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摘 要：本文简述了中国高铁GSM-R网络的发展及现状，分析了高铁运行中GSM-R网络受到的无线干扰对列车运行安全带来的影响，及目前进行干扰排查及定位的产品和技术手段。提出了一种GSM-R网络在线Um接口监测系统方案，并对其可行性，及在实际应用中的意义进行了探讨。
关键词：GSM-R；干扰监测；Um接口；Um接口监测
一、概述
目前GSM-R铁路数字移动通信系统在中国高速铁路线路上大范围推广使用，随着高铁的成网建设，GSM-R网络也相应完成组网。GSM-R网络承载了CTCS-3级列控、机车同步操控等重要系统的车地信息传输业务，是列车控制系统的重要组成部分。而干扰则是影响GSM-R网络运行性能和服务质量的关键因素之一，严重时影响到列车的安全运行。
（一）GSM-R系统组成
GSM-R网由GSM-R数字移动通信系统（以下简称GSM-R系统）和中继传输电路组成。
GSM-R系统包括网络子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、运行和业务支撑子系统（OSS/BSS）和终端设备等四个部分。其中，网络子系统包括移动交换子系统（SSS）、移动智能网（IN）子系统和通用分组无线业务（GPRS）子系统。GSM-R系统结构及主要接口如图1所示：
（二）影响GSM-R网络的主要干扰源
根据笔者在诸多高速铁路GSM-R网络建设及维护过程中的总结，在高铁线路建设期联调联试过程中，以及高铁线路正式运营期间影响GSM-R网络的主要干扰源为外部干扰和内部干扰。
1.外部干扰
（1）运营商GSM网基站的干扰。铁路GSM-R系统工作在885～889/930～934MHZ频段范围中，共4MHz带宽，与GSM系统工作在同一频段，在铁路沿线GSM-R和GSM两系统基站间存在同、邻频设台现象，造成同频干扰。另一种干扰是GSM网基站设备的杂散信号对附近的GSM-R系统基站造成的干扰，GSM网基站设备产生的杂散信号，其频谱多为窄带持续强信号，而由于共站产生的互调信号，其频谱多为断续宽带信号，严重影响GSM-R基站工作。
（2）运营商GSM网直放站引起的干扰。GSM系统大量使用的直放站也是GSM-R的主要干扰源，尤其是GSM系统采用的宽带直放站对整个上下行通带内所有信号、噪声进行放大，这对覆盖区域内GSM-R系统基站的干扰更为严重，直接影响GSM-R系统的稳定运用，危及高速铁路的行车安全。
（3）不明来源的干扰。非法使用的伪基站、GSM-R基站附件其他无线功率放大器、干扰器等设备都会对GSM-R系统产生干扰。
2.内部干扰
在铁路枢纽、两条铁路线交叉处、铁路线路并行区段、GSM-R基站频率在没有统一规划的情况下，存在邻频、同频的情况，造成网内相互干扰。
二、GSM-R网络干扰排查定位的技术手段及设备
在高铁线路建设时期，为了保证后期联调联试的顺利进行，及线路运营开通后GSM-R网络不受外界干扰正常运行，通常会对铁路沿线进行一次电磁环境测试，其目的是查找出影响GSM-R网络的干扰点并进行定位，为后续清除干扰点提供技术支持。
（1）目前通常的做法是在GSM-R网络开通使用前，人工使用频谱仪对每个GSM-R基站附近的区域进行扫频，如有发现有干扰，通过频谱分析定位干扰源的方位和干扰频段，通过测试手机解析干扰频点確定干扰源。
（2）GSM-R网络开通使用后，利用现有的监测设备进行检测和分析。当前比较成熟的GSM-R网络在线监测的手段是使用GSM-R接口监测系统，对Abis接口、A接口以及PRI接口等有线接口的在线监测，该产品对CTCS-3级列控系统中ATP与RBC之间无线通信接口的全程在线监测，系统采集Abis接口网络信令、A接口网络信令、PRI接口网络信令以及业务数据，为干扰的排查和分析提供了重要的海量数据支撑。
