GSM-R" title="GSM-R" target="_blank">GSM-R(Global System for Mobile Communication Railway)是國際鐵路聯盟為滿足歐洲21世紀鐵路一體化進程而推薦的歐洲鐵路專用移動通信系統。為加強對GSM-R系統的頻率監測和保護，維護GSM-R系統正常運行，保證鐵路運營安全，需建設GSM-R實時監測專用系統。目前絕大多數GSM-R監測系統都是以PC機為控制器，通過移動的監測車輛搭載復雜的監測設備對鐵路沿線的GSM-R信號進行監測，還需要加上機車記錄裝置。這種系統集成程度低，成本高，無法滿足當前監測系統對于實時性和準確性的要求。考慮到嵌入式系統的移動性和低成本的優勢，本文采用嵌入式GSM-R監測系統，由一個數據處理中心和20個監測終端組成，監測終端主要放置在鐵路沿線區域。借助于雙核處理器的高速運算來對GSM-R信號數據進行監測操作，提高了系統的效率。

1 系統組成
    本系統主要完成對GSM-R信號的受干擾情況進行實時監測，一旦發現信號受到干擾，則實時上報數據處理中心并進行監測結果的顯示和數據的存儲，為確保GSM-R系統的通信質量和鐵路運行安全提供保障。同時，數據處理中心能夠通過網絡向監測終端下達指令實現對監測終端的遠程控制操作，以及監測終端的復位、自檢和時間統一，確保監測終端能夠長時間正常運行。
    如圖1所示，GSM-R監測系統所采用的硬件平臺由一個數據處理中心及若干個監測終端組成。監測終端利用GSM-R網絡與數據處理中心進行數據通信。其中監測終端由數據采集模塊、雙核處理器以及4個調制解調器(MODEM)(GSM移動、GSM聯通、CDMA、GSM-R)等部分組成。

    雙核處理器采用TI公司的OMAP-L138，集成了300 MHz ARM926EJ-S內核及300 MHz C6748VLIW DSP核，借助于雙核處理器的高速運算來對GSM-R數據進行接收解析操作，效率較高。
    4個MODEM通過串口服務器與雙核處理器相連。系統在監測到GSM-R信號受到干擾時，會根據所受干擾類型的不同，通過Linux操作系統下發AT指令到相應的MODEM以獲取受干擾小區和干擾源小區的配置信息。
2 關鍵技術設計
2.1 硬件數據采集結構設計
    硬件數據采集結構設計如圖2所示。

    本系統監測GSM-R的頻率范圍是上行885～889 MHz頻段，GSM-R下行930～934 MHz頻段，GSM-R頻率信號通過高頻接收模塊，變頻后輸出70 MHz中頻信號，中頻信號經過數字下變頻的A/D采樣、變頻、濾波和速率轉化處理后輸出I&Q數字中頻信號，然后通過PCIe送入計算處理模塊中進行處理，直接上傳到雙核處理器中。雙核處理器把接收到的GSM-R數據進行干擾監測處理后，上傳處理結果到數據處理中心。
2.2 軟件系統結構設計
    監測系統軟件在嵌有OMAP-L138雙核處理器的平臺上開發，交叉編譯器為Sourcery G++ Lite 2009q1-203 for ARM GNU/Linux。本系統軟件流程：雙核處理器首先開機自檢，設備初始化成功后與數字處理中心建立連接，接收指令操作。首先監測終端對接收的網絡數據包進行長度、數據校驗位、標識位的判定，如果發現其中一個不正確，則雙核處理器向數據處理中心發送錯誤警告信息，要求數據處理中心重新發送指令并清除剛剛接收的錯誤網絡數據包，等待下一個網絡數據包的到來，直到判定無誤后再進行功能模塊判定。
    如圖3所示，本系統軟件主要分為3大功能模塊：監測控制模塊、數據處理模塊、數據解析模塊。如果為遠程控制監測終端指令，則進入監測控制模塊進行監測終端的管理操作；如果為干擾監測指令，則進入數據處理模塊進行干擾分析，并利用數據解析模塊確定受到干擾的GSM-R基站ID和對GSM-R信號造成干擾的基站ID，其中3個功能模塊利用多個線程協同工作，共同完成GSM-R監測功能，為鐵路人員排除干擾提供依據。

    信息類別碼：由信息種類和信息內容組成，信息種類用以說明監測站編號，0～20可選擇。信息內容分為兩部分：一部分是數據處理中心發送的內容，包括自檢操作、復位操作、時間同步操作；另一部分為雙核處理器發送的內容，主要包括干擾內容。
2.2.2 數據處理模塊設計
    通過硬件數據采集模塊可以得到GSM-R上下行信道的通信頻段數據，通過數據處理模塊進行GSM-R信號數據分析，如有干擾，則將數據按照自定義協議打包存儲，通過網絡發送至數據處理中心。
    如圖4所示，數據分析主要包括：(1)通過信噪分離算法，分離出異常信號和通信信號。(2)通過GSM-R干擾判定算法，判斷出當前GSM-R上、下行通信頻段底部噪聲和通信信號的受干擾情況。(3)通過數學方法，實時顯示當前信號的統計學特性。

