基于嵌入式GSM-R的监测系统研究

褚丹丹，赛景波

（北京工业大学 电子信息与控制工程学院，北京 100124）

GSM-R(Global System for Mobile Communication Railway)是国际铁路联盟为满足欧洲21世纪铁路一体化进程而推荐的欧洲铁路专用移动通信系统。为加强对GSM-R系统的频率监测和保护，维护GSM-R系统正常运行，保证铁路运营安全，需建设GSM-R实时监测专用系统。目前绝大多数GSM-R监测系统都是以PC机为控制器，通过移动的监测车辆搭载复杂的监测设备对铁路沿线的GSM-R信号进行监测，还需要加上机车记录装置。这种系统集成程度低，成本高，无法满足当前监测系统对于实时性和准确性的要求。考虑到嵌入式系统的移动性和低成本的优势，本文采用嵌入式GSM-R监测系统，由一个数据处理中心和20个监测终端组成，监测终端主要放置在铁路沿线区域。借助于双核处理器的高速运算来对GSM-R信号数据进行监测操作，提高了系统的效率。

1 系统组成

本系统主要完成对GSM-R信号的受干扰情况进行实时监测，一旦发现信号受到干扰，则实时上报数据处理中心并进行监测结果的显示和数据的存储，为确保GSM-R系统的通信质量和铁路运行安全提供保障。同时，数据处理中心能够通过网络向监测终端下达指令实现对监测终端的远程控制操作，以及监测终端的复位、自检和时间统一，确保监测终端能够长时间正常运行。

如图1所示，GSM-R监测系统所采用的硬件平台由一个数据处理中心及若干个监测终端组成。监测终端利用GSM-R网络与数据处理中心进行数据通信。其中监测终端由数据采集模块、双核处理器以及4个调制解调器(MODEM)(GSM移动、GSM联通、CDMA、GSM-R)等部分组成。

双核处理器采用TI公司的OMAP-L138，集成了300 MHz ARM926EJ-S内核及300 MHz C6748VLIW DSP核，借助于双核处理器的高速运算来对GSM-R数据进行接收解析操作，效率较高。

4个MODEM通过串口服务器与双核处理器相连。系统在监测到GSM-R信号受到干扰时，会根据所受干扰类型的不同，通过Linux操作系统下发AT指令到相应的MODEM以获取受干扰小区和干扰源小区的配置信息。

2 关键技术设计

2.1 硬件数据采集结构设计

硬件数据采集结构设计如图2所示。

图2 无线数据采集模块原理图

本系统监测GSM-R的频率范围是上行885～889 MHz频段，GSM-R下行930～934 MHz频段，GSM-R频率信号通过高频接收模块，变频后输出70 MHz中频信号，中频信号经过数字下变频的A/D采样、变频、滤波和速率转化处理后输出I&Q数字中频信号，然后通过PCIe送入计算处理模块中进行处理，直接上传到双核处理器中。双核处理器把接收到的GSM-R数据进行干扰监测处理后，上传处理结果到数据处理中心。

2.2 软件系统结构设计

监测系统软件在嵌有OMAP-L138双核处理器的平台上开发，交叉编译器为Sourcery G++Lite 2009q1-203 for ARM GNU/Linux。本系统软件流程：双核处理器首先开机自检，设备初始化成功后与数字处理中心建立连接，接收指令操作。首先监测终端对接收的网络数据包进行长度、数据校验位、标识位的判定，如果发现其中一个不正确，则双核处理器向数据处理中心发送错误警告信息，要求数据处理中心重新发送指令并清除刚刚接收的错误网络数据包，等待下一个网络数据包的到来，直到判定无误后再进行功能模块判定。

如图3所示，本系统软件主要分为3大功能模块：监测控制模块、数据处理模块、数据解析模块。如果为远程控制监测终端指令，则进入监测控制模块进行监测终端的管理操作；如果为干扰监测指令，则进入数据处理模块进行干扰分析，并利用数据解析模块确定受到干扰的GSM-R基站ID和对GSM-R信号造成干扰的基站ID，其中3个功能模块利用多个线程协同工作，共同完成GSM-R监测功能，为铁路人员排除干扰提供依据。

图3 GSM-R监测系统软件流程图

2.2.1 监测控制模块设计

监测控制模块主要完成数据处理中心对监测终端的管理功能，完成远程复位、自检、时间同步等功能。双核处理器作为客户端和数据处理中心，在建立TCP/IP连接之后，不断接收数据处理中心发送的网络数据包。自定义传输网络数据包格式如表1所示。

表1 自定义网络数据包格式

信息类别码：由信息种类和信息内容组成，信息种类用以说明监测站编号，0～20可选择。信息内容分为两部分：一部分是数据处理中心发送的内容，包括自检操作、复位操作、时间同步操作；另一部分为双核处理器发送的内容，主要包括干扰内容。

2.2.2 数据处理模块设计

通过硬件数据采集模块可以得到GSM-R上下行信道的通信频段数据，通过数据处理模块进行GSM-R信号数据分析，如有干扰，则将数据按照自定义协议打包存储，通过网络发送至数据处理中心。

