吳 宇 韓 蕾

（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

1 概述

我國GSM-R網(wǎng)絡(luò)作為一種綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)，承載著CTCS-3（簡稱C3）列車控制等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，為車地安全數(shù)據(jù)傳輸提供雙向、大容量通道，保障列車安全信息有效、可靠的交互。因此GSM-R網(wǎng)絡(luò)在鐵路運(yùn)輸中承擔(dān)著日益艱巨的通信任務(wù)，而GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)異常是影響C3系統(tǒng)的質(zhì)量和傳輸可靠性的重要因素之一，快速準(zhǔn)確的查找出異常原因，并進(jìn)行相應(yīng)處理，才能使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營不受影響。

當(dāng)前比較成熟的GSM-R網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測手段是對Abis接口、A接口以及PRI接口等有線接口的監(jiān)測，該類接口監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于京滬、武廣、鄭西、哈大等多條高速鐵路，但是對于Um的監(jiān)測尚屬空白。Um接口作為車載移動臺與地面之間的接口，受各種因素影響較大，無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜，存在更多的不穩(wěn)定性。Um接口是分析無線干擾、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、無線信道擁塞和車地設(shè)備故障最佳結(jié)合點(diǎn)，也是唯一能夠解析無線測量報告、無線系統(tǒng)消息，實(shí)現(xiàn)信號的頻譜分析，實(shí)現(xiàn)電路域和分組域信令和業(yè)務(wù)并行監(jiān)測的接口。因此實(shí)現(xiàn)GSM-R網(wǎng)絡(luò)Um接口監(jiān)測對于及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存在的故障和隱患，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維質(zhì)量非常重要。

2 Um接口監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

Um接口監(jiān)測系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成： 1）采集子系統(tǒng)；2）數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)；3）分析顯示子系統(tǒng)。如圖1所示。

采集子系統(tǒng)具有固定頻點(diǎn)的空中無線信號捕獲功能。由于鐵路GSM-R沿線各基站的頻點(diǎn)在設(shè)計時就確定下來，一般情況下基站多數(shù)配置為O2或O3，這樣采集子系統(tǒng)需要在每個基站處監(jiān)測2～3個載頻的下行信息，同時根據(jù)下行載頻絕對頻點(diǎn)號能夠推斷出上行載頻的絕對頻點(diǎn)號，這樣也能有針對性的采集上行頻點(diǎn)信息。無線信號的捕獲功能主要是通過900 MHz GSM-R信號接收機(jī)完成，該接收機(jī)設(shè)置的位置可以有兩類：一是設(shè)置于機(jī)車車載端；二是設(shè)置于基站鐵塔處。綜合考慮本系統(tǒng)方案選擇后者，即每個基站鐵塔處設(shè)置1套接收機(jī)。根據(jù)GSM-R頻點(diǎn)分布，上行885～889 MHz，下行930～934 MHz，選擇接收機(jī)需要覆蓋該頻段范圍。GSM-R地面接收機(jī)首先將信號從射頻轉(zhuǎn)換到中頻，然后在中頻段完成A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換功能，接著通過FPGA做下變頻，實(shí)現(xiàn)數(shù)字中頻和基帶信號之間轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的基帶信號經(jīng)過采樣，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求和計算機(jī)計算能力的要求。接收機(jī)處理后的基帶I/Q信號通過鐵路傳輸網(wǎng)以E1方式發(fā)送到核心網(wǎng)機(jī)房的處理服務(wù)器設(shè)備進(jìn)行后臺處理。

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)需要完成兩部分工作：第一基帶I/Q數(shù)據(jù)首先進(jìn)行幀同步和幀定位，以同步幀或時隙利用基于PC設(shè)備的軟件無線電平臺完成無線數(shù)字信號處理過程，該軟件無線電平臺能夠智能處理數(shù)字信號，包括多種解調(diào)模塊（GSM-R采用GSMK）、多種糾錯解碼模塊（RS,維特比，turbo碼）、多種信號處理結(jié)構(gòu)（濾波器、FFT、量化器）等。最后生成不同信號類型下突發(fā)幀（burst）。第二將不同的burst送到解析處理服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)Um接口L2/L3信令解碼以及用戶信息的關(guān)聯(lián)過程。關(guān)聯(lián)后信息按照用戶特征（MSISDN、IMSI、車次號、機(jī)車號）形成呼叫記錄。

