GSM通信基站安防及載波監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊國(guó)榮

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014)

GSM通信基站安防及載波監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊國(guó)榮

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014)

基于GSM通信基站的安防及載波監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。監(jiān)控主機(jī)采用8位AVR單片機(jī)搭載GSM無線通信模塊、無線接收模塊、語(yǔ)音模塊、串口。單片機(jī)通過串口和無線接收模塊連接基站安防單元傳感器和載波監(jiān)控?zé)o線傳感器，再將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。若檢測(cè)到異常狀況則啟動(dòng)警笛，以起到很好的震懾作用。收端采用西門子公司生產(chǎn)的TC35i模塊和PC機(jī)，PC機(jī)上裝有串口調(diào)試和監(jiān)控軟件。監(jiān)控主機(jī)與收端之間采用G網(wǎng)和Internet網(wǎng)絡(luò)完成通信。通過對(duì)基站安防和基站覆蓋區(qū)內(nèi)話務(wù)量檢測(cè)的闡述，為移動(dòng)業(yè)務(wù)的拓展提供了新的思想和實(shí)現(xiàn)方法。

GSM；基站安防；載波監(jiān)控

隨著GSM通信基站機(jī)房的數(shù)目越來越多，由于大部分無人值守，站點(diǎn)設(shè)備被盜的情況屢屢發(fā)生，不僅影響了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，而且給運(yùn)營(yíng)商造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失；因此，如何有效解決無人值守的基站、機(jī)房等站點(diǎn)設(shè)備的安全隱患，已成為當(dāng)前急需解決的突出問題。對(duì)現(xiàn)代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)而言，大容量、高質(zhì)量、低成本相互關(guān)聯(lián)，各個(gè)運(yùn)營(yíng)商面臨低成本競(jìng)爭(zhēng)的同時(shí)，又要極力要求新網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、容量升級(jí)以及高質(zhì)量的服務(wù)。隨著基站覆蓋區(qū)域內(nèi)話務(wù)量大量增加，當(dāng)高于信道容量時(shí)，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障。為解決上述移動(dòng)通信中普遍存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于GSM基站的安防及載波監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該監(jiān)控系統(tǒng)包括安防和載波數(shù)據(jù)的采集處理、報(bào)警信息的傳輸、TC35i模塊與PC機(jī)間的通信以及軟件對(duì)報(bào)警信息的顯示等，可以完成包括市區(qū)、郊區(qū)以及鄉(xiāng)村所有BTS機(jī)房的監(jiān)控、報(bào)警，維護(hù)人員的調(diào)度與分派等功能。為了避免本地BTS機(jī)房出現(xiàn)重大危機(jī)，導(dǎo)致BTS系統(tǒng)癱瘓而無法發(fā)出報(bào)警信息的現(xiàn)象，本方案中告警信息將通過其他運(yùn)營(yíng)商的GSM網(wǎng)絡(luò)來傳輸[2]。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 BTS機(jī)房監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控主機(jī)采用AVR單片機(jī)(ATMEGA64L8AI)、GSM通信模塊(BenQ M22)和探測(cè)模塊，接收模塊采用TC35i模塊，與PC機(jī)完成通信。硬件連接圖如圖2所示。

圖2 硬件連接圖

2.1 發(fā)端設(shè)計(jì)

采用8位AVR單片機(jī)(ATMEGA64L8AI)，通過串口、GSM無線模塊以及紅外接收等方式，連接基站安防單元傳感器、載波監(jiān)控?zé)o線傳感器和信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試傳感器，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。若檢測(cè)到異常狀況則啟動(dòng)警笛，以起到很好的震懾作用，并且通過GSM網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將告警信息發(fā)送至位于中心運(yùn)維部的告警信息處理中心，中心將按照規(guī)定章程向主管領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)，進(jìn)而展開維護(hù)。

2.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由電源、復(fù)位、振蕩電路以及擴(kuò)展部分等部分組成。對(duì)于一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)來講，首要問題就是為整個(gè)系統(tǒng)提供電源供電模塊，

電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。單片機(jī)的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個(gè)確定的狀態(tài)，復(fù)位電平的持續(xù)時(shí)間必須大于單片機(jī)的2個(gè)機(jī)器周期。單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振(全稱叫晶體振蕩器)。其結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率。單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率上[3]。

2.1.2 通信模塊接口電路

通信模塊接口電路如圖3所示，電路設(shè)計(jì)了開機(jī)指示LED，開機(jī)后會(huì)以大約1 Hz的頻率閃爍，表示接入網(wǎng)絡(luò)，此閃爍不受單片機(jī)控制，啟動(dòng)信號(hào)接在P0.0上。

