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1、细心整理GSM-R 移动通信系统技术分析1 GSM-R网络介绍1.1概述目前，在我国高速铁路中，CTCS-3 级列车运行限制系统Chinese train control system-3 level,CTCS-3级开展快速，列车及地面之间通过GSM-R( GSM for Railway)网络实现连续、双向、大容量的平安数据通信，列车运行限制系统对平安的要求极为苛刻，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供应由固定自控端向移动自控端的数据传输效劳和及 GSM、PSTN、PDN、IP以及卫星等系统连接建立
2、效劳等，是铁路无线通信的综合效劳平台。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、限制信号传输、功能或位置寻址、调度模式选择、脱网互通等应用需求。1.2 GSM-R网络系统组成一个典型的 GSM-R 通信系统而言，根本上由网络子系统NSS, Network Sub-System、基站子系统BSS，Base Station Sub-system、运行及维护子系统OSS，Operation-Support System和终端设备MS，Mobile Station四个局部构成，其构造如图1-1所示。BSS局部包括基站限制器BSC和基站收发信台 BTS，其负责将 MS传输上来的信号经
3、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及移动性管理等相关职能。NSS 局部主要负责对面对用户数据、移动性以及网络连接等方面的管理，而OSS那么须要实现整个GSM-R 系统及工作人员之间的沟通和沟通 ，负责实现通信系统的可控性和易用性等目标。依据中国无线电管理委员会的规定，GSM-R的运用频率范围为上行 885 889 MHz，下行930 934MHz。GSM-R除了能供应一系列铁路语音通信业务外，还要能够传输及列车操作、限制和爱惜相关的指令，并且保证列车在 500 km/ h 的状况下仍能够进展高牢靠性、高接通率、高传输质量的通信。GSM-R 系统在列控系统的应
4、用中供应了透亮的无线数据传输通道，其非列车限制类数据传输业务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1-1 GSM-R系统组成2 GSM-R网络抗干扰技术分析随着我国无线电通信的飞速开展，铁路沿线的电磁环境已经变得特殊困难，存在着多种通信的干扰。2.1 GSM-R的干扰源l CDMA 带外干扰我国 CDMA 系统的下行频段为 870 880 MHz,及GSM-R 系统的上行频段之间只有 5 MHz 的爱惜带。CDMA 接受的是扩频通信技术，即
5、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，当其幅值到达必需值时，就会干扰到 GSM-R 通信，影响 GSM-R的通话质量。l GSM互调干扰我国 GSM 900M 频 段 的下行频段为935 960MHz，上行频段为890 915 MHz，及GSM-R 频段特殊接近，假如这两个网络系统布网不够志向，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，当其幅值到达必需值时，就会形成 GSM 互调干扰，影响GSM-R通信。l 高斯白噪
6、声干扰高斯白噪声是一种包含从负无穷到正无穷之间的全部频率重量，且各频率重量在信号中的权值一样的时变信号，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，紧要时会紧要影响 GSM-R 的正常通信。l 其他干扰实际通信中，还会存在由不志向布网造成的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。2.2 GSM-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、其次级变频器、A/ D 转换器、DSP 处理器组成,其组成框图如图2-1所示。图2-1 GSM-R监测系统硬件框图其中,高频接收模块用于
7、接收 GSM-R 信号并对信号进展放大处理,第一级变频器用于对信号进展变频操作,输出频率为 70 MHz 的中频信号,中频滤波器用于对信号进展滤波和调理,其次级变频器用于对信号进展二次变频,输出当前 GSM-R 信号的零中频 I Q信号,A/ D 转换器对信号进展模拟/ 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展干扰识别及判定。2.3 GSM-R干扰的识别方法l 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更的,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展比对。而 GSM-R 的频谱
8、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屡次实际测量后进展数据修正来生成模 板，也可以通过MATLAB / Simulink 来模拟生成模板,本文接受后者。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。l GMSK 调制模型的搭建本模型如图2-2所示，选用Bernoulli BinaryGenerator(伯努利二进制序列发生器) 模块产生原始输入信号；选用 GMSK
