铁路中GSM-R关键技术分析

GSM-R移动通信系统技术分析1GSM-R网络介绍1.1概述目前，在我国高速铁路中，CTCS-3级列车运行控制系统（Chinesetraincontrolsystem-3level,CTCS-3级）发展迅速，列车与地面之间通过GSM-R(GSMforRailway)网络实现连续、双向、大容量的安全数据通信，列车运行控制系统对安全的要求极为苛刻，一旦失效将引起重大事故以及财产和生命损失。GSM-R网络除了承载标准的GSM业务外，还具有集群通信功能，可用于向铁路通信系统提供由固定自控端向移动自控端的数据传输服务和与GSM、PSTN、PDN、IP以及卫星等系统连接建立服务等，是铁路无线通信的综合服务平台。该网络可以有效满足铁路沿线及列车人员之间的语音通信、数据传输、控制信号传输、功能或位置寻址、调度模式选择、脱网互通等应用需求。1.2GSM-R网络系统组成一个典型的GSM-R通信系统而言，基本上由网络子系统（NSS,NetworkSub-System）、基站子系统（BSS，BaseStationSub-system）、运行与维护子系统（OSS，Operation-SupportSystem）和终端设备（MS，MobileStation）四个部分构成，其结构如图1-1所示。BSS部分包括基站控制器BSC和基站收发信台BTS，其负责将MS传输上来的信号经由BTS实现无线通信中继，并交由BSC处理和实现区域内的无线电资源管理与移动性管理等相关职能。NSS部分主要负责对面向用户数据、移动性以及网络连接等方面的管理，而OSS则需要实现整个GSM-R系统与工作人员之间的交流和沟通，负责实现通信系统的可控性和易用性等目标。根据中国无线电管理委员会的规定，GSM-R的使用频率范围为上行885~889MHz，下行930~934MHz。GSM-R除了能提供一系列铁路语音通信业务外，还要能够传输与列车操作、控制和保护相关的指令，并且保证列车在500km/h的情况下仍能够进行高可靠性、高接通率、高传输质量的通信。GSM-R系统在列控系统的应用中提供了透明的无线数据传输通道，其非列车控制类数据传输业务QoS指标主要包括端到端呼叫建立时间、最大端到端时延、平均端到端时延、数据速率、呼叫建立失败率、越区切换成功率和越区切换中断时间等，其中越区切换成功率和越区切换中断时间是越区切换技术关键指标。图1-1GSM-R系统组成2GSM-R网络抗干扰技术分析随着我国无线电通信的飞速发展，铁路沿线的电磁环境已经变得非常复杂，存在着多种通信的干扰。2.1GSM-R的干扰源CDMA带外干扰我国CDMA系统的下行频段为870~880MHz,与GSM-R系统的上行频段之间只有5MHz的保护带。CDMA采用的是扩频通信技术，即把信号的频谱扩展到一个更宽的频带中去。所以CDMA系统的带外信号有可能会落在GSM-R通带范围内，当其幅值达到一定值时，就会干扰到GSM-R通信，影响GSM-R的通话质量。GSM互调干扰我国GSM900M频段的下行频段为935~960MHz，上行频段为890~915MHz，与GSM-R频段非常接近，如果这两个网络系统布网不够理想，导致两个或多个GSM信号作为干扰信号同时加到GSM-R接收机时，由于非线性的作用，这些干扰信号的组合频率有时会恰好等于或接近GSM-R信号频率，当其幅值达到一定值时，就会形成GSM互调干扰，影响GSM-R通信。高斯白噪声干扰高斯白噪声是一种包含从负无穷到正无穷之间的所有频率分量，且各频率分量在信号中的权值相同的时变信号，当高斯白噪声的功率超过接收机的灵敏度时，会抬高接收机底噪，严重时会严重影响GSM-R的正常通信。其他干扰实际通信中，还会存在由不理想布网造成的GSM-R同频干扰、相邻信道间的邻频干扰、非法运营基站及大功率天线造成的非法干扰等影响GSM-R正常通信的干扰存在。