铁路中GSM-R关键技术分析全解

1、GSM-R移动通信系统技术分析iiJ1 GSM-R网络介绍1.1概述目前，在我国高速铁路中，CTCS-3级列车运行控制系统(Chinese train control system-3 level,CTCS-3级)发展迅速，列车与地面之间通过GSM-R( GSM for Railway) 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

2、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。1.2 GSM-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, Network Sub-System)、基站子系统(BSS，Base Station Sub-system)、运行与维护子系 统(OSS，Operation-Support System)和终端设备(MS，Mobile Station)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

3、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885 889 MHz，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500 km/ 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

4、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。131- DE 接口图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。2.1 GSM-R的干扰源CDMA带外干扰我国CDMA系统的下行频段为870 880 MHz，与GSM-R系统的上行频段 之间只有5 MHz的保护带。CDMA采用

5、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GSM 900M频 段 的下行频段为935 960MHz，上行频段为890 915 MHz，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

6、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。2.2 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、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。高频接收模块第1级 变频器中频 滤波器4第2级 变频器A/D 转换器一 Br

7、DSP 处理器图2-1 GSM-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70 MHz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。2.3 GSM-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

8、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Bernoulli BinaryGenerator（伯努利二进制序列发生 器）模块产生原始输入

9、信号；选用GMSK Modulator Baseband（基带GMSK调制器） 模块对原始输入信号进行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调制信号进行观察；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GSM-R干扰的识别方法图2-3 GSM-R干扰识别流程对于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

10、。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i=0V.e-J nk Ii（1）其中，Fk为频域数据序列F的第k个数据，k = 0,1,2,.N-1;Vi 信号序列V的第i个数据，i = 0,1,2,.,N-1。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F C1时，Fk存入通信信号序列s其中：数值C1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5为固定大小序列，体积均为N，超出部分

11、舍弃，不足部分补零。23）计算底部噪声序列。的平均值。人质，判断当前底部噪声是否有干扰。当Dav C2时，说明当前底部噪声没有被干扰当SK = M时，说明当前底部噪声受到干扰其中，数值C 2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N个数据组成的归一化的通2信信号序列，公式如下SS =（2）K M其中，SK为归一化的通信信号序列S的第k个数据，k = 0,1,2J-1 ；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N点，

12、信号差值数据序列Sub1，公式如下2Sub1k=S Stdk k（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COU。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Sub2， 公式如下：Sub2 = |AUT -COV |（4）其中,SUb 2 m为相关差值数据序列SUb 2 m的第m个数据，小=0，1，2，N-1。8）分别求取Sub1和Sub2的最大值MS1和MS2，综合考察MS1和MS 2，判断有没有干

13、扰。a）当MS1C3且MS2 msRangMax时，就可以触发距离切换，其中MS _ BS _ dis tan ce表示车载移动台和基站之间的距离，msRangMax表示移动台和基站之间允许最大距离。4) 功率估计切换为了使移动用户将通话永远建立在接收电平最高的小区上，在移动台穿过 两小区的边界时，如果BSC根据移动台的测量报告发现某邻居小区的接收电平 满足一定的要求，就将触发到该小区的功率预算切换。移动台穿越小区边界的时 候，如果BSC根据移动台测量结果发现邻小区电平满足移动要求，即触发功率预 算切换。其判决公式为：PBGT(n) hoM arg in(n) 0(3-2)满足式(3-2)并且

14、PBGT(n)最高的小区作为越区切换的目标小区，其中hoM argin(n)为对应邻小区的切换门限，是在邻小区切换参数中定义，用来控制 不同小区切换难度，预防当服务小区接收电平和邻小区接收电平接近时候引起的 乒乓切换效应。正常的话，功率预算切换次数占到切换总数的70 %以上。该类 切换作为越区切换中的主要方式，因此在后面的讨论中都基于这类切换进行研 究。选择过程由于高速铁路环境下的网络布置是沿铁路线呈带状覆盖，所以GSM-R网络 越区切换的选择过程相对公网要简单些。如果采用的是单网覆盖方式，那么需要 测试和可以进行切换的邻小区只有两个；如果采用双网冗余覆盖的话，则需要进 行测试和可以进行切换邻

