huì)對(duì)GSM-R信號(hào)產(chǎn)生干擾。通過(guò)參數(shù)比對(duì)，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(guò)與預(yù)處理的模板參數(shù)比對(duì)確定干擾類型之后，將執(zhí)行結(jié)果按照協(xié)議打包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心；同時(shí)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(cè)終端的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果，在電腦上顯示并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，以便工作人員進(jìn)行綜合處理，完成對(duì)監(jiān)測(cè)終端的狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

2.2.3 數(shù)據(jù)解析模塊設(shè)計(jì)

通過(guò)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(lái)對(duì)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(hào)中心頻率轉(zhuǎn)換公式求出該頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的廣播控制信道號(hào)。具體轉(zhuǎn)換公式如下：

啟動(dòng)GSM-R MODEM執(zhí)行小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度掃描指令，求出該廣播控制信道號(hào)對(duì)應(yīng)的載波配置，即確定對(duì)應(yīng)的小區(qū)。接著執(zhí)行小區(qū)掃描指令，求出監(jiān)測(cè)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(hào)比對(duì)，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(guò)控制各個(gè)MODEM進(jìn)行串口操作來(lái)獲取干擾源基站的配置情況（包括基站ID、運(yùn)營(yíng)商編號(hào)、載波配置、BCCH載波信號(hào)強(qiáng)度等）。用戶可以根據(jù)監(jiān)測(cè)終端報(bào)告的干擾類型、信號(hào)強(qiáng)度及信號(hào)解碼結(jié)果初步定位干擾源。同時(shí)將解析數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)處理中心。

圖6 干擾源基站配置解析流程

3 結(jié)論

對(duì)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(hào)。圖7顯示了通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊接收的GSM-R時(shí)序的I/Q數(shù)字中頻信號(hào)。

圖7 GSM-R頻段數(shù)據(jù)波形

數(shù)據(jù)采集模塊接收GSM-R信號(hào)之后，監(jiān)測(cè)終端能自動(dòng)對(duì)GSM-R頻段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)時(shí)上傳至數(shù)據(jù)處理中心。同時(shí)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(shí)間同步等操作，方便數(shù)據(jù)處理中心對(duì)監(jiān)測(cè)小站的管理。

數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)簡(jiǎn)單方便的判定方法完成對(duì)接收的GSM-R信號(hào)的監(jiān)測(cè)和干擾分析判別，有效地提高了干擾識(shí)別的實(shí)時(shí)性。數(shù)據(jù)解析模塊通過(guò)4種MODEM完成對(duì)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(duì)GSM-R實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)別更具有針對(duì)性，能夠改善和優(yōu)化GSM-R通信性能和質(zhì)量，對(duì)于開發(fā)其他監(jiān)測(cè)GSM-R系統(tǒng)有一定的參考價(jià)值。

[1]劉濤,吳江濤,王強(qiáng).GSM-R動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].鐵道通信信號(hào)，2011，47(1)：55-56.

[2]龍騰.GSM-R網(wǎng)絡(luò)中同頻干擾檢測(cè)與分析[J].鐵道通信信號(hào)，2008，44(2)：48-50.

[3]尹福康.GSM-R在鐵路通信中的作用[J].中國(guó)鐵路，2006(6)：12-14.

[4]陳嵩，沙斐，周克生.基于嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2007，21(6)：62-66.

[5]戴美泰.GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[6]鐘章隊(duì).鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)[M].北京∶中國(guó)鐵道出版社，2003.

[7]孫寶臣，杜彥良，李劍芝，等.基于GSM-R的青藏鐵路凍土地溫自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].鐵道學(xué)報(bào)，2009，31(5)：125-129.

[8]寧濱.中國(guó)鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與GSM-R的應(yīng)用[J].中國(guó)鐵路，2003(3)：33-35，39.