基于GSM-R网络空中接口动态监测系统研究

吴 宇 韩 蕾

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

我国GSM-R网络作为一种综合数字移动通信系统，承载着CTCS-3（简称C3）列车控制等数据业务，为车地安全数据传输提供双向、大容量通道，保障列车安全信息有效、可靠的交互。因此GSM-R网络在铁路运输中承担着日益艰巨的通信任务，而GSM-R无线网络异常是影响C3系统的质量和传输可靠性的重要因素之一，快速准确的查找出异常原因，并进行相应处理，才能使网络运营不受影响。

当前比较成熟的GSM-R网络监测手段是对Abis接口、A接口以及PRI接口等有线接口的监测，该类接口监测系统已经应用于京沪、武广、郑西、哈大等多条高速铁路，但是对于Um的监测尚属空白。Um接口作为车载移动台与地面之间的接口，受各种因素影响较大，无线网络环境复杂，存在更多的不稳定性。Um接口是分析无线干扰、网络覆盖、无线信道拥塞和车地设备故障最佳结合点，也是唯一能够解析无线测量报告、无线系统消息，实现信号的频谱分析，实现电路域和分组域信令和业务并行监测的接口。因此实现GSM-R网络Um接口监测对于及时发现网络存在的故障和隐患，提高网络运维质量非常重要。

2 Um接口监测系统架构

Um接口监测系统主要由3部分构成： 1）采集子系统；2）数据处理子系统；3）分析显示子系统。如图1所示。

采集子系统具有固定频点的空中无线信号捕获功能。由于铁路GSM-R沿线各基站的频点在设计时就确定下来，一般情况下基站多数配置为O2或O3，这样采集子系统需要在每个基站处监测2～3个载频的下行信息，同时根据下行载频绝对频点号能够推断出上行载频的绝对频点号，这样也能有针对性的采集上行频点信息。无线信号的捕获功能主要是通过900 MHz GSM-R信号接收机完成，该接收机设置的位置可以有两类：一是设置于机车车载端；二是设置于基站铁塔处。综合考虑本系统方案选择后者，即每个基站铁塔处设置1套接收机。根据GSM-R频点分布，上行885～889 MHz，下行930～934 MHz，选择接收机需要覆盖该频段范围。GSM-R地面接收机首先将信号从射频转换到中频，然后在中频段完成A/D模拟数字转换功能，接着通过FPGA做下变频，实现数字中频和基带信号之间转换，转换后的基带信号经过采样，以适应网络的传输要求和计算机计算能力的要求。接收机处理后的基带I/Q信号通过铁路传输网以E1方式发送到核心网机房的处理服务器设备进行后台处理。

数据处理子系统需要完成两部分工作：第一基带I/Q数据首先进行帧同步和帧定位，以同步帧或时隙利用基于PC设备的软件无线电平台完成无线数字信号处理过程，该软件无线电平台能够智能处理数字信号，包括多种解调模块（GSM-R采用GSMK）、多种纠错解码模块（RS,维特比，turbo码）、多种信号处理结构（滤波器、FFT、量化器）等。最后生成不同信号类型下突发帧（burst）。第二将不同的burst送到解析处理服务器，实现Um接口L2/L3信令解码以及用户信息的关联过程。关联后信息按照用户特征（MSISDN、IMSI、车次号、机车号）形成呼叫记录。

分析显示子系统由显示终端、综合分析平台，网管客户端等组成，实现对Um接口信令和数据的实时显示、统计结果、分析图表等。

3 Um接口监测实现

Um接口监测实现步骤如图2所示：Um接口接收信号首先通过低通滤波器滤波，去除采样信号中的毛刺，使波形平滑。接着利用搜索频率校正信道（FCCH）中的频率校正突发进行频率校正，然后解析同步信道（SCH）的同步信息，实现监测系统与GSM-R网络间时钟同步。同步后的频点根据各时隙的逻辑信道配置情况，确定载频时隙承载的逻辑信道类型，不同类型逻辑信道采用相应的物理层算法译码得到burst帧数据。正确的Burst帧数据按照不同的数据链路帧类型送到L2协议层解码，解码结果发送到L3层，分别完成连接建立消息（CC）、移动性管理（MM）、无线资源管理（RR）消息解码以及TCH信道对应的语音和数据的解码。最终软件完成同一机车解码后信令和数据的关联，对于未含有用户唯一标识的信令，根据信令中指示的时隙号、帧号确定其对应的用户唯一标识的信令，对其进行归类。