如图4所示，数据分析主要包括：(1)通过信噪分离算法，分离出异常信号和通信信号。(2)通过GSM-R干扰判定算法，判断出当前GSM-R上、下行通信频段底部噪声和通信信号的受干扰情况。(3)通过数学方法，实时显示当前信号的统计学特性。

图4 数据分析过程

信噪分离算法是通过判定GSM-R通信系统中通信信号与底部噪声的门限来区分是否为正常信号，即大于门限值的，认为是通信信号；小于门限值且已经影响到正常的GSM-R通信的，则认为是底部噪声。GSM-R干扰判定是在发生干扰时，通过比对受干扰的通信信号和底部噪声的频点模板，判定出干扰类型。根据自定义双核处理器和数据处理中心传输的网络数据包格式，自定义干扰类型如图5所示。

图5 自定义干扰类型

图5中，GSM-R同频干扰是指所有落到GSM-R通带内的与有用信号频率相同的无用信号的干扰，即指无用信号的载频与有用信号的载频相同，并对同频有用信号的接收造成影响的干扰。当GSM-R基站布网不合理、频率复用不当、频率规划或频点设定不正确时，可能会引起同频干扰。通过当前通信链路状态模块获取GSMR频段的参数进行比对，若为GSM-R同频干扰，则将数据按照自定义协议打包，迅速发出告警信息，通过网络发送至数据处理中心。

GSM基站干扰是指GSM和GSM-R按地域共用一小段频率。在直辖市和省会城市，GSM-R的覆盖范围小于铁路两侧各2 km，其他地区小于铁路两侧各6 km，如果这两个网络布局不理想就会产生干扰。通过当前通信链路状态模块获取GSM频段的参数进行比对，若为GSM基站干扰，则将数据按照自定义协议打包，迅速发出告警信息，通过网络发送至数据处理中心。

CDMA带外干扰是指CDMA使用频率范围下行为870 MHz～880 MHz，与GSM-R的频域范围只有5 MHz的保护带，且CDMA采用扩频技术进行数据通信，所以只要CDMA系统的带外信号落在GSM-R通带范围内且幅度达到一定值，就会对GSM-R信号产生干扰。通过参数比对，若为CDMA带外干扰，则迅速发出告警信息并上传数据处理中心。

噪声干扰和不明干扰也是不可避免的干扰。双核处理器通过与预处理的模板参数比对确定干扰类型之后，将执行结果按照协议打包，通过网络发送至数据处理中心；同时数据处理中心将收到的数据进行解析，汇总监测终端的实时监测结果，在电脑上显示并存储到数据库，以便工作人员进行综合处理，完成对监测终端的状态和实时数据的监控。

2.2.3 数据解析模块设计

通过数据处理模块可以判别出GSM-R同频干扰、GSM干扰、CDMA带外干扰、噪声干扰和不明干扰。数据解析模块的功能是根据干扰类型的不同，使用不同的MODEM来对小区信息进行解析，分析出受干扰小区和干扰源小区的配置参数。

(1)受干扰小区参数解析

利用GSM-R MODEM和数据处理模块所得结果进行分析。首先，数据处理模块返回GSM-R受到干扰的频点，应用GSM-R基站发射信号中心频率转换公式求出该频点对应的广播控制信道号。具体转换公式如下：

启动GSM-R MODEM执行小区信号强度扫描指令，求出该广播控制信道号对应的载波配置，即确定对应的小区。接着执行小区扫描指令，求出监测终端所在服务小区和邻近小区的信息，进行广播控制信道号比对，进而确定受干扰小区的ID。

(2)干扰源小区参数解析

如图6，双核处理器通过控制各个MODEM进行串口操作来获取干扰源基站的配置情况（包括基站ID、运营商编号、载波配置、BCCH载波信号强度等）。用户可以根据监测终端报告的干扰类型、信号强度及信号解码结果初步定位干扰源。同时将解析数据上传数据处理中心。

图6 干扰源基站配置解析流程

3 结论

对数据采集模块采集的GSM-R频段数据用软件Cool Edit Pro V2.1观察接收的数据波形情况，得到I/Q两路数字中频信号。图7显示了通过数据采集模块接收的GSM-R时序的I/Q数字中频信号。

图7 GSM-R频段数据波形

数据采集模块接收GSM-R信号之后，监测终端能自动对GSM-R频段进行实时监测，发现异常信号时上传至数据处理中心。同时还能接收数据处理中心的远程控制指令，完成远程复位、自检、时间同步等操作，方便数据处理中心对监测小站的管理。

数据处理模块通过简单方便的判定方法完成对接收的GSM-R信号的监测和干扰分析判别，有效地提高了干扰识别的实时性。数据解析模块通过4种MODEM完成对受干扰小区ID和干扰源小区ID的解析，可降低成本。

本系统可以完成对GSM-R实时监测和干扰类型的预处理分类，以及解析出基站配置信息，使得分析干扰识别更具有针对性，能够改善和优化GSM-R通信性能和质量，对于开发其他监测GSM-R系统有一定的参考价值。

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