基于鐵路專(zhuān)用通信GSM-R的無(wú)線路測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

1、基于鐵路專(zhuān)用通信GSM-R的無(wú)線路測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張重陽(yáng)0 引 言GSMR是基于GSM技術(shù)的一種專(zhuān)用通信系統(tǒng)鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。與傳統(tǒng)

2、的GSM技術(shù)相比，GSMR除了能提供一系列鐵路通信業(yè)務(wù)外，還能保證列車(chē)在500 kmh的情況下進(jìn)行高可靠性、高接通率、高傳輸質(zhì)量的通信。當(dāng)前，GSMR技術(shù)成為國(guó)際國(guó)內(nèi)鐵路通信發(fā)展的焦點(diǎn)，我國(guó)在GSMR技術(shù)上也有了一定的進(jìn)展。2004年開(kāi)始在青藏鐵路、大秦線電氣化改造和京護(hù)高速鐵路的建設(shè)中進(jìn)行GSMR鐵路專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、建設(shè)和試運(yùn)營(yíng)。與此同時(shí)，由于目前國(guó)內(nèi)的GSMR路測(cè)系統(tǒng)十分稀少，對(duì)GSMR無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也開(kāi)始成為GSMR移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的一個(gè)當(dāng)務(wù)之急。為了真正了解GSMR網(wǎng)絡(luò)，調(diào)測(cè) GSMR網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化GSMR網(wǎng)絡(luò)，本文提出并設(shè)計(jì)出了一種既適用于GSM網(wǎng)絡(luò)又適用于GSMR網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線路測(cè)系統(tǒng)

3、。一方面，在GSMR網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的初期，通過(guò)本系統(tǒng)的輔助能夠合理地進(jìn)行頻率分配、小區(qū)參數(shù)的調(diào)整：另一方面，可以?xún)?yōu)化已建GSM和GSMR網(wǎng)絡(luò)的性能，提高通信質(zhì)量。1 GSMR網(wǎng)絡(luò)介紹11 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能一個(gè)GSMR移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)功能實(shí)體組成。各個(gè)功能實(shí)體所實(shí)現(xiàn)的功能的集合就是GSMR網(wǎng)絡(luò)提供給用戶的基本業(yè)務(wù)與補(bǔ)充業(yè)務(wù)。GSMR移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基于GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，主要由基站子系統(tǒng)(BSS)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)、操作與維護(hù)子系統(tǒng)(OSS)三部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。BSS主要由基站控制器(BSC)、基站收發(fā)信臺(tái)(BTS)組成。通過(guò)無(wú)線接口(Um)與移動(dòng)臺(tái)(MS)相連，A接口與NSS相連

4、。BTS是網(wǎng)絡(luò)固定部分與無(wú)線部分之間進(jìn)行通信的中繼，MS通過(guò)空中接口與BTS進(jìn)行連接，是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線接入部分，是終端用戶最直接感受網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的部分。一個(gè)或幾個(gè) BTS連接到一個(gè)BSC上，BSC主要提供在其覆蓋區(qū)域內(nèi)的無(wú)線電資源管理與移動(dòng)性管理的功能，以及提供無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)功能。BSS還有可能存在編碼速率適配單元(TRAU)，實(shí)現(xiàn)編碼速率轉(zhuǎn)換。NSS一般由六個(gè)功能實(shí)體組成，分別是移動(dòng)交換中心(MSC)、歸屬位置寄存器(HLR)、拜訪位置寄存器(VLR)、鑒權(quán)中心(AUC)、設(shè)備識(shí)別寄存器(EIR)，組呼寄存器(GCR)。NSS主要負(fù)責(zé)端到端的呼叫、用戶數(shù)據(jù)管理、移動(dòng)性管理和固定網(wǎng)絡(luò)的