3.1 帧同步原理

在GSM规范中，对总的频谱划分成200 kHz为单位的一个个频段，称为载频。而对每一个载频，允许8个用户使用，即从时分多址方式来看，每个载频有8个时隙（Time Slot），每个时隙的长度（BP）＝15/26＝0.577 ms，而每一个时帧长度为15/26×8 ＝ 4.615 ms。

在时隙中传送的脉冲序列信号叫burst，burst是构成逻辑信道的基础。通过不同逻辑信道组合承载业务信息和控制信息。GSM-R使用的突发类型共有5种，如图3所示,NB是GSM-R系统中最常用的突发，包括26 bit训练序列和58×2 bit的信息比特；FB主要作用是移动台开机时内部频率的调整；SB携带有帧结构方面的信息，用于移动台向基站的同步过程；AB用于随即介入过程；DB是BTS发出的填充BCCH载波上空闲时隙的突发，因为BCCH载波总是要求连续发送并且功率恒定。

Um接口监测帧同步过程如下。

1）首先进行FCCH捕获。它对应频率校正突发脉冲序列FB，因为FB为148 bit全0序列，对于GSMK调制来说，FB是一段标准的正弦波，该波形的特点明显区别于其他的突发脉冲，因此首先要选择FB进行时间粗同步。

2）FB粗同步利用数据段作相关运算，由于FB相对于其他burst相关性强，相关值的模的数值非常大，而其他数据相关性弱，其值被抑制的较低，可以在查找FB时设置一个门限，此门限可根据信号的平均功率得到。当有连续若干个相关的模值高于门限时，就可以判定找到了FB，由此可以推断FB大概的其实位置。根据GSM系统的信道结构，经过最多88个时隙的时间，就可以在滑动窗口中检测到FB的存在。

3）粗同步实现后利用SCH实现精同步。SCH是同步信道，它位于FCCH之后8个时隙的地方，SCH中传输的突发脉冲序列为SB，主要用于移动台起始帧同步的捕获，同时它还提供基站识别码和TDMA帧号。SB含有一个特殊的长度为64的扩展训练序列，而每个burst中信息比特只有78 bit。训练比特序列非常长，它具有非常好的自相关性。使用预先存储好的本地参考信号和确定范围的接收信号进行相关运算，就可以得到非常明显的峰值特性。一方面可以确定SB的存在，另一方面可以由峰值点精确定位出SB的起始点，这样就完成时间精确同步的工作。

3.2 物理层处理原理

GSM-R空口监测最终目的是监测车载和地面之间控制信令流程、C3车地用户之间传输的列控信息以及CIR语音信息等。为了实现上述目标，首先要得到各逻辑信道的burst数据，最重要的步骤就是物理层的数字信号处理过程。

由于不同逻辑信道采用的信道编解码方式不同，重点关注逻辑信道主要分为两类：一类是业务信道，包括TCH；一类是控制信道，包括FACCH、SACCH、BCCH、SDCCH等。

全速率语音信道（TCH/FS）以铁路C3列控系统传输的控制信息为安全数据，其安全性要求很高，均采用CSD传输模式。在该模式下，通过解码TCH的信道消息内容能够还原安全信息的内容。

慢速随路控制信道（FACCH）短消息业务使用该信道承载，通过解码FACCH信道内容还原短消息内容。

广播控制信道（BCCH）包含空中接口主要的无线网络参数，具体有网络识别参数、小区选择参数、系统控制参数和网络功能参数。按照系统消息类型划分有 1、2、2BIS、2TER、3、4、7、8。

独立专用控制信道（SDCCH）Um接口信令消息通过该逻辑信道承载，本系统主要监测的信令消息包括呼叫信令、切换信令、位置更新信令等。

慢速随路控制信道（SACCH）通过提取SACCH信道的信息，得到上下行测量报告内容并在此基础上绘制无线信号场强和质量分布以及信号强度与特定空间、位置环境的关系。除此以外SACCH信道上还包含系统消息5、5BIS、5TER、6。

