文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)07-0017-04
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??紤]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。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉濤,吳江濤,王強(qiáng).GSM-R動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 鐵道通信信號,,2011,,47(1):55-56.
[2] 龍騰.GSM-R網(wǎng)絡(luò)中同頻干擾檢測與分析[J].鐵道通信信號,2008,,44(2):48-50.
[3] 尹???GSM-R在鐵路通信中的作用[J].中國鐵路,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].電子測量與儀器學(xué)報,2007,,21(6):62-66.
[5] 戴美泰.GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M].北京:人民郵電出版社,,2003.
[6] 鐘章隊.鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)(GSM-R)[M].北京:中國鐵道出版社,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監(jiān)測系統(tǒng)[J].鐵道學(xué)報,,2009,,31(5):125-129.
[8] 寧濱.中國鐵路綜合數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)與GSM-R的應(yīng)用[J].中國鐵路,,2003(3):33-35,,39.