9、Modulator Baseband(基带 GMSK调制器)模块对原始输入信号进展 GMSK 调制；选Spectrum Scope(频谱仪)来显示 GMSK 调制后信号的频谱；选用 Complex to Real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 调制信号进展视察；选用To Workspace(输出至工作变量窗口)模块将 GMSK 数据导出到 Workspace。图2-2 GMSK调制模型l GSM-R 干扰的识别方法对于 GSM-R 的干扰识别,主要接受最根本的减法操作,处理效率高,识别速度快,其流程如图2-3所示。图2-3 GSM-R干扰识别流
10、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进展快速傅里叶变换，得到N点频域数据序列F，公式如下 1其中，为频域数据序列的第个数据，;为信号序列的第个数据，。2) 将频域数据序列分成通信信号和底部噪声两个序列,分别原那么如下:当时，存入底部噪声序列当时，存入通信信号序列其中: 数值为依据实际电磁状况设置的通信信号及底部噪声的分别阈值，通常取值为无业务信道在没有干扰状况下的底部噪声最大值；和为固定大小序列，体积均为，超出局部舍弃,缺乏局部补零。3) 计算底部噪声序列的平均值,判定当前底部噪声是否有干扰。当时，说明当前底部噪
11、声没有被干扰当时，说明当前底部噪声受到干扰其中，数值为依据实际电磁状况，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状况下的底部噪声的平均值。4) 将通信信号序列进展归一化，可以得到由个数据组成的归一化的通信信号序列，公式如下 2其中，为归一化的通信信号序列的第个数据，；为通信信号序列中的最大值。5) 将归一化的通信信号序列及标准信号频域模板序列的对应数据相减后取确定值,得到点，信号差值数据序列，公式如下 36) 将标准信号频域模板序列及归一化的通信信号序列做相互关计算,结果序列为。对标准信号频域模板做自相关,得到的自相关结果序列。7) 将所述的自相关结果序列的每一个数据及所述的
12、相互关结果序列的每一个数据相减后取确定值,得到点相关差值数据序列，公式如下： 4其中,为相关差值数据序列的第m个数据，。8) 分别求取和的最大值和，综合考察和，判定有没有干扰。a) 当 MS1C3 且 MS2C4 时,那么说明当前信号没有受到干扰。b) 其他状况,那么说明当前信号受到干扰。其中，数值、为依据实际电磁状况设置的阈值，、的取值干脆关系到干扰识别的灵敏度，,，其中为标准信号频域模板的最大值，为标准信号频域模板的平均值；、的取值越小,灵敏度越高。对于 GSM-R 干扰的干扰类型判定,分为对底部噪声局部干扰类型的判定和对通信信号局部的判定。3 GSM- 越区切换分析在高速铁路环境下， 蜂
13、窝小区沿铁路途路途状覆盖，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- 网络接受的是硬切换技术， 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，影响行车平安。因此， 为保证 CTCS 系统传输牢靠性和有效性， 迫切须要对越区切换成功率进展分析。3.1 GSM-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，新的链路必需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 接必需删除和释放，以使得用户的通话能够接着 ，是保证用户在移动通信系统 中具有移动性的必不行少的方法。通过上面的网络构造分析
14、可知，遵照列车行进方向，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。遵照切换触发的条件将越区切换分为正常切换、紧急迫换、负荷切换、快速移动切换、同心圆切 换五类。参及切换过程中的设备包括移动台MS、基站收发器BTS、基站限制器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限制器；BTS负责监视 每个被效劳移动台的上行承受电平，以及监测闲谈务信道的干扰电平；BSC那么负责依据这些信息报告进展处理，并对四周小区进展比拟排队以及做出切换判决；MSC负责参及BSC间越区切换的目标小区
15、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依据测量结果及门限值比拟，判定移动台是否须要切换；选择是网络侧从切换相邻小区列表中选择一个最正确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支配、激活一个新的信道，并且叮嘱移动台切换到新的信道上进展效劳。1. 测量过程在GSM-R系统中，越区切换的判决触发是依据车载移动台和基站测量的报告而进展的。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状况，并且分别生成测量报告。在车载移动台侧，通过测量网络的效劳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、功率限制和是否运用DTX不连续发送的状况，以及相邻小区有关接收性能的测量结果。在基站侧，通过对当前小区的上行链路的接收电平ReLevUL、当前小区的上行链路接收质量RxQualUL、未指配时隙的干扰电平、TA值，测量周期及移动台侧一样。