2.2GSM-R监测系统硬件框图系统硬件由天线、高频接收模块、第一级变频器、中频滤波器、第二级变频器、A/D转换器、DSP处理器组成,其组成框图如图2-1所示。图2-1GSM-R监测系统硬件框图其中,高频接收模块用于接收GSM-R信号并对信号进行放大处理,第一级变频器用于对信号进行变频操作,输出频率为70MHz的中频信号,中频滤波器用于对信号进行滤波和调理,第二级变频器用于对信号进行二次变频,输出当前GSM-R信号的零中频I\Q信号,A/D转换器对信号进行模拟/数字转换,并将输出的数字信号送入DSP处理器,DSP调用存储器中的信号频域模板进行干扰识别与判定。2.3GSM-R干扰的识别方法GSM-R的信号模板GSM-R时域信号是随着调制信息的不同而变化的,发送不同的信息，其时域信号是不同的，所以GSM-R的时域信号不能够作为信号模板来进行比对。而GSM-R的频谱是相对稳定的,当发送不同信息时，其频谱包络近乎恒定，所以可以视其频域波形为GSM-R的信号模板。GSM-R的信号频域模板可以通过多次实际测量后进行数据修正来生成模板，也可以通过MATLAB/Simulink来模拟生成模板,本文采用后者。由于GSM-R是基于GSM的一种通信方式，而GSM的调制方法为GMSK，所以可以通过用Simulink来搭建一个标准的GMSK调制模型来生成和模拟GSM-R信号。GMSK调制模型的搭建本模型如图2-2所示，选用BernoulliBinaryGenerator(伯努利二进制序列发生器)模块产生原始输入信号；选用GMSKModulatorBaseband(基带GMSK调制器)模块对原始输入信号进行GMSK调制；选SpectrumScope(频谱仪)来显示GMSK调制后信号的频谱；选用ComplextoReal鄄Imag(复数转实部-虚部)模块将复数输入转为实部和虚部输出，以便于对GMSK调制信号进行观察；选用ToWorkspace(输出至工作变量窗口)模块将GMSK数据导出到Workspace。图2-2GMSK调制模型GSM-R干扰的识别方法对于GSM-R的干扰识别,主要采用最基本的减法操作,处理效率高,识别速度快,其流程如图2-3所示。对采样信号FFT设置阀值C1是否大于C1判为通信信号判为底部噪声将信号归一化计算底部噪声平均值与信号频域模板做差值运算与信号1频域模板做互相关对运算结果取绝对值信号频域模板做自相关取最大值MS1设置阀值C3互相关结果与自相关结果做差值运算对运算结果取果取绝对值取最大值MS1设置阀值C3是否同时满足MS1C3MS2C4识别为通信信号未受到干扰识别为通信信号受到干扰设置阀值C2判断是否小于C2识别为底部噪声未受到干扰识别为底部噪声受到干扰YNYN图2-3GSM-R干扰识别流程对应图2-3中的步骤,具体流程如下：1)取N(本文中N=512)个GSM-R采样数据组成的信号序列V，对V进行快速傅里叶变换，得到N点频域数据序列F，公式如下210iNjknkiiFVe（1）其中，kF为频域数据序列F的第k个数据，0,1,2,...1kN;iV为信号序列V的第i个数据，0,1,2,...,1iN。2)将频域数据序列F分成通信信号S和底部噪声D两个序列,分离原则如下:当1kFC时，kF存入底部噪声序列D当1kFC时，kF存入通信信号序列S其中:数值1C为根据实际电磁情况设置的通信信号与底部噪声的分离阈值，通常取值为无业务信道在没有干扰情况下的底部噪声最大值；D和S为固定大小序列，体积均为2N，超出部分舍弃,不足部分补零。3)计算底部噪声序列D的平均值AVRD,判断当前底部噪声是否有干扰。当2AVRDC时，说明当前底部噪声没有被干扰当~kKSSM时，说明当前底部噪声受到干扰其中，数值2C为根据实际电磁情况，设置的底部噪声干扰识别阈值，通常取值为无业务信道在没有干扰情况下的底部噪声的平均值。4)将通信信号序列S进行归一化，可以得到由2N个数据组成的归一化的通信信号序列，公式如下~kKSSM（2）其中，~KS为归一化的通信信号序列~S的第k个数据，0,1,2...12Nk；M为通信信号序列S中的最大值。