5、連接。其中MSC是NSS的核心，用于建立業(yè)務(wù)信道和在MSC之間或與其他網(wǎng)絡(luò)之間交換信令消息。與MSC相連的是VLR，VLR管理在一個(gè)MSC區(qū)內(nèi)漫游移動(dòng)用戶信息的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。HLR存儲(chǔ)的是在網(wǎng)絡(luò)中永久注冊(cè)的移動(dòng)用戶的靜態(tài)信息，如用戶信息、承載和定制的用戶信息等。AUC完成對(duì)用戶的鑒權(quán)及為移動(dòng)臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)之間的無(wú)線通信進(jìn)行加密。EIR用來(lái)存儲(chǔ)IMEI(國(guó)際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別符)。作為GSMR網(wǎng)絡(luò)的特有組件GCR，用于存儲(chǔ)移動(dòng)用戶的組ID、移動(dòng)臺(tái)發(fā)起語(yǔ)音組呼(VGCS)和語(yǔ)音廣播 (VBS)參考的小區(qū)信息及發(fā)起呼叫的MSC是否負(fù)責(zé)處理呼叫的指示。OSS可分為對(duì)應(yīng)BSS的操作與維護(hù)中心OMCR及對(duì)應(yīng)NSS的操作

6、與維護(hù)中心OMCS。OSS是操作人員與系統(tǒng)設(shè)備之間的中介，它實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集中操作與維護(hù)。完成了包括移動(dòng)用戶管理、移動(dòng)設(shè)備管理及網(wǎng)絡(luò)操作維護(hù)等功能。它的一側(cè)與設(shè)備相連，另一側(cè)是作為人機(jī)接口的計(jì)算機(jī)工作站。這些專(zhuān)門(mén)用于操作維護(hù)的設(shè)備被稱(chēng)為操作維護(hù)中心OMC。系統(tǒng)的每個(gè)組成部分都可以通過(guò)特有的網(wǎng)絡(luò)連接至OMC，從而實(shí)現(xiàn)集中維護(hù)。12 業(yè)務(wù)模型GSMR是專(zhuān)門(mén)為鐵路通信設(shè)計(jì)的綜合專(zhuān)用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，它基于GSM的基礎(chǔ)設(shè)施及其提供的高級(jí)語(yǔ)音呼叫業(yè)務(wù)，其中包括增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)與強(qiáng)拆(eM- LPP)、VGCS和VBS，并提供鐵路特有的調(diào)度業(yè)務(wù)，包括：功能尋址、功能號(hào)表示、接入矩陣和基于位置的尋址并以此作為信息

7、化平臺(tái)，使鐵路部分可以在此信息平臺(tái)上開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用。GSM-R的業(yè)務(wù)模型如圖2所示。2 無(wú)線接口協(xié)議無(wú)線接口(Um)是MS與BTS之間的通信接口，又稱(chēng)為空中接口(airinteRFace)，用于移動(dòng)臺(tái)與GSM-R系統(tǒng)固定部分之間的通信，其物理連接通過(guò)無(wú)線鏈路實(shí)現(xiàn)。此接口傳遞的信息包括無(wú)線資源管理、移動(dòng)性管理和接續(xù)管理等。21 協(xié)議分層(三層)空中接口對(duì)應(yīng)于OSI(開(kāi)放系統(tǒng)互連)模型的低三層，分為物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。與OSI的分層模型不是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。物理層(PHL)：支持TDMA幀、FDMA和邏輯信道復(fù)用。提供無(wú)線鏈路的傳輸通道，為高層提供不同功能的邏輯信道，如業(yè)務(wù)信道與控制信道。物理層在MAC

8、層的控制下，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)分組的收發(fā)。鏈路層：包括介質(zhì)接入控制層MAC和數(shù)據(jù)鏈路控制層(DLC)。前者通過(guò)形成多種邏輯信道為高層提供不同的業(yè)務(wù)；后者為網(wǎng)絡(luò)層提供非?？煽康臄?shù)據(jù)鏈路。為內(nèi)部控制信令和有限數(shù)量的用戶信息提供非?？煽康膫鬏旀溌?。網(wǎng)絡(luò)層：主要是信令層，包括連接管理(CM)、移動(dòng)性管理(MM)、無(wú)線資源管理(RM)。確定了用于鏈路控制、呼叫控制、附加業(yè)務(wù)、面向連接的消息業(yè)務(wù)、無(wú)連接的消息業(yè)務(wù)等各種功能。22 無(wú)線資源工作模式無(wú)線資源管理的目的是建立、保持、并釋放網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)臺(tái)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通話的無(wú)線資源(RR)連接。一個(gè)RR連接是兩個(gè)同等實(shí)體間的一條物理連接，用于支持上層間信息流量的變化。無(wú)線資

