GSM-R干擾判別與分析系統(tǒng)的研究

■ 孫亮

目前，我國已經(jīng)建設(shè)了分別代表高原、重載和繁忙干線的青藏鐵路、大秦線、膠濟線3條GSM-R線路，同時也完成了武廣、滬寧、滬杭等部署CTCS-3級列控系統(tǒng)（C3）的高速鐵路的建設(shè)。在以上線路的建設(shè)過程中，GSM-R網(wǎng)絡(luò)分別出現(xiàn)了不同程度的覆蓋和干擾問題，因此干擾測試成為保障無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和排查干擾的重要手段。

1 干擾的主要類型

GSM-R系統(tǒng)面臨的干擾按干擾源劃分主要包括以下幾種：同頻干擾、鄰頻干擾、直放站干擾、互調(diào)干擾和外部干擾。同頻干擾指所有落到接收機通帶內(nèi)與有用信號頻率相同的無用信號干擾，即指無用信號的載頻與有用信號的載頻相同，并對接收同頻有用信號的接收造成影響的干擾，亦稱同信道干擾。鄰頻干擾分為兩大類：一類來自GSM-R網(wǎng)內(nèi)，主要是由于頻率規(guī)劃不合理，相鄰的2個頻率距離太近，可以從GSM-R網(wǎng)絡(luò)頻率規(guī)劃表中直接得出。一般情況下，在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中如果當前小區(qū)的廣播控制信道（BCCH）載波頻率或業(yè)務(wù)信道頻率和當前小區(qū)的兩層相鄰小區(qū)所規(guī)劃的BCCH載波頻率或業(yè)務(wù)信道頻率出現(xiàn)相鄰的情況，則認為會產(chǎn)生鄰頻干擾。一類來自網(wǎng)外，主要是GSM-R和中國移動、中國聯(lián)通之間的干擾。如果在某一位置中國移動或中國聯(lián)通在鐵路沿線附近小區(qū)的BCCH載波頻率和GSM-R網(wǎng)絡(luò)的對應(yīng)小區(qū)或相鄰小區(qū)BCCH載波頻率出現(xiàn)相鄰情況，兩者可能會產(chǎn)生鄰頻干擾。直放站干擾主要是由于設(shè)置使用不合理，將對移動通信網(wǎng)絡(luò)造成嚴重干擾。互調(diào)干擾主要是指當有多個不同頻率的信號加到非線性器件上時，非線性變換將產(chǎn)生許多組合頻率信號，其中的一部分可能落到接收機通帶內(nèi)，對有用信號形成干擾。

2 GSM-R干擾判別與分析系統(tǒng)原理

GSM-R干擾判別與分析系統(tǒng)的主要原理是采用電腦控制終端M S采集Um接口的信令信息，通過對Um接口協(xié)議的分析得到測試點附近的相關(guān)基站的網(wǎng)絡(luò)信息，用于分析附近是否存在對GSM-R網(wǎng)絡(luò)形成干擾的信號，其結(jié)構(gòu)見圖1。

為了便于理解結(jié)構(gòu)圖，首先簡單介紹一下GSM-R系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。GSM-R系統(tǒng)由6個子系統(tǒng)組成：交換子系統(tǒng)（SSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）、固定用戶接入交換系統(tǒng)（FAS）、運行與維護子系統(tǒng)（OM C）、通用分組無線業(yè)務(wù)子系統(tǒng)（GPRS）、終端子系統(tǒng)、移動智能網(wǎng)子系統(tǒng)（IN）和終端，并通過SSS中的網(wǎng)關(guān)移動交換中心（GM SC）實現(xiàn)與其他通信網(wǎng)絡(luò)電路域業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通，通過通用分組無線業(yè)務(wù)系統(tǒng)（GPRS）中的網(wǎng)關(guān)GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點（GGSN）實現(xiàn)與其他數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)分組域業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通（見圖2）。

圖1 GSM-R干擾判別與分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在GSM-R系統(tǒng)中，信令消息具體體現(xiàn)在接口的協(xié)議和規(guī)范上。接口代表2個相鄰實體之間的連接點，而協(xié)議是說明連接點上交換信息需要遵守的規(guī)則。在GSM-R系統(tǒng)中主要的接口有：無線（Um）接口、Ab is接口、Ater接口、A接口、PSTN/ISDN/PSDN接口。Um接口位于M S和BTS之間，是二者的通信接口，用于移動臺和系統(tǒng)固定部分之間的通信，其物理連接通過無線鏈路實現(xiàn)。GSM-R干擾判別與分析系統(tǒng)主要采集的是Um接口的信息。

