鐵路空口監測系統技術方案研究

陳彥文

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

隨著高速鐵路的快速發展，GSM-R 網絡在時速350 km 高速線路中逐漸成為行車安全的關鍵環節，不僅承載語音、信令等通信業務，還是CTCS-3 列控數據傳輸的載體，關系到高速鐵路的通信質量和運營安全。為此，中國鐵路總公司發布一系列“強基達標、提質增效”的工程指導意見和系統標準，要求在承載CTCS-3 列控業務的G 網區段配備GSM-R 空口（Um）監測設備，輔助GSM-R 網絡優化工作，提高GSM-R 網絡的抗干擾能力。

1 需求分析

U m 接口是移動設備與基站收發信機之間的接口，用于傳輸移動設備與G S M-R 網絡之間的信令信息和業務信息。在C T C S-3 等級線路中，是劃分信號專業與通信專業的維護和責任界面。目前GSM-R 接口監測系統包括A、Abis、P R I、G b、G n、G i 等，只監測地面設備，沒有對車載設備接口進行監測，無法對涉及車載設備的問題進行故障定位，大部分只能歸結為突發干擾。U m 口監測系統可以與既有的接口監測系統進行數據對比，再和車載通信模塊進行數據分析，從而判斷出發生故障的具體原因，可以更好的監控突發干擾，為快速解決GSM-R 網絡問題提供數據支持。

2 系統設計

2.1 硬件結構

空口監測系統硬件設備由數據采集設備、承載網絡和數據中心系統組成，如圖1 所示，其中數據采集設備包含空口監測設備、功分器、饋線和天線，空口監測設備負責通過天饋線采集Um 接口數據和基站頻譜監測數據，將采集的數據實時上傳到數據中心系統；承載網絡可利用鐵路基站機房內MSTP傳輸網也可利用IP 數據網，傳輸系統和數據網系統分別為采集設備提供2 M 和FE 接口；數據中心系統包括數據中心處理服務器、應用服務器和操作終端，負責收集存儲上傳的數據并進行數據分析比對，判斷故障發生原因，顯示分析處理結果，并提供系統維護界面，進行綜合作業管理。

2.2 軟件結構

空口監測系統從功能劃分可分為3 層:數據層、服務層和應用層。

數據層采自地理信息系統、空口監測采集設備，提供采集點位的GIS 數據和Um 接口數據等。

服務層作為數據處理層，完成信令消息過濾、語音數據過濾、干擾數據過濾、頻譜數據過濾等功能。頻譜數據的過濾是軟件FFT 實現的。快速傅氏變換（Fast Fourier Transformation，FFT）是離散傅氏變換（DFT）的快速算法，它是根據離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。FFT 算法可分為按時間抽取算法和按頻率抽取算法。信令數據過濾是通過收集的SDCCH 信道的數據來實現。語音數據過濾是通過收集TCH 信道的數據來實現。

應用層作為人機交互界面，為維護人員提供消息跟蹤、實時頻譜、頻譜回放、語音回放、告警推送、干擾處理、數據配置管理、維護記錄歷史查詢等相關技術服務。

2.3 部署原則

為更好的對GSM-R 網絡進行監測，及時發現網絡存在的故障節點，提高GSM-R 系統網絡質量，建議將空口監測系統采集設備部署在以下幾處重點部位。

1）交叉并線等樞紐區間屬于重要區間無線環境復雜、需要增加空口監測設備來分析干擾情況和定位出現的無線超時故障。

2）對干擾多發區域，干擾處理后需要監控，防止干擾再次發生，影響行車，安裝無線監測設備是必要的。對一些無線超時多發區域，可以通過安裝無線監測設備來分析問題，解決問題，減少無線超時次數。

3）對車站、動車段、局界等重要基站安裝無線監測設備，在重要基站出現問題時能第一時間提供數據聯合分析，解決問題。

4）RBC 交權區多發單MT 問題、切換失敗、起呼RBC 失敗、移交失敗等問題，需要空口監測輔助定位故障。

5）CTCS-2 線路業務問題主要表現為收發進路預告問題，因此需要監控收發區域基站，從空口分析、定位進路預告收發故障。

2.4 設備安裝

空口監測系統數據中心系統服務器安裝于核心網機房內，利用承載網絡與采集設備進行通信。

采集設備安裝在區間基站機房內，主要有串聯和并聯兩種安裝方式：其中串聯方式將采集設備的上行數據端口通過功分器連接到鐵塔天線，下行數據端口通過采集設備自帶小天線接收下行信號，如圖1 所示；并聯方式則是在鐵塔上新設一副全向天線，通過饋線將接收到的上下行數據分別引入采集設備的上下行數據端口，如圖2 所示。

圖1 串聯方式 Fig.1 Series mode

圖2 并聯方式 Fig.2 Parallel mode

分析以上兩種安裝方式，串聯方式施工相對簡單，缺點是只能接收下行信號較小范圍的頻譜，適用于直放站覆蓋區間。并聯方式接收到頻譜和空口數據和基站實際收發數據近似相同，較真實的反應基站的收發情況，缺點是需增加獨立天饋線，施工相對復雜，適用于宏基站覆蓋區間。

3 應用分析

3.1 案例一

3.1.1 案例背景

某鐵路K224 公里處為RBC3 與RBC2 交權處，在此處頻發上行車由于單電臺引起的CTCS-3 降級或無線超時故障。該區域線路及網絡覆蓋情況如圖3所示。

圖3 線路及網絡覆蓋情況 Fig.3 Line and network coverage

津秦高鐵與大秦線有8 個共用基站，當上行列車車載MT1 和MT2從沒有GSM-R 網信號區域進入有GSM-R 網信號區域，即進入大秦線基站時，首先進行位置區更新，當行駛至RBC交權區時，MT1 開始起呼津秦線RBC3。在MT2即將進入津秦線基站區域后，由于位置區發生變化(大秦線華為基站LAC=9990，津秦線諾西基站LAC=8455),MT2 會進行位置區更新，MT1 由于處于連接狀態，不會進行位置區更新。大約在K224 公里RBC3 與RBC2 交界處，MT2 起呼津秦RBC2，完成RBC 交權后，MT1 掛斷。MT1 返回空閑狀態后接著進行位置區更新。