15、小区只有五个。而且由于铁路的运行比较有规律，列车 行进过程中的小区列表通常是可以预知的，因此可以引进目标小区指定方法，在 这种条件下，可供选择的小区数就会变得更少。BSC或MSC按紧急性质量切换、 紧急性电平切换、紧急性距离切换、业务切换和功率估计切换五种切换原因的 优先顺序选择用于切换的小区。如果小区中的切换请求原因个数不只一个，则选 择优先级别最高的作为切换原因。执行过程在整个切换过程中，切换的触发和选择过程是实现越区切换的量变过程，移 动台和网络间的消息传输在表面上并没有发生变化。而切换的真正质变是从执行 过程开始的。切换执行过程的主要任务是分配、激活一个新信道，使移动台的通 话切换到新

16、的信道上。切换的执行过程可以分为BTS内切换、BSC内切换、BSC 间切换和MS间切换。BSC内越区切换BSC内越区切换通常由BSC控制完成，同BSC内的越区切换是GSM -R系统 中最多的切换。如图3-1所示，从同属于BSC内的BTS1切换到BTS2，具体越区 切换的流程如下：| 伊丁 52| S |3 顼|信迥曲活 *楮坦楫安 0 ft $ A 国微枪凋物即信耳L2-5A 0 M卷走街看AL2-U X成It廿膊ft果度it至T1 f.i 重 故 ill：项 k-图3-1 BSC内越区切换流程BSC根据测量报告判决进行越区切换触发，向新小区发送ChannelActivation（信道激活）消

17、息，要求提供一条TCH信道准备接收切换，如果新小区提 供了一条空闲TCH，那么将给BSC回送ChannelActivationAck消息。BSC通过FACCH向旧BTS发送HandoverCommand消息，其中包括新信道的 频率、时隙及发射功率参数，BTS把该命令发给M S。MS把频率调至新频率上，然后通过FACCH信道向新小区发送一个切换接入 突发脉冲。新BTS收到此突发脉冲后，将时间提前量信息通过FACCH回送给MS。MS通过新BTS向BSC发送HandoverComplete （切换完成）信息。BSC要求旧BTS释放TCH信道。BSC间越区切换在这种方式下，MSC将参与越区切换的信息交

18、互过程。在此过程中，B S C需向 MSC请求切换，然后建立MSC与的BSC、新的BTS的链路，选择并保留新小空 闲TCH供MS切换后使用，然后命令MS切换到新频率的新TCH上。切换成功后 MS同样需要接收邻居小区信息，如果越区切换时位置区发生了变化，在呼叫完 成后还须进行位置更新。如图3-2所示，高速列车从属于同一个MSC内的BSC1 切换到BSC2，其中BTS1、BTS2分别属于BSC1、BSC2，其具体流程如下：旧BSC把切换请求及切换目的小区标识一起发给MSC。MSC判断是那个BSC控制的BTS，并向新BSC发送切换请求。新BSC要求BTS激活一个TCH信道。新BSC把包含有频率、时隙

19、及发射功率信息通过MSC、旧BSC和旧BTS传 到MSMS在新频率上通过FACCH发送接入突发脉冲。新BTS收到此脉冲后，回送时间提前量信息之MS。MS发送切换成功信息通过新BSC传至MSC。MSC命令旧BSC去释放TCH。旧BSC转发MSC命令至旧BTS并执行。3 I 523 5 C2fX 5C3 E 口3 T 51Ki一侑道波iSIFA切快秘A剖M累 祖&t也皆V-切M割 -物理信-息L2-5 A E M.疆立新示 L2-L A械即幌M成以快克成 浙除命令 Ti r M I- 5E 图3-2 BSC间越区切换流程MS间越区切换MSC间越区切换是最复杂的一种情形，切换前需要进行大量的信息传输

20、。 MS原所处的BSC根据MS送来的测量报告做决定，需要切换就向旧MSC发送切 换请求，旧MSC再向新MSC发送切换请求，新MSC负责建立与新BSC和BTS 的链路连接，新MSC向旧MSC回送无线信道确认。根据越局切换号码（HON）， 两MSC之间建立通信链路，由旧MSC向MS发送切换命令，MS切换到新的TCH 频率上，由新的BSC向新的MSC发送切换完成命令，并由新MSC传给旧MSC， 旧MSC控制原BSC和BTS释放原TCH。如图3-3所示，高速列车从MSC1切换到 MSC2，其中 BSC1、BTS1 属于 MSC1，BSC2、BTS2 属于 MSC2，MSC2 的访问位置 寄存器为VHR