上述的当前干扰排查手段费时费力，工作效率低，且接口监测设备只能采集到A、Abis、PRI三接口的信令数据，无法采集车载ATP与基站之间空中接口（Um接口）的信令与数据，在发生无线超时无法准确判断定位是车载MT问题，还是GSM-R网络问题，对于网络出现突发干扰，无线环境变化导致故障的情况没有记录。Um接口是MS和BTS之间的接口，通过该接口MS完成与网络侧的通信，完成分组数据传送、移动性管理、会话管理、无线资源管理等多方面的功能。Um接口通信质量易受无线环境影响，存在不稳定情况，导致通信误码率增加甚至通信中断。因此，非常有必要寻找一种在运营期，不影响GSM-R系统工作的情况下对Um接口进行在线监测的方法。
三、GSM-R网络Um接口监测系统方案
笔者提出一种GSM-R网络Um接口监测系统方案，如图2所示，主要由3部分构成：1）采集子系统；2）数据处理子系统；3）分析显示子系统。该GSM-R网络Um接口监测系统能够解决ATP与基站之间空中接口（Um接口）的信令与数据实时采集的问题。通过对Um接口的监测可以准确分析GSM-R网络无线超时的原因和故障定位。
采集子系统放置在机车车载设备机柜内，主要为Um接收机，Um接收机包括射频接收模块、A/D采样模块、处理模块。其中射频接收模块用于接收GSM-R网络中Um接口各时隙传输的上行和下行的无线信号，将射频信号进行A/D模拟数字转换；A/D采样模块对射频接收模块输出的模拟信号进行采样得到基带采样数据；处理器对基带采样数据进行同步、解调提取无线信号上携带的bit信息，将收集到的信息数据存储并通过铁路无线网络传送到数据处理子系统。
数据处理子系统是Um接口监测系统的最重要部分，数据处理子系统根据3GPP相关协议通过解析软件将接收到的采集数据进行信令解析，解析为层2、层3的数据，并将信令和用户信息进行关联，关联后的信息按照用户特征（MSISDN、IMSI、车次号、机车号）进行关联，形成呼叫记录结果，通过分析子系统显示出来。 分析子系统对采集的监测数据进行处理、分析及存储，发现无线网络通信质量恶化及无线链路故障进行告警并及时传送到显示终端。
四、Um接口监测系统方案实现干扰监测的可行性
Um接口监测系统具备以下功能：
（1）实现GSM-R频段的网络信令及业务的监测，解析网络信令及业务数据，支持数据查询、导出，支持实时跟踪等功能；
（2）能够实现频谱的扫描，以及GSM广播信道的信令解码；
（3）可监测信号强度，通过接收到基站收发台信号的强弱，信号的波形、频谱和规范要求进行比对，将故障定位为基站收发台或车载移动台；
（4）可对所采集到的数据进行网络质量分析，实时监控网络的通信质量，对于外来干扰信息能够解析和定位；
（5）能完整存储通信过程中的测量报告和系统消息，通过测量报告可分析业务过程中的电平、质量、TA等，重现故障时的终端和网络情况；
（6）能够监控GSM-R网络电磁环境及干扰的动态变化。
通过上述功能，本系统能够实现在工程建设、联调联试、运营维护全过程的GSM-R网络运行性能和服务质量的在线监测及干扰信息解析定位，能够满足GSM-R网络建设和运营的需求。
五、结论及展望
GSM-R网络Um接口监测系统，弥补了现有接口监测系统无法采集车载ATP与基站之间空中接口（Um接口）的信令与数据的问题，完善了GSM-R网络的接口监测体系，能够准确分析GSM-R网络无线超时的原因和故障定位，对保障高速铁路列车的安全运营具有重要意义，具有较为实用的价值。Um接口监测系统为设备维护人员后期分析问题提供了数据支撑，提高维护工作效率及故障处理水平，保障高速铁路安全运行。
参考文献：
[1]樊昌信.通信原理.
[2]韩斌杰.GSM原理及其网络优化.
[3]钟章队，吴昊，李翠然.铁路数字移动通信系统（GSM-R）无线网络规划与优化.
[4]王启铭.大秦线GSM-R应用业务运营维护管理系统分析[J].中国铁路，2008（07）：16-18，20.