分析顯示子系統(tǒng)由顯示終端、綜合分析平臺，網(wǎng)管客戶端等組成，實(shí)現(xiàn)對Um接口信令和數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示、統(tǒng)計結(jié)果、分析圖表等。

3 Um接口監(jiān)測實(shí)現(xiàn)

Um接口監(jiān)測實(shí)現(xiàn)步驟如圖2所示：Um接口接收信號首先通過低通濾波器濾波，去除采樣信號中的毛刺，使波形平滑。接著利用搜索頻率校正信道（FCCH）中的頻率校正突發(fā)進(jìn)行頻率校正，然后解析同步信道（SCH）的同步信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)與GSM-R網(wǎng)絡(luò)間時鐘同步。同步后的頻點(diǎn)根據(jù)各時隙的邏輯信道配置情況，確定載頻時隙承載的邏輯信道類型，不同類型邏輯信道采用相應(yīng)的物理層算法譯碼得到burst幀數(shù)據(jù)。正確的Burst幀數(shù)據(jù)按照不同的數(shù)據(jù)鏈路幀類型送到L2協(xié)議層解碼，解碼結(jié)果發(fā)送到L3層，分別完成連接建立消息（CC）、移動性管理（MM）、無線資源管理（RR）消息解碼以及TCH信道對應(yīng)的語音和數(shù)據(jù)的解碼。最終軟件完成同一機(jī)車解碼后信令和數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，對于未含有用戶唯一標(biāo)識的信令，根據(jù)信令中指示的時隙號、幀號確定其對應(yīng)的用戶唯一標(biāo)識的信令，對其進(jìn)行歸類。

3.1 幀同步原理

在GSM規(guī)范中，對總的頻譜劃分成200 kHz為單位的一個個頻段，稱為載頻。而對每一個載頻，允許8個用戶使用，即從時分多址方式來看，每個載頻有8個時隙（Time Slot），每個時隙的長度（BP）＝15/26＝0.577 ms，而每一個時幀長度為15/26×8 ＝ 4.615 ms。

在時隙中傳送的脈沖序列信號叫burst，burst是構(gòu)成邏輯信道的基礎(chǔ)。通過不同邏輯信道組合承載業(yè)務(wù)信息和控制信息。GSM-R使用的突發(fā)類型共有5種，如圖3所示,NB是GSM-R系統(tǒng)中最常用的突發(fā)，包括26 bit訓(xùn)練序列和58×2 bit的信息比特；FB主要作用是移動臺開機(jī)時內(nèi)部頻率的調(diào)整；SB攜帶有幀結(jié)構(gòu)方面的信息，用于移動臺向基站的同步過程；AB用于隨即介入過程；DB是BTS發(fā)出的填充BCCH載波上空閑時隙的突發(fā)，因?yàn)锽CCH載波總是要求連續(xù)發(fā)送并且功率恒定。

Um接口監(jiān)測幀同步過程如下。

1）首先進(jìn)行FCCH捕獲。它對應(yīng)頻率校正突發(fā)脈沖序列FB，因?yàn)镕B為148 bit全0序列，對于GSMK調(diào)制來說，F(xiàn)B是一段標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，該波形的特點(diǎn)明顯區(qū)別于其他的突發(fā)脈沖，因此首先要選擇FB進(jìn)行時間粗同步。

2）FB粗同步利用數(shù)據(jù)段作相關(guān)運(yùn)算，由于FB相對于其他burst相關(guān)性強(qiáng)，相關(guān)值的模的數(shù)值非常大，而其他數(shù)據(jù)相關(guān)性弱，其值被抑制的較低，可以在查找FB時設(shè)置一個門限，此門限可根據(jù)信號的平均功率得到。當(dāng)有連續(xù)若干個相關(guān)的模值高于門限時，就可以判定找到了FB，由此可以推斷FB大概的其實(shí)位置。根據(jù)GSM系統(tǒng)的信道結(jié)構(gòu)，經(jīng)過最多88個時隙的時間，就可以在滑動窗口中檢測到FB的存在。