21、-new，其具体流程如下：图3-3 MSC间越区切换流程3.2 GSM- R越区切换过程在GSM-R系统中，越区切换是在移动台MS( Mobile Station)通过相邻基站 BTS( Base Transceiver Station)、相邻基站控制器(Base Station Controller)和相邻 移动业务交换中心MSC( Mobile Switching Center)时发生的。越区切换包括触发、 扫描、选择和执行4个步骤。触发阶段指基站和移动台分别检测上下行链路， 并将结果与预先设定的门限值作比较来判断移动台是否需要进行越区切换；扫 描阶段指基站确定满足切换的6个小区进行排队，

22、编制成切换小区列表，并将 其放在切换指示消息中发给BSC;选择阶段指BSC选择信号质量最好的目标 小区并等待关联；执行阶段指切换到信号质量最好的小区所在的信道上。在高速铁路GSM-R无线网络中，蜂窝小区沿铁路线状覆盖，并且只有前后 两个小区是相邻小区，因此只需要在这两个小区中选择一个，再通过(CI，TA)定 向坐标法或者TA定向法判断出列车运行方向，那么目标小区就会更容易被选 出。因此，提前切换或软切换技术成为减少切换时间和提高切换成功率的有效措 施。高速铁路环境下GSM-R越区切换主要有3种类型，如图3-4所示。分别是 同一个BSC中不同BTS之间的切换，如图3-1中列车1所在位置；同一个M

23、SC 中不同BSC之间的切换，如图1中列车2所在位置；不同MSC之间的切换， 如图3-1中列车3所在位置。但3种类型切换的最主要过程相似，因此，以BSC 内的切换为例进行分析。小区1 小区2小区3 小区4小区5小区6 小区7小区8图3-4 GSM-R越区切换类型3.3 GSM-R越区切换的影响因素随机Petri网以基本Petri网为基础，能够对离散、并行系统进行有效分析。 因此，可以对GSM-R越区切换失败恢复成功事件建模分析。当所有设备都可 以正常工作，系统没有故障时，影响GSM-R越区切换的因素主要由以下3点 构成。目标小区信道故障由于地形、大气杂质、建筑物等影响，导致网络覆盖不好，致使目

24、标小区信 道故障，移动台不能正常接入目标小区。随后由于移动台处于高速行驶中，接 收到原小区的信号质量随着与原小区距离的增大而急剧下降，就会失去了与原小 区的关联，导致切换失败。信道质量降低由于系统内干扰、系统外干扰、多径效应、多普勒效应等原因，移动台无法 正常接收信号和解码信息，影响越区切换，一旦切换失败，列车与地面之间就无 法进行通信。越区切换参数不匹配越区切换中参数设置极为重要，包括无线链路切换门限值、切换余量、发射 机发射功率，这些参数是否匹配与切换成功率密切相关。其中大部分参数在设备 出厂之前已经设定好，无需修改。但不同厂家的设备参数不同，最终会导致切换 失败。图3-2描述了越区切换过

25、程中进行安全数据通信的信道模型，它由影响越区 切换的3个基本因素构成，模型中位置Pchok表示信道处于良好状态。只有Pchok中的托肯数大于零，信道才可用。而位置Pchb、Pchf、Ppar分别表示信道故障状态、信道质量降低状态、越区切换参数不匹配状态。Tchf、Tchb、Tpar是标识相关的变迁，变迁Tchf、Tchb、Tpar分别表示信道故障、信道质 量降低、越区切换参数不匹配，变迁Tchfr、Tchbr、Tparr分别表示信道故障 修复、信道质量恢复、越区切换参数匹配。Tchf、Tchb、Tpar是标识相关的变迁，一旦激发就会把Pchok中的一个托肯转移到3个变迁相对应的库所之中。用 #

26、表示。假设开始时刻Pchok中有4个托肯，即每个小区预留4个安全数据传输 信道，以保证越区切换成功率。T,TparrTchfrTchbrPchokPchfPpar图3-2安全通信信道模型4 GSM -R通信无线覆盖的可靠性分析对GSM-R系统进行安全评价研究旨在确保通信网络安全，促使列车安全、 高效运行。对GSM-R无线通信网络来说，无线网络的覆盖质量将直接影响到通 信的质量，选择合适的覆盖方案可以提高系统的可靠性。可靠性是指产品在规定 的时间内，在规定的条件下，完成规定功能的能力。对系统或某一产品进行可靠 性分析，有助于了解其安全性，进而在生产过程中采取有效的措施预防产品失效 情况的发生。系