9、源管理主要向上層提供四種工作模式，分別為：空閑模式、專(zhuān)用模式、群發(fā)模式、群收模式?？臻e模式：沒(méi)有為任何MS分配專(zhuān)用信道，不存在RR連接，此時(shí)MS只能收到CCCH(公共控制信道)和BCCH(廣播控制信道)信道的廣播消息。MS分析接收到的尋呼消息和廣播消息，選擇駐留在信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的小區(qū)上，MS對(duì)應(yīng)于待機(jī)狀態(tài)。專(zhuān)用模式：為MS至少分配了兩個(gè)專(zhuān)用信道，其中只能有一個(gè)是SACCH(慢速隨路控制信道)。MS與BTS此時(shí)建立起了一個(gè)雙向的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)物理連接，用于信息的傳輸?？赏ㄟ^(guò)小區(qū)自動(dòng)重選和切換來(lái)保持RR連接。MS對(duì)應(yīng)于通話狀態(tài)或者位置更新?tīng)顟B(tài)。群發(fā)模式：為語(yǔ)音組呼的MS分配兩個(gè)專(zhuān)用信道，這兩個(gè)信道可以同時(shí)分

10、配給一個(gè)MS或者分配給不同的MS。MS與BTS此時(shí)建立的RR連接與專(zhuān)用模式類(lèi)似，不過(guò)在建立過(guò)程中的信令消息有所不同，特別地指明了該模式用于群發(fā)通信。MS對(duì)應(yīng)于VGCS或者VBS中講者的狀態(tài)。群收模式：沒(méi)有為MS分配與網(wǎng)絡(luò)連接的專(zhuān)用信道，它以無(wú)應(yīng)答的方式接收分配給小區(qū)的語(yǔ)音廣播信道或者語(yǔ)音組呼信道下行鏈路的消息。此時(shí)MS對(duì)應(yīng)于VGCS或者VBS中聆聽(tīng)者的狀態(tài)。3 GSMR無(wú)線路測(cè)系統(tǒng)本系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)聽(tīng)，捕獲Um口中MS與BTS進(jìn)行通信的信令信息，從而獲得GSMR網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線質(zhì)量參數(shù)，結(jié)合GSMR無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化知識(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行加工處理，通過(guò)顯示模塊的精心設(shè)計(jì)，向用戶直觀、清晰地呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量狀況，并在最后給出

11、了GSMR網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量狀況的性能報(bào)表。31 路測(cè)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)環(huán)境：衛(wèi)星，GSMGSMR網(wǎng)絡(luò)；測(cè)試儀器：裝有本系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)一臺(tái)，測(cè)試手機(jī)一部，GPS一臺(tái)，接口線若干。32 系統(tǒng)采集參數(shù)(1)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別參數(shù)移動(dòng)國(guó)家號(hào)(MMC)、移動(dòng)網(wǎng)號(hào)(MNC)、位置區(qū)碼(LAC)、小區(qū)識(shí)別(CI)、網(wǎng)絡(luò)色碼(NCC)、基站色碼(BCC)。(2)系統(tǒng)控制參數(shù)公共控制信道配置、接入準(zhǔn)許保留塊數(shù)、尋呼信道復(fù)幀數(shù)、周期位置更新定時(shí)器、小區(qū)信道描述、無(wú)線鏈路超時(shí)(RLT)、鄰小區(qū)描述、允許的網(wǎng)絡(luò)色碼、最大重發(fā)次數(shù)(MR)、發(fā)送分布時(shí)隙數(shù)(TI)、小區(qū)接入禁止(CBA)、接入等級(jí)控制(AC)。(3)小區(qū)選擇與重選參數(shù)小區(qū)重選滯后(C

12、RH)、控制信道最大功率電平(MTMC)、允許接入最小接收電平(RXLEVaccessmin)、小區(qū)禁止限制(CBQ)、小區(qū)重選參數(shù)指示(PI)、小區(qū)重選偏置(CRO)、懲罰時(shí)間(PT)、臨時(shí)偏置(TO)。(4)網(wǎng)絡(luò)功能參數(shù)功率控制指示(PERC)、非連續(xù)發(fā)送(DTX)、呼叫重建允許(RE)、緊急呼叫允許(EC)、移動(dòng)分配索引位置(MAIO)、跳頻序列號(hào)(HSN)。(5)GPS參數(shù)經(jīng)度、緯度。(6)性能參數(shù)通話接通率、通話失敗率、信道利用率、分配失敗率、掉話率、切換成功率、切換失敗率。33 系統(tǒng)功能(1)實(shí)時(shí)跟蹤信令能夠?qū)崟r(shí)地跟蹤各個(gè)邏輯控制信道信令。BCCH：包括systeminformat

