文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)07-0017-04
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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