3）粗同步實(shí)現(xiàn)后利用SCH實(shí)現(xiàn)精同步。SCH是同步信道，它位于FCCH之后8個時隙的地方，SCH中傳輸?shù)耐话l(fā)脈沖序列為SB，主要用于移動臺起始幀同步的捕獲，同時它還提供基站識別碼和TDMA幀號。SB含有一個特殊的長度為64的擴(kuò)展訓(xùn)練序列，而每個burst中信息比特只有78 bit。訓(xùn)練比特序列非常長，它具有非常好的自相關(guān)性。使用預(yù)先存儲好的本地參考信號和確定范圍的接收信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，就可以得到非常明顯的峰值特性。一方面可以確定SB的存在，另一方面可以由峰值點(diǎn)精確定位出SB的起始點(diǎn)，這樣就完成時間精確同步的工作。

3.2 物理層處理原理

GSM-R空口監(jiān)測最終目的是監(jiān)測車載和地面之間控制信令流程、C3車地用戶之間傳輸?shù)牧锌匦畔⒁约癈IR語音信息等。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，首先要得到各邏輯信道的burst數(shù)據(jù)，最重要的步驟就是物理層的數(shù)字信號處理過程。

由于不同邏輯信道采用的信道編解碼方式不同，重點(diǎn)關(guān)注邏輯信道主要分為兩類：一類是業(yè)務(wù)信道，包括TCH；一類是控制信道，包括FACCH、SACCH、BCCH、SDCCH等。

全速率語音信道（TCH/FS）以鐵路C3列控系統(tǒng)傳輸?shù)目刂菩畔榘踩珨?shù)據(jù)，其安全性要求很高，均采用CSD傳輸模式。在該模式下，通過解碼TCH的信道消息內(nèi)容能夠還原安全信息的內(nèi)容。

慢速隨路控制信道（FACCH）短消息業(yè)務(wù)使用該信道承載，通過解碼FACCH信道內(nèi)容還原短消息內(nèi)容。

廣播控制信道（BCCH）包含空中接口主要的無線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，具體有網(wǎng)絡(luò)識別參數(shù)、小區(qū)選擇參數(shù)、系統(tǒng)控制參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)功能參數(shù)。按照系統(tǒng)消息類型劃分有 1、2、2BIS、2TER、3、4、7、8。

獨(dú)立專用控制信道（SDCCH）Um接口信令消息通過該邏輯信道承載，本系統(tǒng)主要監(jiān)測的信令消息包括呼叫信令、切換信令、位置更新信令等。

慢速隨路控制信道（SACCH）通過提取SACCH信道的信息，得到上下行測量報告內(nèi)容并在此基礎(chǔ)上繪制無線信號場強(qiáng)和質(zhì)量分布以及信號強(qiáng)度與特定空間、位置環(huán)境的關(guān)系。除此以外SACCH信道上還包含系統(tǒng)消息5、5BIS、5TER、6。

由于在鐵路上無論是業(yè)務(wù)信道還是控制信道都采用A5/0加密算法，也就是不加密的方式，所以譯碼方法總體上分為四步。

業(yè)務(wù)信道：第一步解調(diào)；第二步解交織；第三步卷積碼譯碼；第四步循環(huán)碼譯碼。

控制信道：第一步解調(diào)；第二步解交織；第三步卷積碼譯碼；第四步法爾瑪譯碼。

詳細(xì)過程如表1所示。

表1 物理層譯碼過程

3.3 多載頻多基站呼叫和切換信令關(guān)聯(lián)

前面提到由于基站往往不只有單一的頻點(diǎn)，多數(shù)有一個主BCCH載頻和多個TCH載頻構(gòu)成。由于處理服務(wù)器對配置的頻點(diǎn)全部時隙進(jìn)行盲采集，移動臺從空閑狀態(tài)到呼叫建立后數(shù)據(jù)的傳輸，需要多個時隙共同配合完成一個用戶呼叫過程的關(guān)聯(lián)，這些時隙有可能分布在不同的載頻上。因此需要通過軟件解碼信道消息內(nèi)容，查詢相關(guān)信令對應(yīng)所在的信道號碼，再將這些信道消息重新組合，完成對某個用戶信令跟蹤過程。具體實(shí)現(xiàn)方法如下。

1）首先確定下行主頻0時隙的信道結(jié)構(gòu)，根據(jù)已有數(shù)據(jù)中公共控制信道的值，確定一個BCCH復(fù)幀中CCCH消息塊數(shù)。