作者簡介：孙斌（1977-），男，汉族，陕西汉中人，本科，工程师，研究方向：无线通信。
关键词：GSM-R；干扰监测；Um接口；Um接口监测
一、概述
目前GSM-R铁路数字移动通信系统在中国高速铁路线路上大范围推广使用，随着高铁的成网建设，GSM-R网络也相应完成组网。GSM-R网络承载了CTCS-3级列控、机车同步操控等重要系统的车地信息传输业务，是列车控制系统的重要组成部分。而干扰则是影响GSM-R网络运行性能和服务质量的关键因素之一，严重时影响到列车的安全运行。
（一）GSM-R系统组成
GSM-R网由GSM-R数字移动通信系统（以下简称GSM-R系统）和中继传输电路组成。
GSM-R系统包括网络子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、运行和业务支撑子系统（OSS/BSS）和终端设备等四个部分。其中，网络子系统包括移动交换子系统（SSS）、移动智能网（IN）子系统和通用分组无线业务（GPRS）子系统。GSM-R系统结构及主要接口如图1所示：
（二）影响GSM-R网络的主要干扰源
根据笔者在诸多高速铁路GSM-R网络建设及维护过程中的总结，在高铁线路建设期联调联试过程中，以及高铁线路正式运营期间影响GSM-R网络的主要干扰源为外部干扰和内部干扰。
1.外部干扰
（1）运营商GSM网基站的干扰。铁路GSM-R系统工作在885～889/930～934MHZ频段范围中，共4MHz带宽，与GSM系统工作在同一频段，在铁路沿线GSM-R和GSM两系统基站间存在同、邻频设台现象，造成同频干扰。另一种干扰是GSM网基站设备的杂散信号对附近的GSM-R系统基站造成的干扰，GSM网基站设备产生的杂散信号，其频谱多为窄带持续强信号，而由于共站产生的互调信号，其频谱多为断续宽带信号，严重影响GSM-R基站工作。
（2）运营商GSM网直放站引起的干扰。GSM系统大量使用的直放站也是GSM-R的主要干扰源，尤其是GSM系统采用的宽带直放站对整个上下行通带内所有信号、噪声进行放大，这对覆盖区域内GSM-R系统基站的干扰更为严重，直接影响GSM-R系统的稳定运用，危及高速铁路的行车安全。
（3）不明来源的干扰。非法使用的伪基站、GSM-R基站附件其他无线功率放大器、干扰器等设备都会对GSM-R系统产生干扰。
2.内部干扰
在铁路枢纽、两条铁路线交叉处、铁路线路并行区段、GSM-R基站频率在没有统一规划的情况下，存在邻频、同频的情况，造成网内相互干扰。
二、GSM-R网络干扰排查定位的技术手段及设备
在高铁线路建设时期，为了保证后期联调联试的顺利进行，及线路运营开通后GSM-R网络不受外界干扰正常运行，通常会对铁路沿线进行一次电磁环境测试，其目的是查找出影响GSM-R网络的干扰点并进行定位，为后续清除干扰点提供技术支持。
（1）目前通常的做法是在GSM-R网络开通使用前，人工使用频谱仪对每个GSM-R基站附近的区域进行扫频，如有发现有干扰，通过频谱分析定位干扰源的方位和干扰频段，通过测试手机解析干扰频点確定干扰源。
（2）GSM-R网络开通使用后，利用现有的监测设备进行检测和分析。当前比较成熟的GSM-R网络在线监测的手段是使用GSM-R接口监测系统，对Abis接口、A接口以及PRI接口等有线接口的在线监测，该产品对CTCS-3级列控系统中ATP与RBC之间无线通信接口的全程在线监测，系统采集Abis接口网络信令、A接口网络信令、PRI接口网络信令以及业务数据，为干扰的排查和分析提供了重要的海量数据支撑。
