GSM-R無線網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)高速跟蹤及動態(tài)流控技術的探討

蘇 軒 中國鐵路上海局集團有限公司保衛(wèi)部

1 技術原理探討

研發(fā)的新系統(tǒng)可以對GSM-R 通信系統(tǒng)的無線頻譜、空口交互信令以及空口語音和數(shù)據(jù)業(yè)務進行監(jiān)測、存儲、分析，實現(xiàn)對車載設備和GSM-R 網(wǎng)絡設備的重要分界接口-空中接口的全面監(jiān)控，及時處理網(wǎng)絡設備出現(xiàn)的各種告警信息和故障，做到真正的“主動性”的預防，其關鍵技術包含：

（1）高速移動跟蹤技術：本系統(tǒng)的采集設備在接收端增加了特有多普勒頻移估計與校正模塊，并且采用高精度的時鐘算法從接收的數(shù)字信號中提取同步信號用作信道估計和多普勒頻移修正，從而保障準確跟蹤GMS-R 通信系統(tǒng)空中接口的信號。

（2）關鍵算法的SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）優(yōu)化：通過單個指令同時操作多個數(shù)據(jù)，從而減少指令周期數(shù)，提高運算速度，獲得更高的性能。在使用平臺軟件實現(xiàn)物理層基帶算法模塊時，需要充分考慮到SIMD 指令集的能力和CPU 架構(gòu)的特點，從算法、數(shù)據(jù)、代碼等層次進行了設計和優(yōu)化。

（3）采用動態(tài)流控技術確保多臺采集設備的數(shù)據(jù)完整性：該監(jiān)控系統(tǒng)需要在各個基站部署采集設備，因此采集設備所采集的大量空口接口數(shù)據(jù)可能在數(shù)據(jù)服務端造成阻塞從而導致丟包。本系統(tǒng)采用了專利的流控技術，實時計算各個采集設備的數(shù)據(jù)量，并動態(tài)調(diào)整各個采集設備的端口流量，當發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)出現(xiàn)溢出時將阻塞信號發(fā)送給源地址，從而實現(xiàn)動態(tài)精準流控，避免了在話務忙時的采集設備發(fā)送大量數(shù)據(jù)沖擊整個系統(tǒng)，保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。

（4）采用信令及數(shù)據(jù)業(yè)務的特有關聯(lián)算法：對于切入的用戶是無法直接識別用戶的IMSI 或MSISDN，但業(yè)務信道本身所攜帶的無線信道信息和業(yè)務層信息具備相關性。當用戶在進行列控數(shù)據(jù)交互時在應用層發(fā)送的信息包含了機車信息，因此通過解碼TCH 的業(yè)務層信息特別是應用層的關鍵字段-車載ETCS 設備的標識號就可以識別機車信息，而機車信息可以與TCH的無線信道信息進行匹配。

（5）分組域空口數(shù)據(jù)的解析：分組域（GPRS）數(shù)據(jù)解析的設計基于軟件無線電技術 ，硬件由射頻前端和通用處理平臺組成，數(shù)據(jù)傳輸采用pcie 數(shù)據(jù)接口。射頻全段采用超外差設計，保證了寬帶接收下的動態(tài)范圍和靈敏度。分組域數(shù)據(jù)的物理層及高層的解碼在通用處理平臺實現(xiàn)，使用c++語言，其中物理層解碼采用了SIMD（Single Instruction Multiple Data）技術進行了算法優(yōu)化，對寬帶數(shù)據(jù)進行并行處理，極大了加快了物理層處理效率。

2 運用環(huán)境探討

研發(fā)GMS-R 無線網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)采集單元的工作頻率為930～954 MHz / 885-909 MHz；接收及帶寬：接收頻段內(nèi)的任意兩段25 MHz，可軟件配置；頻率穩(wěn)定性為±0.5 ppm；接收機誤碼率小于10-7，靈敏度不小于-110 dBm；天線輸入阻抗小于50 ?，硬件設備功耗小于40 W。

系統(tǒng)在采集設備部分與現(xiàn)有基站系統(tǒng)共用鐵塔和機房，并且利用既有傳輸端口或數(shù)據(jù)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，因此在系統(tǒng)的部署過程中將無需額外進行基礎設施建設，此外系統(tǒng)的所有接口均不與既有GSM-R 設備進行物理連接，因此在安裝和使用過程中不會影響任何GSM-R設備的運行。

降低GSM-R 網(wǎng)絡的維護和優(yōu)化工作成本是探討研究的目標之一，采用該系統(tǒng)后將減少GSM-R 維護單位在進行故障排查時的測試設備指出和現(xiàn)場人力資源支出，并且系統(tǒng)將大幅提高故障分析和定位的效率，避免故障分析和定位中大量重復性工作，這些方面都將有效降低GSM-R 網(wǎng)絡維護工作的成本，相對于人力資源的手動分析具備更高的投入性價比。

