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基于嵌入式GSM-R的監(jiān)測系統(tǒng)研究
來源:電子技術應用2013年第7期
褚丹丹,賽景波
北京工業(yè)大學 電子信息與控制工程學院,北京100124
摘要: 目前絕大多數(shù)GSM-R數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置是以PC機為控制器,通過移動監(jiān)測車輛搭載復雜的設備對鐵路沿線的GSM-R信號進行監(jiān)測。針對此狀提出了一種以OMAP-L138作為嵌入式微處理器的GSM-R便攜式數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用GSM-R網(wǎng)絡,通過監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)采集模塊接收GSM-R數(shù)字中頻信號,數(shù)據(jù)處理模塊完成GSM-R數(shù)字中頻信號的監(jiān)測和干擾分析。若存在干擾,數(shù)據(jù)解析模塊則解析出受干擾小區(qū)ID和干擾源小區(qū)ID,使分析干擾更具有針對性。該系統(tǒng)體積小,功能豐富,操作控制方便,具有廣闊的前景。
中圖分類號: TN98
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)07-0017-04
Research on monitoring system based on embedded GSM-R
Chu Dandan,Sai Jingbo
College of Eletronic Information and Control Engineering, Beijing University of Technology,Beijing 100124,China
Abstract: At present, most of the GSM-R data monitoring device takes the PC as its controller, to monitor railway GSM-R signal through the mobile monitoring vehicles equipped with sophisticated equipment. This paper puts forward a kind of the GSM-R portable data monitoring system,which take OMAP-L138 as embedded microcontroller processor.This system receives the GSM-R digital intermediate frequency signal through the monitoring terminal data acquisition module with GSM-R network, data processing module completes GSM-R digital intermediate frequency signal monitoring and interference analysing. If there is the interference,then data analysis module resolves the interference cell ID and interference sources cell ID. It makes analysis of interference more targeted.The system has the advantages of small size, rich functions, and convenient control. It has broad prospects.
Key words : embedded Linux;GSM-R;monitoring system;CDMA;GSM

    GSM-R" title="GSM-R" target="_blank">GSM-R(Global System for Mobile Communication Railway)是國際鐵路聯(lián)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(tǒng)。為加強對GSM-R系統(tǒng)的頻率監(jiān)測和保護,維護GSM-R系統(tǒng)正常運行,保證鐵路運營安全,需建設GSM-R實時監(jiān)測專用系統(tǒng)。目前絕大多數(shù)GSM-R監(jiān)測系統(tǒng)都是以PC機為控制器,通過移動的監(jiān)測車輛搭載復雜的監(jiān)測設備對鐵路沿線的GSM-R信號進行監(jiān)測,還需要加上機車記錄裝置。這種系統(tǒng)集成程度低,成本高,無法滿足當前監(jiān)測系統(tǒng)對于實時性和準確性的要求。考慮到嵌入式系統(tǒng)的移動性和低成本的優(yōu)勢,本文采用嵌入式GSM-R監(jiān)測系統(tǒng),由一個數(shù)據(jù)處理中心和20個監(jiān)測終端組成,監(jiān)測終端主要放置在鐵路沿線區(qū)域。借助于雙核處理器的高速運算來對GSM-R信號數(shù)據(jù)進行監(jiān)測操作,提高了系統(tǒng)的效率。

1 系統(tǒng)組成
    本系統(tǒng)主要完成對GSM-R信號的受干擾情況進行實時監(jiān)測,一旦發(fā)現(xiàn)信號受到干擾,則實時上報數(shù)據(jù)處理中心并進行監(jiān)測結果的顯示和數(shù)據(jù)的存儲,為確保GSM-R系統(tǒng)的通信質量和鐵路運行安全提供保障。同時,數(shù)據(jù)處理中心能夠通過網(wǎng)絡向監(jiān)測終端下達指令實現(xiàn)對監(jiān)測終端的遠程控制操作,以及監(jiān)測終端的復位、自檢和時間統(tǒng)一,確保監(jiān)測終端能夠長時間正常運行。
    如圖1所示,GSM-R監(jiān)測系統(tǒng)所采用的硬件平臺由一個數(shù)據(jù)處理中心及若干個監(jiān)測終端組成。監(jiān)測終端利用GSM-R網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)處理中心進行數(shù)據(jù)通信。其中監(jiān)測終端由數(shù)據(jù)采集模塊、雙核處理器以及4個調制解調器(MODEM)(GSM移動、GSM聯(lián)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(shù)據(jù)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(tǒng)在監(jiān)測到GSM-R信號受到干擾時,會根據(jù)所受干擾類型的不同,通過Linux操作系統(tǒng)下發(fā)AT指令到相應的MODEM以獲取受干擾小區(qū)和干擾源小區(qū)的配置信息。
2 關鍵技術設計
2.1 硬件數(shù)據(jù)采集結構設計