3.1.2 故障現象

某日當列車經過圖3 所示區域時,列車車載電臺發生單電臺故障(只有1 臺電臺位置更新成功)。

該車次兩個終端信息：MT1 的MSISDN 為14983173233，MT2 的MSISDN 為14983173233。

3.1.3 案例分析

1）PRI 接口分析

從PRI 接口呼叫記錄分析，可以看到該車在津秦高鐵區段只有其MT2: 14983173233（IMSI460208319003555）一直在發起呼叫，而MT1(IMSI:460208319003554)一直沒有呼叫記錄，PRI 口呼叫記錄如圖4 所示。

2）空口監測系統Um 口信令分析

根據現場情況，在大秦線基站布設空口監測設備1 套，通過對空口信令分析，錄取到該車次車單MT 時間段空口信令數據。從空口數據分析，09:47:13( 對 應BSC 側 時 間 為09:52:32)，MT2(IMSI=460208319003555)在大秦線基站位置更新成功，但從空口監測系統沒有找到MT1(IMSI 460208319003554)的位置更新信令。

BSC 側設置空口監測服務器，對BSC 空口信令跟蹤分析。根據分析結果，09:52:34 MT2(IMSI=460208319003555)在大秦線基站位置更新成功，沒有跟蹤到MT1(IMSI=460208319003554)的位置更新信息。空口監測系統采集到MT2 位置更新情況和BSC 側跟蹤信息如圖5 所示。

圖4 PRI口呼叫記錄 Fig.4 PRI interface call detail records

圖5 空口監測系統信息 Fig.5 Um interface monitoring system message

3）話統分析

位置更新首先要進行SDCCH 的立即指配，立即指配過程由Channel Request 消息觸發，網絡側通過Immediate Assignment 消息分配SDCCH 信道。通過統計大秦線基站覆蓋小區的立即指配指標，指配成功率均為100%。BSC 在單MT1 故障時間段沒有指派失敗問題。故障時間段大秦基站立即指配情況如表1 所示。

表1 故障時間段大秦線基站立即指配成功率Tab.1 Immediate assignment success rate of Datong-Qinhuangdao Railway base stations in failure period

3.1.4 解決方案

經過在該區段部署空口監測設備，對空口信令和BSC 數據進行跟蹤分析，同一時間，每一條信道請求信息應對應攜帶同意隨機數消息，而出現故障的MT 設備信道請求消息中沒有發現相同隨機數，故分析該MT 設備未向基站側發起信道請求。

根據空口數據采集分析結果，建議對車載終端進行內部信令跟蹤，研究終端是否由于不連續GSM-R 網絡覆蓋導致未成功注冊至無線網絡，造成終端設備不發送信道請求。經核查，對車載MT設備進行維護和軟件更新，成功解決故障問題。

3.2 案例二

3.2.1 案例背景

某鐵路區段在網絡優化過程中，通過安裝空口監測設備，采集到GSM-R 信號頻譜如圖6 所示。從圖中可以看到，在GSM-R 上行頻率885 ～889 MHz范圍內，有2 個比較明顯上行窄帶干擾信號，干擾電平在-100 ～-95 dBm 之間，上行頻譜底噪為-110 dBm。下行頻譜沒有異常。經過排查，發現鐵路旁的一處私人屋樓頂有大量的私裝天線，用頻譜儀測試發現888.3 MHz 上行干擾信號，干擾信號強度約-42 dBm。第二處在鐵路邊城中村用頻譜儀測試發現887.2 MHz 上行干擾信號，強度約-60 dBm。

圖6 上行頻譜圖 Fig.6 Up link spectrum

3.2.2 解決方案

通過空口監測系統，分析采集到的廣播信道數據，解析出各GSM-R 和公網各小區分析如表2 所示。從表中可看到，該監測點周邊移動基站較多，頻率分配有比較靠近GSM-R 頻段的頻率。同時，G 基站11 和基站14 BCCH 頻率為鄰頻,在該位置可能會引起網內鄰頻干擾。

經在干擾區域現場調查，該區域公網覆蓋較差，村民為改善房屋內信號，私裝較多劣質放大器，導致覆蓋該區域上行干擾較明顯。經鐵路局聯系當地無線電管理部門，對部分私裝放大器進行拆除，同時協調公網運營商改善該區域覆蓋后，該區域上行干擾帶明顯減弱。

4 結論

隨著大眾鐵路出行對移動通信網絡需求的持續提高，鐵路沿線公網運營商覆蓋增強，同時為滿足物聯網需求的信號發射設備的增多，鐵路沿線干擾信號呈逐年增加趨勢；另外隨著全國各CTCS-2 線路及CTCS-3 線路的達速推進，任何網絡異常都可能造成行車秩序的紊亂。空口監測系統是接口監測系統的重要組成部分，有助于及時分析判斷網絡問題，快速進行故障定位并及時處理，同時有助于厘清信號專業與通信專業的維護和責任。

表2 空口監測掃頻到GSM信號小區信息Tab.2 GSM signal cell information swept by Um interface monitoring system

鐵路空口接口監測系統是GSM-R 網絡接口監測的重要組成部分，增加鐵路空口監測系統成為GSM-R 接口監測系統必然趨勢和必要手段，在全國鐵路GSM-R 的運行線路正在穩步推進。