3 研究方法的探討

系統(tǒng)可以通過接收GSMR 網(wǎng)內(nèi)的上下行信號，對空中傳輸?shù)纳漕l信號經(jīng)天線單元、射頻單元接收后，進行基帶系統(tǒng)信號處理，并通過專業(yè)軟件進行協(xié)議棧解析。頻譜監(jiān)測功能時通過射頻單元對GSM-R 以及GSM 上下行頻段進行掃頻，并且將掃頻的結(jié)果匯總。通過實時掃描當前小區(qū)下的所有頻率和所有時隙的所有業(yè)務來保障數(shù)據(jù)跟蹤的完整性，實現(xiàn)呼叫的自動跟蹤。同時系統(tǒng)采集設備所采集的大量空口數(shù)據(jù)可能在數(shù)據(jù)服務器造成阻塞從而導致丟包。系統(tǒng)采用了專利的流控技術，實時計算各個采集設備的數(shù)據(jù)量，并動態(tài)調(diào)整各個采集設備的端口流量，當發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)出現(xiàn)溢出時將阻塞信號發(fā)送給源地址，從而實現(xiàn)動態(tài)精準流控，避免了在話務忙時的采集設備發(fā)送大量數(shù)據(jù)沖擊整個系統(tǒng)，保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。

4 實驗方法的探討

系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)容如圖1所示，主要包括GMS-R 空中接口的數(shù)據(jù)采集（包含電路域及分組域數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)處理三大部分，其中數(shù)據(jù)采集單元分為頻率掃描數(shù)據(jù)采集模塊以及GSM-R 空口信號采集模塊兩部分。其中監(jiān)測設備部分是本系統(tǒng)的總要組成部分，其硬件組成如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 監(jiān)測設備的組成圖

（1）射頻單元：該部分是系統(tǒng)的基礎工作單元，主要負責頻譜數(shù)據(jù)采集，產(chǎn)生射頻信號通道，自動搜索本小區(qū)的所有頻率和時隙并進行接收。

（2）數(shù)據(jù)采集單元：數(shù)據(jù)采集單元包括射頻中頻信號的變頻、解調(diào)、均衡、去交織等，并將生成的數(shù)據(jù)傳送給處理器單元。

（3）處理器單元：主要負責數(shù)據(jù)的信道解碼、信源解碼、信令和業(yè)務識別、數(shù)據(jù)封裝等功能，并且將封裝后的數(shù)據(jù)通過傳輸網(wǎng)路發(fā)給數(shù)據(jù)庫中心。此外處理器單元也設有本地存儲單元存儲一定時期的原始數(shù)據(jù)

平臺的軟件系統(tǒng)實現(xiàn)兩個基本功能，一是接收系統(tǒng)硬件數(shù)據(jù)并儲存，二是承載系統(tǒng)軟件平臺，完成數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)回放以及綜合作業(yè)管理。軟件系統(tǒng)按照功能架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、服務層和應用層等3部分，如圖3所示。

5 成果應用探討

此次探討研究是對GSM-R 基站設備的無線頻譜、空口交互信令以及空口語音和數(shù)據(jù)業(yè)務進行監(jiān)測、存儲、分析，實現(xiàn)對車載設備和GSM-R 網(wǎng)絡設備的重要分界接口-空中接口的全面監(jiān)控，同時實現(xiàn)GSM-R 鐵路通信系統(tǒng)的動態(tài)的干擾監(jiān)控，及時處理網(wǎng)絡設備出現(xiàn)的各種告警信息和故障，做到“主動性”的預防。通過系統(tǒng)實現(xiàn)GSM-R 基站設備的無線頻譜、空口交互信令以及空口語音和數(shù)據(jù)業(yè)務進行監(jiān)測、存儲、分析，實現(xiàn)對車載設備和GSM-R 網(wǎng)絡設備的重要分界接口-空中接口的全面監(jiān)控。通過自主研發(fā)完全滿足于鐵路數(shù)據(jù)的安全保密性要求；且系統(tǒng)完全獨立運行，系統(tǒng)建設對鐵路其他通信設備和鐵路通信在用業(yè)務無任何影響。

此次探討研究的技術具備現(xiàn)實應用價值，圍繞GSM-R通信監(jiān)測設備領域，根據(jù)智能化監(jiān)測發(fā)展需求，以鐵路通信段為應用測試點，解決應用困難和完成測試后具有全路推廣的前景。