2.2 載波監(jiān)控設(shè)計(jì)

此載波監(jiān)控系統(tǒng)將針對(duì)G網(wǎng)設(shè)計(jì)，在G網(wǎng)中采用的關(guān)鍵技術(shù)是時(shí)分復(fù)用，因而此系統(tǒng)也將基于時(shí)隙的提取，通過設(shè)置參考電平值來判斷突變?cè)拕?wù)量。

2.2.1 關(guān)鍵技術(shù)

圖3 通信模塊接口電路

該檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)核心在于能夠準(zhǔn)確生成在G網(wǎng)中對(duì)每個(gè)時(shí)隙進(jìn)行多次采樣的內(nèi)部時(shí)鐘，并且對(duì)復(fù)幀內(nèi)部的每時(shí)隙狀態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)分析，在處理器的查詢周期內(nèi)輸出所統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)信息。另外，比較器的參考門限能夠根據(jù)功率信號(hào)的強(qiáng)度自動(dòng)尋找，并且能夠定時(shí)優(yōu)化[4]。

2.2.2 載波容量控制的相關(guān)理論

該系統(tǒng)話務(wù)量檢測(cè)單元由話務(wù)統(tǒng)計(jì)控制盤和選頻檢測(cè)盤2個(gè)主要模塊組成。

話務(wù)統(tǒng)計(jì)控制盤為核心元件，是該系統(tǒng)的“心臟”部分。它主要完成話務(wù)量統(tǒng)計(jì)、門限自動(dòng)查找和優(yōu)化、與上位機(jī)網(wǎng)管通信、接收門限設(shè)置命令和查詢命令等功能。

選頻檢測(cè)盤則集成了選頻和功率檢測(cè)功能，主要完成功率信號(hào)的頻點(diǎn)選擇和信號(hào)功率檢測(cè)。首先，選頻檢測(cè)盤從基站中提取上行信號(hào)，并選出需要的頻點(diǎn)，通過檢測(cè)GSM無線幀業(yè)務(wù)時(shí)隙的電平值并將該值與已設(shè)置好的門限電平進(jìn)行比較，判斷時(shí)隙是否被占用；然后，話務(wù)統(tǒng)計(jì)控制盤對(duì)剛剛被選頻檢測(cè)盤所檢測(cè)處理過的GSM基站上行功率信號(hào)進(jìn)行分析，根據(jù)GSM物理層協(xié)議，采用相應(yīng)算法完成模塊所在基站話務(wù)量統(tǒng)計(jì)的功能；最后，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)通過控制盤總線傳送至單片機(jī)作進(jìn)一步處理并與上位機(jī)通信[5]。2.2.3 基站解決突發(fā)話務(wù)量方法

1)確定容量/載頻需求計(jì)算。通過統(tǒng)計(jì)及推測(cè)，確定移動(dòng)通信話務(wù)量突發(fā)區(qū)的最大用戶數(shù)，以每用戶0.02 Erl的強(qiáng)度計(jì)算移動(dòng)通信話務(wù)量突發(fā)區(qū)的話務(wù)突發(fā)時(shí)容量總需求。話務(wù)突發(fā)時(shí)容量總需求通過愛爾蘭B公式來計(jì)算，在B為2%或5%的條件下，求得滿足服務(wù)要求的總的信道數(shù)。參考GSM信道分配原則，可以確定所需總的載頻數(shù)。而通常移動(dòng)通信話務(wù)量突發(fā)區(qū)的現(xiàn)有載頻資源僅僅滿足常規(guī)狀態(tài)下人流未集中時(shí)需求，所需的總載頻數(shù)減去現(xiàn)有載頻數(shù)即為需要增加的載頻數(shù)[6]。

2)支援基站及載頻的規(guī)定。通過OMC統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等收集通信話務(wù)量突發(fā)區(qū)的附近基站的話務(wù)量、阻塞率、載頻數(shù)及頻點(diǎn)和話務(wù)變化特征等，確定支援基站和載頻。在載頻的確定中，應(yīng)避免支援基站與通信話務(wù)量突發(fā)區(qū)的同頻干擾問題，如無合適的載頻頻點(diǎn)，必要時(shí)要和局方溝通進(jìn)行局部地區(qū)的載波頻點(diǎn)調(diào)整。

3)確定基站類型及功率。分析支援基站的具體環(huán)境，確定應(yīng)信源引入方式，進(jìn)行鏈路預(yù)算，確定應(yīng)采用的直放站類型及功率。確定方案實(shí)現(xiàn)后，在通信話務(wù)量突發(fā)區(qū)話務(wù)量突發(fā)時(shí)的通話質(zhì)量應(yīng)滿足：阻塞率、掉話率和接入成功率等指標(biāo)。