由于在铁路上无论是业务信道还是控制信道都采用A5/0加密算法，也就是不加密的方式，所以译码方法总体上分为四步。

业务信道：第一步解调；第二步解交织；第三步卷积码译码；第四步循环码译码。

控制信道：第一步解调；第二步解交织；第三步卷积码译码；第四步法尔玛译码。

详细过程如表1所示。

表1 物理层译码过程

3.3 多载频多基站呼叫和切换信令关联

前面提到由于基站往往不只有单一的频点，多数有一个主BCCH载频和多个TCH载频构成。由于处理服务器对配置的频点全部时隙进行盲采集，移动台从空闲状态到呼叫建立后数据的传输，需要多个时隙共同配合完成一个用户呼叫过程的关联，这些时隙有可能分布在不同的载频上。因此需要通过软件解码信道消息内容，查询相关信令对应所在的信道号码，再将这些信道消息重新组合，完成对某个用户信令跟踪过程。具体实现方法如下。

1）首先确定下行主频0时隙的信道结构，根据已有数据中公共控制信道的值，确定一个BCCH复帧中CCCH消息块数。

2）等待CCCH块中消息有“立即指配”消息，如果不是，则不进行任何处理，如果是“立即指配”，则提取此消息的信道描述单元及移动配置单元，包括指配的信道类型、子信道号、时隙号等。

3）根据“立即指配”消息单元再结合系统消息提供的信息，计算出SDCCH对应的信道。

4）等待SDCCH信道的“CM业务请求”或“寻呼响应”或“位置更新请求”，找到移动台移动识别单元（IMSI或TMSI）。

5）等待SDCCH信道的“SETUP“消息，找出主叫或被叫的BCD号码。

6）SDCCH信道收到“指配命令”后，根据“指配命令”中信息单元跟踪对应的业务信道，包括TCH信道频点号、时隙号。

7）跟踪业务分配TCH信道，提取用户业务数据。除此以外通过偷帧标记判断FACCH信道位置，监控该信道。

8）一旦检测到“FACCH”信道上有“断开连接”消息，可以放弃此次分配信道的监测过程，同时回到SDCCH信道等待释放信令过程。

当列车发生切换时，从一个小区切换到另外一个小区，分属于不同的基站时，地面接收机只能跟踪到当前基站所属切换信令，需要处理服务器完成切换信令的接续。假设接收机1负责A基站下信息采集，接收机2负责B基站下信息采集，当列车从A基站切换到B基站时，接收机1存储下源小区的切出信令，接收机2存储下目标小区的切入信令，按照网络配置的正常切换顺序，把接收机1和接收机2的信令进行关联。

3.4 上行信道同步

在GSM-R网络中，为了避免移动台同时发射和接收，上行链路TDMA帧总是落后于下行链路TDMA帧3个BP，如图4所示。在进行GSM-R网络Um接口监测时，通过下行帧同步信道确定下行载频的时隙位置后，由于上行信道没有FCCH频率校正信道和SCH同步信道，需要根据上下行之间的3个burst的时间差推断上行信道时隙位置，然后进一步完成上行信道的解析过程。

4 试验测试及效果

为测试本系统是否具有可行性，特在实验室下搭建环境进行测试。测试环境如下：基站一套，配置BCCH频点1016，TCH频点1012。SAGEM测试手机一部模仿车载移动台。Um接口动态监测系统1套。

设定接收机的采集频率为934 MHz，对应频点为1016，利用Um接口监测系统解码burst信息如下。

2140260 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140264 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140271 0: 49 06 1b 90 04 64 f0 02 21 10 50 00 14 6c 65 48 b9 00 00 80 00 b0 5b

2140275 0: 05 06 20 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140281 0: 05 06 20 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140285 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140291 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140295 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140301 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140305 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140311 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140315 0: 15 06 21 00 01 f0 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140322 0: 31 06 1c 64 f0 02 21 10 65 48 b9 00 00 80 00 b2 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140326 0: 05 06 20 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

2140332 0: 05 06 20 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b 2b

为方便用户观察，将解码后的burst信息进行L2/L3层协议处理，转换为用户可以识别的信令消息，经过测试发现解析结果正确，如图5所示。

5 结论

本文研究基于GSM-R网络Um接口动态监测空口信令和数据原理和具体实现方案，提出一种可实现的网络搭建方案，针对该方案关键技术进行探讨和深入分析。通过实验室测试结果可知，采用本系统方案能够准确同步到需要监测的GSM-R网络，正确采样和解析Um接口消息，为下一阶段系统完善打下坚实的基础。

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