13、ion1，systeminforma-tion2等；PCH(尋呼信道)：包括pagingrequesttype1，pagin-grequest type2等；SACCH：包括 systeminformation5，system-information6；AGCH(接入允許信道)：包括immediateassign-ment，immediateassignmentrej ect等；RACH(隨機(jī)接入信道)：包括channelrequest，up-linK_access。此外，還能跟蹤層2和層3信令：包括：setup，aler-ting，disconnect等。(2)掃頻測(cè)試在空閑模式(idlem

14、ode)下，能夠?qū)λ蓄l率(GSM900GSM1800GSM-R等)進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描。動(dòng)態(tài)顯示對(duì)應(yīng)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)和基站色碼，實(shí)時(shí)跟蹤所占用ARF-CN(絕對(duì)無(wú)線頻率信道號(hào))受干擾程度?？梢詸z查相鄰小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度，檢查小區(qū)的覆蓋情況和同鄰頻干擾。(3)鎖頻測(cè)試在雙頻網(wǎng)絡(luò)中，測(cè)試手機(jī)會(huì)自動(dòng)選擇信號(hào)較強(qiáng)的頻道作通話網(wǎng)絡(luò)。如果碰到雙頻網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)弱接近的區(qū)域，就可能出現(xiàn)線路忙或“跳頻”(跳頻：在兩個(gè)頻道之間不斷切換)的情況。所以，用戶想讓手機(jī)接收比較穩(wěn)定，減少跳頻問(wèn)題，就可以利用“鎖頻”這項(xiàng)手機(jī)操作功能，觀察移動(dòng)臺(tái)在某一固定頻點(diǎn)下的接收電平的變化。(4)強(qiáng)制切換強(qiáng)制切換是在專(zhuān)用模式下允許移動(dòng)臺(tái)在未滿足切換條件的

15、情況下，強(qiáng)制切換到另一頻點(diǎn)的小區(qū)。利用強(qiáng)制操作采集MS接收到的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量狀況，其強(qiáng)制區(qū)域主要是各小區(qū)鄰接處，用于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)小區(qū)規(guī)劃的合理性、正確性，某些小區(qū)的實(shí)際覆蓋區(qū)域是否超過(guò)了規(guī)劃區(qū)域，同時(shí)還可以通過(guò)切換信令、分析掉話原因。(5)GSMGSM-R基站開(kāi)通測(cè)試網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃實(shí)施后，常常要測(cè)試基站信號(hào)覆蓋范圍，查找盲區(qū)。本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集目前所在小區(qū)以及相鄰小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度變化。本系統(tǒng)支持GPS定位系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)打印目前所在的位置，結(jié)合DT(車(chē)測(cè))網(wǎng)絡(luò)測(cè)試方法，能夠得到車(chē)所經(jīng)過(guò)的路線上任何一個(gè)采集點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度、基站識(shí)別碼、絕對(duì)頻點(diǎn)、信號(hào)強(qiáng)度。(6)根據(jù)信令分析查找各種網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題因?yàn)楸鞠到y(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及無(wú)線信令，應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化可以使網(wǎng)絡(luò)資源獲得最佳效益。信令包括：尋呼、鑒權(quán)、加密、分配信道、切換、測(cè)量報(bào)告、位置更新，能清晰顯示出通話的起呼、切換、位置更新、結(jié)束通話和掉話等各部分的信令流程。將現(xiàn)場(chǎng)采集到的信令與GSM-R各類(lèi)業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)信令流程作對(duì)比，能夠定位到如掉話、TCH(業(yè)務(wù)信道)擁塞、SDCCH(獨(dú)立專(zhuān)用控制信道)擁塞等網(wǎng)絡(luò)故障。(7)雙手機(jī)大話務(wù)量呼叫與統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過(guò)程中，常利用大話務(wù)量測(cè)試來(lái)得到呼叫接通率、掉話率、呼叫失敗率、切換成功率等性能參數(shù)，來(lái)了解網(wǎng)絡(luò)的健壯性與可行性。本系統(tǒng)支持雙手機(jī)互呼測(cè)試，通過(guò)自動(dòng)撥號(hào)功能，設(shè)定呼叫數(shù)量、持