GSM-R無線網絡監測系統高速跟蹤及動態流控技術的探討

蘇 軒 中國鐵路上海局集團有限公司保衛部

1 技術原理探討

研發的新系統可以對GSM-R 通信系統的無線頻譜、空口交互信令以及空口語音和數據業務進行監測、存儲、分析，實現對車載設備和GSM-R 網絡設備的重要分界接口-空中接口的全面監控，及時處理網絡設備出現的各種告警信息和故障，做到真正的“主動性”的預防，其關鍵技術包含：

（1）高速移動跟蹤技術：本系統的采集設備在接收端增加了特有多普勒頻移估計與校正模塊，并且采用高精度的時鐘算法從接收的數字信號中提取同步信號用作信道估計和多普勒頻移修正，從而保障準確跟蹤GMS-R 通信系統空中接口的信號。

（2）關鍵算法的SIMD（單指令多數據）優化：通過單個指令同時操作多個數據，從而減少指令周期數，提高運算速度，獲得更高的性能。在使用平臺軟件實現物理層基帶算法模塊時，需要充分考慮到SIMD 指令集的能力和CPU 架構的特點，從算法、數據、代碼等層次進行了設計和優化。

（3）采用動態流控技術確保多臺采集設備的數據完整性：該監控系統需要在各個基站部署采集設備，因此采集設備所采集的大量空口接口數據可能在數據服務端造成阻塞從而導致丟包。本系統采用了專利的流控技術，實時計算各個采集設備的數據量，并動態調整各個采集設備的端口流量，當發送或接收的數據緩沖區出現溢出時將阻塞信號發送給源地址，從而實現動態精準流控，避免了在話務忙時的采集設備發送大量數據沖擊整個系統，保證整個系統穩定可靠運行。

（4）采用信令及數據業務的特有關聯算法：對于切入的用戶是無法直接識別用戶的IMSI 或MSISDN，但業務信道本身所攜帶的無線信道信息和業務層信息具備相關性。當用戶在進行列控數據交互時在應用層發送的信息包含了機車信息，因此通過解碼TCH 的業務層信息特別是應用層的關鍵字段-車載ETCS 設備的標識號就可以識別機車信息，而機車信息可以與TCH的無線信道信息進行匹配。

（5）分組域空口數據的解析：分組域（GPRS）數據解析的設計基于軟件無線電技術 ，硬件由射頻前端和通用處理平臺組成，數據傳輸采用pcie 數據接口。射頻全段采用超外差設計，保證了寬帶接收下的動態范圍和靈敏度。分組域數據的物理層及高層的解碼在通用處理平臺實現，使用c++語言，其中物理層解碼采用了SIMD（Single Instruction Multiple Data）技術進行了算法優化，對寬帶數據進行并行處理，極大了加快了物理層處理效率。

2 運用環境探討

研發GMS-R 無線網絡監測系統采集單元的工作頻率為930～954 MHz / 885-909 MHz；接收及帶寬：接收頻段內的任意兩段25 MHz，可軟件配置；頻率穩定性為±0.5 ppm；接收機誤碼率小于10-7，靈敏度不小于-110 dBm；天線輸入阻抗小于50 ?，硬件設備功耗小于40 W。

系統在采集設備部分與現有基站系統共用鐵塔和機房，并且利用既有傳輸端口或數據網進行數據傳輸，因此在系統的部署過程中將無需額外進行基礎設施建設，此外系統的所有接口均不與既有GSM-R 設備進行物理連接，因此在安裝和使用過程中不會影響任何GSM-R設備的運行。

降低GSM-R 網絡的維護和優化工作成本是探討研究的目標之一，采用該系統后將減少GSM-R 維護單位在進行故障排查時的測試設備指出和現場人力資源支出，并且系統將大幅提高故障分析和定位的效率，避免故障分析和定位中大量重復性工作，這些方面都將有效降低GSM-R 網絡維護工作的成本，相對于人力資源的手動分析具備更高的投入性價比。

3 研究方法的探討

系統可以通過接收GSMR 網內的上下行信號，對空中傳輸的射頻信號經天線單元、射頻單元接收后，進行基帶系統信號處理，并通過專業軟件進行協議棧解析。頻譜監測功能時通過射頻單元對GSM-R 以及GSM 上下行頻段進行掃頻，并且將掃頻的結果匯總。通過實時掃描當前小區下的所有頻率和所有時隙的所有業務來保障數據跟蹤的完整性，實現呼叫的自動跟蹤。同時系統采集設備所采集的大量空口數據可能在數據服務器造成阻塞從而導致丟包。系統采用了專利的流控技術，實時計算各個采集設備的數據量，并動態調整各個采集設備的端口流量，當發送或接收的數據緩沖區出現溢出時將阻塞信號發送給源地址，從而實現動態精準流控，避免了在話務忙時的采集設備發送大量數據沖擊整個系統，保證整個系統穩定可靠運行。

4 實驗方法的探討

系統架構內容如圖1所示，主要包括GMS-R 空中接口的數據采集（包含電路域及分組域數據），數據存儲以及數據處理三大部分，其中數據采集單元分為頻率掃描數據采集模塊以及GSM-R 空口信號采集模塊兩部分。其中監測設備部分是本系統的總要組成部分，其硬件組成如圖2所示。

圖1 系統架構圖

圖2 監測設備的組成圖

（1）射頻單元：該部分是系統的基礎工作單元，主要負責頻譜數據采集，產生射頻信號通道，自動搜索本小區的所有頻率和時隙并進行接收。

（2）數據采集單元：數據采集單元包括射頻中頻信號的變頻、解調、均衡、去交織等，并將生成的數據傳送給處理器單元。

（3）處理器單元：主要負責數據的信道解碼、信源解碼、信令和業務識別、數據封裝等功能，并且將封裝后的數據通過傳輸網路發給數據庫中心。此外處理器單元也設有本地存儲單元存儲一定時期的原始數據

平臺的軟件系統實現兩個基本功能，一是接收系統硬件數據并儲存，二是承載系統軟件平臺，完成數據分析、數據回放以及綜合作業管理。軟件系統按照功能架構分為數據層、服務層和應用層等3部分，如圖3所示。

5 成果應用探討

此次探討研究是對GSM-R 基站設備的無線頻譜、空口交互信令以及空口語音和數據業務進行監測、存儲、分析，實現對車載設備和GSM-R 網絡設備的重要分界接口-空中接口的全面監控，同時實現GSM-R 鐵路通信系統的動態的干擾監控，及時處理網絡設備出現的各種告警信息和故障，做到“主動性”的預防。通過系統實現GSM-R 基站設備的無線頻譜、空口交互信令以及空口語音和數據業務進行監測、存儲、分析，實現對車載設備和GSM-R 網絡設備的重要分界接口-空中接口的全面監控。通過自主研發完全滿足于鐵路數據的安全保密性要求；且系統完全獨立運行，系統建設對鐵路其他通信設備和鐵路通信在用業務無任何影響。

此次探討研究的技術具備現實應用價值，圍繞GSM-R通信監測設備領域，根據智能化監測發展需求，以鐵路通信段為應用測試點，解決應用困難和完成測試后具有全路推廣的前景。