    圖5中，GSM-R同頻干擾是指所有落到GSM-R通帶內的與有用信號頻率相同的無用信號的干擾，即指無用信號的載頻與有用信號的載頻相同，并對同頻有用信號的接收造成影響的干擾。當GSM-R基站布網不合理、頻率復用不當、頻率規劃或頻點設定不正確時，可能會引起同頻干擾。通過當前通信鏈路狀態模塊獲取GSM-R頻段的參數進行比對，若為GSM-R同頻干擾，則將數據按照自定義協議打包，迅速發出告警信息，通過網絡發送至數據處理中心。
    GSM基站干擾是指 GSM和GSM-R按地域共用一小段頻率。在直轄市和省會城市，GSM-R的覆蓋范圍小于鐵路兩側各2 km，其他地區小于鐵路兩側各6 km，如果這兩個網絡布局不理想就會產生干擾。通過當前通信鏈路狀態模塊獲取GSM頻段的參數進行比對，若為GSM基站干擾，則將數據按照自定義協議打包，迅速發出告警信息，通過網絡發送至數據處理中心。
    CDMA帶外干擾是指CDMA使用頻率范圍下行為870 MHz~880 MHz，與GSM-R的頻域范圍只有5 MHz的保護帶，且CDMA采用擴頻技術進行數據通信，所以只要CDMA系統的帶外信號落在GSM-R通帶范圍內且幅度達到一定值，就會對GSM-R信號產生干擾。通過參數比對，若為CDMA帶外干擾，則迅速發出告警信息并上傳數據處理中心。
    噪聲干擾和不明干擾也是不可避免的干擾。雙核處理器通過與預處理的模板參數比對確定干擾類型之后，將執行結果按照協議打包，通過網絡發送至數據處理中心；同時數據處理中心將收到的數據進行解析，匯總監測終端的實時監測結果，在電腦上顯示并存儲到數據庫，以便工作人員進行綜合處理，完成對監測終端的狀態和實時數據的監控。
2.2.3 數據解析模塊設計
    通過數據處理模塊可以判別出GSM-R同頻干擾、GSM干擾、CDMA帶外干擾、噪聲干擾和不明干擾。數據解析模塊的功能是根據干擾類型的不同，使用不同的MODEM來對小區信息進行解析，分析出受干擾小區和干擾源小區的配置參數。
    (1)受干擾小區參數解析
    利用GSM-R MODEM和數據處理模塊所得結果進行分析。首先，數據處理模塊返回GSM-R受到干擾的頻點，應用GSM-R基站發射信號中心頻率轉換公式求出該頻點對應的廣播控制信道號。具體轉換公式如下：
    上行：fl(n)=885 MHz+(n-999)×0.2 MHz
                999≤n≤1 019
    下行：fh(n)=930 MHz+(n-999)×0.2 MHz
                999≤n≤1 019
    啟動GSM-R MODEM執行小區信號強度掃描指令，求出該廣播控制信道號對應的載波配置，即確定對應的小區。接著執行小區掃描指令，求出監測終端所在服務小區和鄰近小區的信息，進行廣播控制信道號比對，進而確定受干擾小區的ID。
    (2)干擾源小區參數解析
    如圖6，雙核處理器通過控制各個MODEM進行串口操作來獲取干擾源基站的配置情況（包括基站ID、運營商編號、載波配置、BCCH載波信號強度等）。用戶可以根據監測終端報告的干擾類型、信號強度及信號解碼結果初步定位干擾源。同時將解析數據上傳數據處理中心。

3 結論
    對數據采集模塊采集的GSM-R頻段數據用軟件Cool Edit Pro V2.1觀察接收的數據波形情況，得到I/Q兩路數字中頻信號。圖7顯示了通過數據采集模塊接收的GSM-R時序的I/Q數字中頻信號。

    數據采集模塊接收GSM-R信號之后，監測終端能自動對GSM-R頻段進行實時監測，發現異常信號時上傳至數據處理中心。同時還能接收數據處理中心的遠程控制指令，完成遠程復位、自檢、時間同步等操作，方便數據處理中心對監測小站的管理。
    數據處理模塊通過簡單方便的判定方法完成對接收的GSM-R信號的監測和干擾分析判別，有效地提高了干擾識別的實時性。數據解析模塊通過4種MODEM完成對受干擾小區ID和干擾源小區ID的解析，可降低成本。
    本系統可以完成對GSM-R實時監測和干擾類型的預處理分類，以及解析出基站配置信息，使得分析干擾識別更具有針對性，能夠改善和優化GSM-R通信性能和質量，對于開發其他監測GSM-R系統有一定的參考價值。
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