一种用于铁路GSM-R空中接口监控系统的频谱压缩传输方法与流程

本发明涉及无线通信领域，更具体地说，是涉及一种用于gsm-r空口监控系统的前置机频谱压缩传输方法，是一种采用自回归滑动平均模型(arma模型)来近似表征铁路gsm-r系统空中接口的频谱占用过程，从而实现前端频谱采集数据的有效压缩方法。

背景技术：

gsm-r是我国高铁安全运营的重要技术保障手段之一，而面向gsm-r空口监测应用的第三方系统在国内铁路专用产品领域尚属空白。如图1中所示为基于通用处理器软件无线电技术的gsm-r空中接口综合监控系统的拓扑图，图中可见gsm-r前置机(即图中所见的采集模块)安装于高铁的gsm-r基站端，其通过gsm-r网络将所采集到的各类数据传输到gsm-r空口检测服务器端进行处理，再通过高铁站内部的局域网将处理好的数据提供给工作人员查看和使用。

然而在上述gsm-r空口监控系统进行频谱数据传输的过程中却面临着这样的难题，所需传输的频谱数据量超大、但有效信息占用的时间极短。在对该系统的频谱数据高效传输的研究中发现，上行信道功率谱模型可以看作是一个随机过程，每当高铁列车靠近基站时将出现一个短暂的频谱尖峰，但当列车远离时频谱尖峰逐渐消失，而一般来说，两列列车经过同一个基站的时间间隔比较长，这也就会导致上行频谱数据中出现大量的无效信息，这严重的影响了数据传输的有效性，同时给上层应用的数据处理过程带来了极大的难度。然而恰好这种模型特点与arma模型比较相似，通过适当地选取arma模型的阶数便可以准确地表征其中的有效频谱数据信息并接收端实现恢复与重建，从而实现频谱数据地高效传输。

技术实现要素：

本发明的目的是解决目前铁路gsm-r空中接口监控系统中频谱数据量超大、有效频谱信息占用时间极短的数据有效传输问题，提供了一种用于铁路gsm-r空中接口监控系统的频谱压缩传输方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种用于铁路gsm-r空中接口监控系统的频谱压缩传输方法，所述频谱压缩传输方法包括下列步骤：

s1、任意选取n台铁路gsm-r空中接口监控系统的前端频谱采集设备(以下简称gsm-r前置机)所采集的任意m天的频谱数据进行分析，并绘制出相应的频谱占用自相关函数和偏自相关函数；

s2、分析s1中频谱的自相关函数和偏自相关函数的规律性，并依此初步确定arma模型的阶数p和q；

s3、依据akaike信息准则(即aic准则)，优化arma模型的阶数(即p和q的值)使得aic最小；

s4、使用优化后的arma模型阶数(即优化后的p和q的值)建模对gsm-r前置机频谱进行压缩，并将参数化压缩后的arma模型阶数及相应的系数通过铁路专用网络传输到中心机房数据服务器上；

s5、在中心机房数据服务器上，采用接收到的arma模型阶数及相应的系数实现频谱数据在相应频段占用情况的数据恢复重建。

作为优选的，所述步骤s2中的arma模型表达式为：

y(n)+a1y(n-1)+...+apy(n-p)＝w(n)+b1w(n-1)+...+bqw(n-1)，式中w(n)是零均值、方差为的白噪声，y(n)是所需研究的随机序列，a1,...,ap是自回归参数，b1,…,bq是滑动平均参数。另其系统函数可表示为：

作为优选的，所述步骤s3中的aic准则为：

其中为残差平方，k＝p+q+1是所有估计参数的个数，t为样本容量。

作为优选的，所述步骤s5中数据恢复重建过程为：

s51、根据所接收到的arma模型阶数和相应的系数得到其系统函数为：

s52、根据s51中的系统函数和w(n)的特性恢复所需频谱数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明公开的用于gsm-r空口监控系统的前置机频谱压缩传输方法相比于将原始频谱数据直接传输的方法来说，该方法利用arma模型对原始频谱数据进行压缩，充分大大的减少冗余数据的传输，极大提高了频谱数据传输的效率，同时降低了后台服务器的对频谱数据的处理难度、极大地提供了处理效率，为后续数据服务器对频谱数据的分析应用提供了便利。

附图说明

图1是目前使用的gsm-r空中接口综合监控系统拓扑图；

图2是本发明提出的gsm-r前置机频谱压缩传输的流程步骤图；

图3(a)是使用基站1的六天频谱数据绘制的自相关函数图形；

图3(b)是使用基站1的六天频谱数据绘制的偏自相关函数图形；

图4(a)是使用基站2的六天频谱数据绘制的自相关函数图形；

图4(b)是使用基站2的六天频谱数据绘制的偏自相关函数图形；

图5是使用源频谱数据和压缩后的频谱数据绘制的对比图；

图6是源频谱数据和压缩后的频谱数据的残差图。

具体实施例

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施样例

本实施例结合附图2至图6对本发明提出的用于gsm-r空口监控系统的前置机频谱压缩传输方法作一下详细说明。本发明中频谱压缩传输方法的处理流程如图2所示，主要包括如下：

s1、任意选取2台铁路gsm-r空中接口监控系统的前端频谱采集设备(以下简称gsm-r前置机)所采集的任意6天的频谱数据进行分析，并绘制出相应的频谱占用自相关函数和偏自相关函数图形，分别见图3(a)、图3(b)、图4(a)、图4(b)，通过观察这些图像可以得到，对于同一基站，六天的偏自相关函数表现出了较强的截断特性，一般在3阶以后值就很接近0了，并且不同天的偏自相关图很相似。而六天的自相关函数大体上也表现出很强的相似性。同一基站不同天的自相关函数和偏自相关表现出了很强的相似性和规律性，这也间接说明了功率谱占用情况是存在一定规律的。

s2、分析s1中频谱的自相关函数和偏自相关函数的规律性，并依此初步确定arma模型的阶数p＝2和q＝4；

s3、依据akaike信息准则(即aic准则)：(其中为残差平方，k＝p+q+1是所有估计参数的个数，t为样本容量。)，优化arma模型的阶数使得aic最小，从而得到优化后的arma模型阶数p＝1和q＝4；

s4、使用优化后的arma模型阶数(即p＝1和q＝4)建模对gsm-r前置机频谱进行压缩，并将参数化压缩后的arma模型阶数及相应的系数通过铁路专用网络传输到中心机房数据服务器上；

s5、在中心机房数据服务器上，采用接收到的arma模型阶数及相应的系数实现频谱数据在相应频段占用情况的数据恢复重建。将恢复后的频谱数据与源频谱数据进行比较，绘制得对比图和残差图分别如图5和图6所示，通过对比图和残差图可以得到模型数据和实际数据之间的差异较小，该频谱压缩传输方法效果较好。

结合本发明技术方案，总结说明一下本发明的技术效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。