    硬件數(shù)據(jù)采集結構設計如圖2所示。

    本系統(tǒng)監(jiān)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(jīng)過數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)進行干擾監(jiān)測處理后,上傳處理結果到數(shù)據(jù)處理中心。
2.2 軟件系統(tǒng)結構設計
    監(jiān)測系統(tǒng)軟件在嵌有OMAP-L138雙核處理器的平臺上開發(fā),交叉編譯器為Sourcery G++ Lite 2009q1-203 for ARM GNU/Linux。本系統(tǒng)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(shù)字處理中心建立連接,接收指令操作。首先監(jiān)測終端對接收的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包進行長度、數(shù)據(jù)校驗位、標識位的判定,如果發(fā)現(xiàn)其中一個不正確,則雙核處理器向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送錯誤警告信息,要求數(shù)據(jù)處理中心重新發(fā)送指令并清除剛剛接收的錯誤網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包,等待下一個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)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(tǒng)軟件主要分為3大功能模塊:監(jiān)測控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)解析模塊。如果為遠程控制監(jiān)測終端指令,則進入監(jiān)測控制模塊進行監(jiān)測終端的管理操作;如果為干擾監(jiān)測指令,則進入數(shù)據(jù)處理模塊進行干擾分析,并利用數(shù)據(jù)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(xié)同工作,共同完成GSM-R監(jiān)測功能,為鐵路人員排除干擾提供依據(jù)。

    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(jiān)測站編號,0~20可選擇。信息內容分為兩部分:一部分是數(shù)據(jù)處理中心發(fā)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(fā)送的內容,主要包括干擾內容。
2.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊設計
    通過硬件數(shù)據(jù)采集模塊可以得到GSM-R上下行信道的通信頻段數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)處理模塊進行GSM-R信號數(shù)據(jù)分析,如有干擾,則將數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議打包存儲,通過網(wǎng)絡發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心。
    如圖4所示,數(shù)據(jù)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(shù)學方法,實時顯示當前信號的統(tǒng)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(wǎng)不合理、頻率復用不當、頻率規(guī)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(tài)模塊獲取GSM-R頻段的參數(shù)進行比對,若為GSM-R同頻干擾,則將數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議打包,迅速發(fā)出告警信息,通過網(wǎng)絡發(fā)送至數(shù)據(jù)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(qū)小于鐵路兩側各6 km,如果這兩個網(wǎng)絡布局不理想就會產(chǎn)生干擾。通過當前通信鏈路狀態(tài)模塊獲取GSM頻段的參數(shù)進行比對,若為GSM基站干擾,則將數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議打包,迅速發(fā)出告警信息,通過網(wǎng)絡發(fā)送至數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信,所以只要CDMA系統(tǒng)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(chǎn)生干擾。通過參數(shù)比對,若為CDMA帶外干擾,則迅速發(fā)出告警信息并上傳數(shù)據(jù)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(shù)比對確定干擾類型之后,將執(zhí)行結果按照協(xié)議打包,通過網(wǎng)絡發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心;同時數(shù)據(jù)處理中心將收到的數(shù)據(jù)進行解析,匯總監(jiān)測終端的實時監(jiān)測結果,在電腦上顯示并存儲到數(shù)據(jù)庫,以便工作人員進行綜合處理,完成對監(jiān)測終端的狀態(tài)和實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控。
2.2.3 數(shù)據(jù)解析模塊設計
    通過數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)解析模塊的功能是根據(jù)干擾類型的不同,使用不同的MODEM來對小區(qū)信息進行解析,分析出受干擾小區(qū)和干擾源小區(qū)的配置參數(shù)。
    (1)受干擾小區(qū)參數(shù)解析
    利用GSM-R MODEM和數(shù)據(jù)處理模塊所得結果進行分析。首先,數(shù)據(jù)處理模塊返回GSM-R受到干擾的頻點,應用GSM-R基站發(fā)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(zhí)行小區(qū)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(qū)。接著執(zhí)行小區(qū)掃描指令,求出監(jiān)測終端所在服務小區(qū)和鄰近小區(qū)的信息,進行廣播控制信道號比對,進而確定受干擾小區(qū)的ID。
    (2)干擾源小區(qū)參數(shù)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(jù)監(jiān)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(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)處理中心。

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

    數(shù)據(jù)采集模塊接收GSM-R信號之后,監(jiān)測終端能自動對GSM-R頻段進行實時監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)異常信號時上傳至數(shù)據(jù)處理中心。同時還能接收數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理中心對監(jiān)測小站的管理。
    數(shù)據(jù)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(jiān)測和干擾分析判別,有效地提高了干擾識別的實時性。數(shù)據(jù)解析模塊通過4種MODEM完成對受干擾小區(qū)ID和干擾源小區(qū)ID的解析,可降低成本。
    本系統(tǒng)可以完成對GSM-R實時監(jiān)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(yōu)化GSM-R通信性能和質量,對于開發(fā)其他監(jiān)測GSM-R系統(tǒng)有一定的參考價值。
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