上述的当前干扰排查手段费时费力，工作效率低，且接口监测设备只能采集到A、Abis、PRI三接口的信令数据，无法采集车载ATP与基站之间空中接口（Um接口）的信令与数据，在发生无线超时无法准确判断定位是车载MT问题，还是GSM-R网络问题，对于网络出现突发干扰，无线环境变化导致故障的情况没有记录。Um接口是MS和BTS之间的接口，通过该接口MS完成与网络侧的通信，完成分组数据传送、移动性管理、会话管理、无线资源管理等多方面的功能。Um接口通信质量易受无线环境影响，存在不稳定情况，导致通信误码率增加甚至通信中断。因此，非常有必要寻找一种在运营期，不影响GSM-R系统工作的情况下对Um接口进行在线监测的方法。
三、GSM-R网络Um接口监测系统方案
笔者提出一种GSM-R网络Um接口监测系统方案，如图2所示，主要由3部分构成：1）采集子系统；2）数据处理子系统；3）分析显示子系统。该GSM-R网络Um接口监测系统能够解决ATP与基站之间空中接口（Um接口）的信令与数据实时采集的问题。通过对Um接口的监测可以准确分析GSM-R网络无线超时的原因和故障定位。
采集子系统放置在机车车载设备机柜内，主要为Um接收机，Um接收机包括射频接收模块、A/D采样模块、处理模块。其中射频接收模块用于接收GSM-R网络中Um接口各时隙传输的上行和下行的无线信号，将射频信号进行A/D模拟数字转换；A/D采样模块对射频接收模块输出的模拟信号进行采样得到基带采样数据；处理器对基带采样数据进行同步、解调提取无线信号上携带的bit信息，将收集到的信息数据存储并通过铁路无线网络传送到数据处理子系统。
数据处理子系统是Um接口监测系统的最重要部分，数据处理子系统根据3GPP相关协议通过解析软件将接收到的采集数据进行信令解析，解析为层2、层3的数据，并将信令和用户信息进行关联，关联后的信息按照用户特征（MSISDN、IMSI、车次号、机车号）进行关联，形成呼叫记录结果，通过分析子系统显示出来。 分析子系统对采集的监测数据进行处理、分析及存储，发现无线网络通信质量恶化及无线链路故障进行告警并及时传送到显示终端。
四、Um接口监测系统方案实现干扰监测的可行性
Um接口监测系统具备以下功能：
（1）实现GSM-R频段的网络信令及业务的监测，解析网络信令及业务数据，支持数据查询、导出，支持实时跟踪等功能；
（2）能够实现频谱的扫描，以及GSM广播信道的信令解码；
（3）可监测信号强度，通过接收到基站收发台信号的强弱，信号的波形、频谱和规范要求进行比对，将故障定位为基站收发台或车载移动台；
（4）可对所采集到的数据进行网络质量分析，实时监控网络的通信质量，对于外来干扰信息能够解析和定位；
（5）能完整存储通信过程中的测量报告和系统消息，通过测量报告可分析业务过程中的电平、质量、TA等，重现故障时的终端和网络情况；
（6）能够监控GSM-R网络电磁环境及干扰的动态变化。
通过上述功能，本系统能够实现在工程建设、联调联试、运营维护全过程的GSM-R网络运行性能和服务质量的在线监测及干扰信息解析定位，能够满足GSM-R网络建设和运营的需求。
五、结论及展望
GSM-R网络Um接口监测系统，弥补了现有接口监测系统无法采集车载ATP与基站之间空中接口（Um接口）的信令与数据的问题，完善了GSM-R网络的接口监测体系，能够准确分析GSM-R网络无线超时的原因和故障定位，对保障高速铁路列车的安全运营具有重要意义，具有较为实用的价值。Um接口监测系统为设备维护人员后期分析问题提供了数据支撑，提高维护工作效率及故障处理水平，保障高速铁路安全运行。
参考文献：
[1]樊昌信.通信原理.
[2]韩斌杰.GSM原理及其网络优化.
[3]钟章队，吴昊，李翠然.铁路数字移动通信系统（GSM-R）无线网络规划与优化.
[4]王启铭.大秦线GSM-R应用业务运营维护管理系统分析[J].中国铁路，2008（07）：16-18，20.
作者簡介：孙斌（1977-），男，汉族，陕西汉中人，本科，工程师，研究方向：无线通信。