2.3 收端設(shè)計(jì)

2.3.1 TC35i模塊

該部分采用西門子公司生產(chǎn)的TC35i無線通信模塊，可以快速、安全、可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的語(yǔ)音傳輸和短消息服務(wù)。模塊的工作電壓為3.3～4.8 V，可以工作在900和1 800 MHz 2個(gè)頻段，所在頻段功耗分別為2和1 W。通過AT命令操作模塊，支持TXT和PDU模式的短消息。

2.3.2 PC機(jī)與TC35i通信

PC機(jī)通過RS 232串口與TC35i相連，為了測(cè)試連接是否成功，可以通過超級(jí)終端或者串口調(diào)試助手打開相應(yīng)的端口，并且通過AT命令對(duì)TC35i模塊進(jìn)行初始化。

2.3.3 短信息收發(fā)操作過程

對(duì)短信息的控制共有3種模式：Block Mode、基于AT指令的PDU Mode和基于AT指令的Text Mode。目前，發(fā)送短信息常用Text和PDU Mode。使用Text模式收發(fā)短信代碼簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來容易，但是不能收發(fā)中文短信。本文重點(diǎn)介紹Text模式收發(fā)英文或數(shù)字短信。PDU模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信。在開始收發(fā)短信之前，需要開通一張可以提供短信息服務(wù)的SIM卡并插入SIM卡的卡座中，安裝好TC35i的天線；然后給整個(gè)系統(tǒng)上電，觀察LED的狀態(tài)，確定TC35i已經(jīng)正常工作且處于待機(jī)狀態(tài)；最后確定PC機(jī)與TC35i已經(jīng)連接上[7]。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)可以對(duì)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行可執(zhí)行操作，其具有性能管理、告警管理、配置管理和維護(hù)管理等功能，除這些功能外本系統(tǒng)也可進(jìn)行功能升級(jí)和補(bǔ)充。軟件工作流程圖如圖4所示。

圖4 軟件工作流程圖

該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的安全性，當(dāng)工作人員需要進(jìn)行操作和監(jiān)控時(shí)需要登錄該系統(tǒng)， 并且該系統(tǒng)具有后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中保存了已注冊(cè)人員的信息以及已 監(jiān)控機(jī)房的位置信息。監(jiān)控系統(tǒng)本身具有可操作性，可動(dòng)態(tài)顯示窗口，還可生成水晶報(bào)表及時(shí)向相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行匯報(bào)。登錄成功后將進(jìn)入軟件主界面，該界面可以實(shí)時(shí)地顯示監(jiān)控的所有機(jī)房，以及已發(fā)生的某種安防警告，工作人員可以進(jìn)行進(jìn)一步必要的操作，完成報(bào)表的生成，向主管領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行匯報(bào)[8]。

為了實(shí)時(shí)性的操作以及更加靈活的擴(kuò)展性，該軟件還設(shè)計(jì)了告警信息查詢、告警信息處理、增設(shè)和減少監(jiān)控機(jī)房以及修改監(jiān)控機(jī)房等功能。

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)擁有多重防范報(bào)警措施和預(yù)警功能，可以做到對(duì)BTS機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的安全預(yù)警和基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的話務(wù)量檢測(cè)，并適用于所有GSM通信基站。通過對(duì)基站安防和基站覆蓋區(qū)內(nèi)話務(wù)量檢測(cè)的研究，為移動(dòng)業(yè)務(wù)的拓展提供了新的思想和實(shí)現(xiàn)方法，具有一定的實(shí)踐意義。

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責(zé)任編輯鄭練

DesignofSecurityandCarrierMonitoringSystembasedonGSMBase-station

YANG Guorong

(Xi′an Railway Vocational and Technical Institute, Xi′an 710014, China)

This article is based on GSM communication base station security monitoring system to carry on the design and the carrier. Monitoring host is equipped with 8-bit AVR SCM,GSM wireless communication module, wireless receiver module, voice module and serial. Wireless carrier monitoring sensor, through the serial port and wireless receiver module, then it will analyze and process the data collected; Detecting an abnormal condition, it will start the sirens in order to play a better deterrent. Receiving end uses PC and TC35i module produced by Siemens, equipped with serial debugging software and monitoring software on the PC. It uses G network and the Internet to complete the communication between the monitoring host and receiving end. This paper describes the security and detection of traffic in coverage area of base station, providing new ideas and implementation methods for the expansion of mobile services.

GSM, base station security, carrier monitoring

TN 929.5

：A

楊國(guó)榮(1976-)，女，副教授，碩士，主要從事鐵路通信與信息系統(tǒng)等方面的研究。

2014-12-15