GSM-R" title="GSM-R" target="_blank">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,。考慮到嵌入式系統(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,。

    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(kāi)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(kāi)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),。

    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GSM-R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：
    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(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,。

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),。

    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(kāi)發(fā)其他監(jiān)測(cè)GSM-R系統(tǒng)有一定的參考價(jià)值。
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