27、统可靠性分析方法有多种，典型的有故障树分析法和事件树分析 法等。列控系统的可靠性分析是保障列车安全运行的基础，因此研究列控系统的可靠 性就显得非常重要。4.1故障树分析法故障树分析法适用于大型复杂系统，通过对一种失效事件进行层层分析，深 入挖掘，找出导致事件失效的全部原因。然后建立故障树，通过数学分析法，计 算出整个系统的可靠度。1.故障树的建立故障树所用的符号在故障树的建立过程中需要使用一些特殊符号，如表1所示。表1常用的故障树符号类别 事件符号 逻辑门符号转移符号符号。口 4 A人zv 名称基本事件结果事件与门 或门族某处转入从某处转出故障树建立的基本规则GJB768. 1中列出了 FTA

28、建树的6条基本规则。明确建树边界条件，确定简化系统图；故障事件应严格定义；应从上到下逐级建树；建树时不允许门一门相连；用直接事件代替间接事件；处理共因事件。故障树定性分析和定量分析故障树分析法有定性分析和定量分析两种。定性分析主要是研究故障树中所 有导致顶事件发生的最小割集。定量分析是先确定底事件的故障模式，故障分布 及其参数，底事件发生的概率等，求出顶事件发生的概率。利用最小割集对故障树定性分析割集是故障树中所有底事件集合的子集， 当该子集中的底事件都发生时，顶事件必定发生。若将割集中的底事件任意去掉 一个后，该子集就不是割集，那么此割集就为最小割集。最小割集的阶数即为最 小割集中基本事件的

29、数目。最小割集的重要度与阶数成反比，阶数越大，最小割 集的重要度越小；阶数越小，最小割集的重要度越大，因为小概率事件同时发生 的概率很小。在不同的割集中，基本事件出现的次数越多，说明该事件发生的几 率很大，对故障树来说也就越重要。故障树定量分析主要通过各单元的失效概率求得系统的失效率。设系统有 个最小割集，分别为E1，E2，. En，则顶事件T发生的概率RT）为R（T）= R（E uE u.E ）= RE + E E + E E E +. + E E .E E ）（5）12n11 212 312 n-1 n将括号内不交型积之和利用布尔代数运算公式步步简化后，代入各单元的失 效概率，即可求得系统

30、的失效概率。在许多实际工程问题中，精确计算是不必要的，因为统计得到的基本数据不 是非常精确。可用式G）求顶事件发生概率的近似值，这里用F来表示。其中，Xj为最小割集E中的底事件，FX.为该最小割集中底事件发生的概率。EiX i=1/R = R（T ）= PS= 1Lr（e ）ii=1（2）R(E )= n FG )IjX eE j i4.2 GSM-R网络故障树分析法通过分析GSM-R系统各个结构的失效性，可以得到故障树，进而对整个网 络的可靠性进行分析GSM-R网络传输系统由基站子系统(Base Station Subsystem BSS)网络子系统(Network Switching Su

31、bsystem， NSS)、BSS 与 NSS 之间的传输链 路组成，系统故障树也由这些子系统构成由于操作和维护子系统(Operation an Maintenance System， OMS)的失效不会直接导致GSM R系统的失效，故不将 其考虑在内。基站子系统(BSS)的失效可以分为BTS单点故障BSC单点故障以及基站之间 传输线路故障当BSC与BTS之间采用环形链接时，此时只有当正环传输和反环传 输都失效，基站传输环路才会失效，所以两者之间为串联关系在建立故障树时， 通过一个两输入的与门和上级事件基站环路失效相连无论是正环还是反环，环内 传输光缆的中断或环内前方某BTS单点故障都会导致某向环路失效，两者的关系 为并联关系。基站子系统(BSS)和网络子系统(NSS)之间传输链路出现故障的原因一般是 传输光缆中断，也可将其作为故障树的一个基本事件。NSS中包含移动交换中心(MSC)以及TRAU，任何一个节点的故障都会造 成GSM -R网络的失效，所以两事件之间为并联关系，在建立故障树的时候，通 过一个两输入或门与NSS失效这一