5)将归一化的通信信号序列~S与标准信号频域模板序列Std的对应数据相减后取绝对值,得到2N点，信号差值数据序列1Sub，公式如下~1kkkSubSStd（3）6)将标准信号频域模板序列Std与归一化的通信信号序列~S做互相关计算,结果序列为COV。对标准信号频域模板Std做自相关,得到Std的自相关结果序列AUT。7)将所述的自相关结果序列AUT的每一个数据与所述的互相关结果序列COV的每一个数据相减后取绝对值,得到N点相关差值数据序列2Sub，公式如下：2mmmSubAUTCOV（4）其中,2mSub为相关差值数据序列2mSub的第m个数据，0,1,2,...1mN。8)分别求取1Sub和2Sub的最大值1MS和2MS，综合考察1MS和2MS，判断有没有干扰。a)当MS1C3且MS2C4时,则表明当前信号没有受到干扰。b)其他情况,则表明当前信号受到干扰。其中，数值3C、4C为根据实际电磁情况设置的阈值，3C、4C的取值直接关系到干扰识别的灵敏度，30,2BCA,40,2BCA，其中A为标准信号频域模板Std的最大值，B为标准信号频域模板Std的平均值；3C、4C的取值越小,灵敏度越高。对于GSM-R干扰的干扰类型判定,分为对底部噪声部分干扰类型的判定和对通信信号部分的判定。3GSM-Ｒ越区切换分析在高速铁路环境下，蜂窝小区沿铁路线路线状覆盖，每一个小区覆盖范围较小，列车穿越小区交界时，切换频繁；而GSM-Ｒ网络采用的是硬切换技术，在旧链路断开之后和新链路建立之前的一段时间里通信是中断的，使列车无法实时更新列控信息，影响行车安全。因此，为保证CTCS系统传输可靠性和有效性，迫切需要对越区切换成功率进行分析。3.1GSM-R越区切换原理越区切换是指当用户从一个小区的覆盖范围移动到另外一个小区的覆盖围时，新的链路必须在用户和新的小区之间建立，而用户和旧的小区之间的链路连接必须删除和释放，以使得用户的通话能够继续，是保证用户在移动通信系统中具有移动性的必不可少的方法。通过上面的网络结构分析可知，按照列车行进方向，GSM-R网络的越区切换有三类：BSC内越区切换、BSC间越区切换和MSC间越区切换。按照切换触发的条件将越区切换分为正常切换、紧急切换、负荷切换、快速移动切换、同心圆切换五类。参与切换过程中的设备包括移动台MS、基站收发器BTS、基站控制器BSC、和移动交换中心MSC。其中MS负责测量无线子系统下行链路性能和邻居小区的信号强度和信号质量并将所收集的信息上传给基站控制器；BTS负责监视每个被服务移动台的上行接受电平，以及监测闲话务信道的干扰电平；BSC则负责根据这些信息报告进行处理，并对周围小区进行比较排队以及做出切换判决；MSC负责参与BSC间越区切换的目标小区的确定以及MSC间越区切换的信息交互。越区切换可分为四个阶段：测量、触发、选择和执行。测量是指基站和移动台测量上下行信号质量；触发是指BSC或者MSC根据测量结果与门限值比较，判断移动台是否需要切换；选择是网络侧从切换相邻小区列表中选择一个最佳小区作为切换目标小区或者选取指定的小区作为目标小区：执行过程是指在目标小区上分配、激活一个新的信道，并且命令移动台切换到新的信道上进行服务。1.测量过程在GSM-R系统中，越区切换的判决触发是根据车载移动台和基站测量的报告而进行的。车载移动台测量的是其接收到的下行链路的信道环境，基站测量的上行信道情况，并且分别生成测量报告。在车载移动台侧，通过测量网络的服务小区下行链路接收信号电平（ReLevDL）和质量（RxQuaLDL）以及相邻小区的BCCH信道上的接收电平（RXLEV_NCELL(n)），移动台每个约480s时间通过SACCH信道将测量结果报告给网络，包括本小区的接收电平、信号质量、TA值、功率控制和是否使用DTX（不连续发送）的情况，以及