2）等待CCCH塊中消息有“立即指配”消息，如果不是，則不進(jìn)行任何處理，如果是“立即指配”，則提取此消息的信道描述單元及移動配置單元，包括指配的信道類型、子信道號、時隙號等。

3）根據(jù)“立即指配”消息單元再結(jié)合系統(tǒng)消息提供的信息，計算出SDCCH對應(yīng)的信道。

4）等待SDCCH信道的“CM業(yè)務(wù)請求”或“尋呼響應(yīng)”或“位置更新請求”，找到移動臺移動識別單元（IMSI或TMSI）。

5）等待SDCCH信道的“SETUP“消息，找出主叫或被叫的BCD號碼。

6）SDCCH信道收到“指配命令”后，根據(jù)“指配命令”中信息單元跟蹤對應(yīng)的業(yè)務(wù)信道，包括TCH信道頻點(diǎn)號、時隙號。

7）跟蹤業(yè)務(wù)分配TCH信道，提取用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。除此以外通過偷幀標(biāo)記判斷FACCH信道位置，監(jiān)控該信道。

8）一旦檢測到“FACCH”信道上有“斷開連接”消息，可以放棄此次分配信道的監(jiān)測過程，同時回到SDCCH信道等待釋放信令過程。

當(dāng)列車發(fā)生切換時，從一個小區(qū)切換到另外一個小區(qū)，分屬于不同的基站時，地面接收機(jī)只能跟蹤到當(dāng)前基站所屬切換信令，需要處理服務(wù)器完成切換信令的接續(xù)。假設(shè)接收機(jī)1負(fù)責(zé)A基站下信息采集，接收機(jī)2負(fù)責(zé)B基站下信息采集，當(dāng)列車從A基站切換到B基站時，接收機(jī)1存儲下源小區(qū)的切出信令，接收機(jī)2存儲下目標(biāo)小區(qū)的切入信令，按照網(wǎng)絡(luò)配置的正常切換順序，把接收機(jī)1和接收機(jī)2的信令進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

3.4 上行信道同步

在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中，為了避免移動臺同時發(fā)射和接收，上行鏈路TDMA幀總是落后于下行鏈路TDMA幀3個BP，如圖4所示。在進(jìn)行GSM-R網(wǎng)絡(luò)Um接口監(jiān)測時，通過下行幀同步信道確定下行載頻的時隙位置后，由于上行信道沒有FCCH頻率校正信道和SCH同步信道，需要根據(jù)上下行之間的3個burst的時間差推斷上行信道時隙位置，然后進(jìn)一步完成上行信道的解析過程。

4 試驗(yàn)測試及效果

為測試本系統(tǒng)是否具有可行性，特在實(shí)驗(yàn)室下搭建環(huán)境進(jìn)行測試。測試環(huán)境如下：基站一套，配置BCCH頻點(diǎn)1016，TCH頻點(diǎn)1012。SAGEM測試手機(jī)一部模仿車載移動臺。Um接口動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)1套。

設(shè)定接收機(jī)的采集頻率為934 MHz，對應(yīng)頻點(diǎn)為1016，利用Um接口監(jiān)測系統(tǒng)解碼burst信息如下。

2140260 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140264 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140271 0: 49 06 1b 90 04 64 f0 02 21 10 50 00 14 6c 65 48 b9 00 00 80 00 b0 5b

2140275 0: 05 06 20 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140281 0: 05 06 20 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140285 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140291 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140295 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140301 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140305 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140311 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140315 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140322 0: 31 06 1c 64 f0 02 21 10 65 48 b9 00 00 80 00 b2 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140326 0: 05 06 20 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140332 0: 05 06 20 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

為方便用戶觀察，將解碼后的burst信息進(jìn)行L2/L3層協(xié)議處理，轉(zhuǎn)換為用戶可以識別的信令消息，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)解析結(jié)果正確，如圖5所示。

5 結(jié)論

本文研究基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)Um接口動態(tài)監(jiān)測空口信令和數(shù)據(jù)原理和具體實(shí)現(xiàn)方案，提出一種可實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)搭建方案，針對該方案關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討和深入分析。通過實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果可知，采用本系統(tǒng)方案能夠準(zhǔn)確同步到需要監(jiān)測的GSM-R網(wǎng)絡(luò)，正確采樣和解析Um接口消息，為下一階段系統(tǒng)完善打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

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