U m接口上的協(xié)議可以分為3層。第一層是物理支持：TDM A幀、FDM A和邏輯信道復(fù)用。第二層是LAPDm協(xié)議，沒有標志，由于實時的限制沒有錯誤重發(fā)機制。第三層是無線接口層，其中又包括3個子層：無線資源管理（RR）子層用于尋呼、功率控制、加密、切換；移動性管理（M M）子層用于安全、定位、IMSI附著/分離；連接管理（CM）子層用于呼叫控制（CC）、補充業(yè)務(wù)（SS）、短消息業(yè)務(wù)（SM S）、雙音多頻（DTM F）信令。Um接口協(xié)議分層見圖3。將Um接口采集到的信令進行分析，便可以得到當前使用終端附近的網(wǎng)絡(luò)信息。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)主要是由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、基站信息數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊組成（見圖4）。

軟件的工作流程是通過數(shù)據(jù)采集模塊采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)存儲到計算機內(nèi)，數(shù)據(jù)分析模塊將存儲的數(shù)據(jù)進行分析整理，把分析后的數(shù)據(jù)與基站信息數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比對，比對出的結(jié)果保存起來便于日后進一步分析、查詢，并根據(jù)需要輸出和顯示。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 終端的控制流程

終端的控制主要通過電腦向終端發(fā)送AT命令和Trac e命令實現(xiàn)。AT命令主要是對終端撥打功能的控制，如撥打電話、掛機、發(fā)送數(shù)據(jù)信息等，Trace信令主要是對M S輸出GSM-R信令的控制，如激活相應(yīng)信令的輸出、鎖定指定信道等。Trace信令與電腦的交互流程見圖5。

圖2 GSM-R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 Um接口分層結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 軟件系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.2 Trace信令解析

終端與電腦之間交互的Trace信息幀結(jié)構(gòu)見圖6。其中STX/ETX定義了幀結(jié)構(gòu)的包頭和包尾，包頭：0x02，包尾：0x03，App lication Id定義了手機型號，通常為0x02，代表所采用的機型為2G5（OT46x， OT49x）系列，M essage Leng th表示的是除去Checksum和ETX的數(shù)據(jù)幀的長度，M essage Iden tification定義了幀的數(shù)據(jù)類型，M essage Con ten t是幀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)主體內(nèi)容，Checksum是幀結(jié)構(gòu)的校驗碼。

3.2.3 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲保存的主要內(nèi)容包括測試信息的存儲及用于分析的基站信息數(shù)據(jù)庫兩部分。

測試信息包括對終端控制的AT命令、Trace信息、相關(guān)命令的時間信息、測試地點信息及分析后測試結(jié)果。

圖5 Trace信令與電腦的交互流程

圖6 Trace信息幀結(jié)構(gòu)

基站信息數(shù)據(jù)庫存儲了全國GSM-R線路沿線相關(guān)的基站信息，包括基站所在地點的經(jīng)緯度、BSIC、分配使用的BCCH信道號、TCH信道號、線路信息等，為數(shù)據(jù)分析模塊提供數(shù)據(jù)參考。

3.2.4 地理信息

將測試地點當前的地理信息和基站信息數(shù)據(jù)空中的地理信息在顯示模塊中以地圖的方式直觀的顯示，可以方便對周邊GSM-R網(wǎng)絡(luò)直觀了解，方便分析信號的來源、距離，對測試情況有進一步的了解。

3.2.5 小區(qū)鎖定以及掃頻功能

系統(tǒng)采用的終端特有的2種功能，強制功能，可以實現(xiàn)在空閑以及通話模式下鎖定BCCH，禁止越區(qū)切換以及鎖定頻段功能；掃頻功能有3種模式，分別為射頻掃描、BCCH掃描及BCCH on ly模式。射頻掃描：在此模式下，信道依次掃描，只顯示接收電平；BCCH掃描：在此模式下，信道依次掃描，顯示接收電平并解碼BCCH；BCCH on ly：在此模式下，顯示接收電平并只解碼可用的BCCH。通過這2種功能能夠更加快捷的得到特定基站的信息，掌握干擾來源地點。

4 結(jié)束語

基于對M S與基站之間的通信Um接口的信令采集，能自動完成網(wǎng)絡(luò)信息收集，分析及判斷是否存在同頻干擾的功能，相信干擾判別與分析系統(tǒng)能為GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、全路GSM-R系統(tǒng)的監(jiān)測和檢測工作提供干擾信號類型的有力判斷依據(jù)，為迅速排查干擾源提供進一步的數(shù)據(jù)支持，提高測試的工作效率。

[1] 鐘章隊，李旭，蔣文怡，等. 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