■ 王買智

GSM-R網(wǎng)絡(luò)頻率干擾監(jiān)測(cè)研究

■ 王買智

GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)作為高速鐵路調(diào)度指揮、列車運(yùn)行控制的主要通信手段，為提高運(yùn)輸效率、保障行車安全發(fā)揮了越來越重要的作用。然而，GSM-R網(wǎng)絡(luò)頻率經(jīng)常受到各種無線電干擾，影響系統(tǒng)通信質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)造成語音或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中斷。為排查無線電干擾，保護(hù)鐵路專用頻率安全，在此對(duì)GSM-R頻率干擾監(jiān)測(cè)、排查及頻率保護(hù)等方面進(jìn)行研究。

1 無線電干擾

1.1 定義

無線電干擾是指無線電通信過程中發(fā)生的，導(dǎo)致有用信號(hào)接收質(zhì)量下降、損害或者阻礙的狀態(tài)及事實(shí)。無線電干擾信號(hào)主要是指通過直接耦合或間接耦合方式進(jìn)入接收設(shè)備信道或系統(tǒng)的電磁能量，對(duì)無線電通信接收信號(hào)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致性能下降，質(zhì)量惡化，信息誤差或丟失，甚至阻斷通信的正常進(jìn)行。

1.2 類型

無線電干擾按照頻率劃分一般包括同頻干擾、鄰頻干擾、互調(diào)干擾、帶外干擾、阻塞干擾5種類型。

（1）同頻干擾：是指無用信號(hào)的載頻與有用信號(hào)的載頻相同，并對(duì)接收同頻有用信號(hào)造成影響的干擾，亦稱同信道干擾。

（2）鄰頻干擾：是指干擾臺(tái)鄰頻道功率落入接收臺(tái)鄰頻道接收機(jī)通帶內(nèi)造成的干擾。在GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于頻率規(guī)劃等原因造成的鄰近小區(qū)中存在與本小區(qū)工作頻道相鄰的頻道，或由于某種原因致使基站小區(qū)的覆蓋范圍超出設(shè)計(jì)范圍，均會(huì)引起鄰頻干擾。當(dāng)鄰頻道的載波干擾比小于某個(gè)特定值時(shí)，會(huì)直接影響到移動(dòng)終端的通話質(zhì)量，造成掉話或無法建立正常的呼叫。

（3）互調(diào)干擾：是指當(dāng)有兩個(gè)或多個(gè)干擾信號(hào)同時(shí)加到接收機(jī)時(shí)，由于非線性作用，干擾信號(hào)的組合頻率可能等于或接近有用信號(hào)頻率而順利通過接收機(jī)形成的干擾。

（4）帶外干擾：是指其他無線電臺(tái)站發(fā)射機(jī)的諧波或雜散輻射，對(duì)接收機(jī)有用信號(hào)的通帶內(nèi)造成的干擾。

（5）阻塞干擾：是指強(qiáng)的干擾信號(hào)與有用信號(hào)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)時(shí)，強(qiáng)干擾信號(hào)使接收機(jī)鏈路的非線性器件飽和，產(chǎn)生非線性失真形成的干擾。即使僅有有用信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)，在信號(hào)強(qiáng)度過大時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生振幅壓縮現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)造成接收機(jī)阻塞。阻塞會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)無法正常工作，長時(shí)間的阻塞還可能造成接收機(jī)的永久性性能下降。

1.3 無線電干擾對(duì)GSM-R系統(tǒng)的影響

（1）影響用戶間的通話，降低語音通話質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)造成通信中斷；（2） 使數(shù)據(jù)通信出現(xiàn)誤碼或丟包，造成傳輸質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)造成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中斷；（3）導(dǎo)致移動(dòng)通信連接建立失敗、連接丟失、切換失敗、掉話等故障，影響通信可靠性；（4）導(dǎo)致通信系統(tǒng)阻塞、中斷或其他問題。

2 GSM-R網(wǎng)絡(luò)頻率干擾監(jiān)測(cè)

2.1 GSM-R網(wǎng)絡(luò)頻率使用要求

原信息產(chǎn)業(yè)部2003年發(fā)布的信部無函［2003］394號(hào)《關(guān)于鐵路專用GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)使用頻率及相關(guān)問題的函》和2007年發(fā)布的信部無函［2007］136號(hào)《關(guān)于鐵道部和中國移動(dòng)公用900 MHz移動(dòng)通信網(wǎng)頻率資源問題的函》對(duì)鐵路GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)使用的頻率做出明確要求。確定GSM-R上行頻率為885 MHz～889 MHz、下行頻率為930 MHz～934 MHz；規(guī)定EGSM頻段的GSM/GPRS移動(dòng)通信系統(tǒng)的信號(hào)電平在鐵路軌道上方4.5 m處的最大值不應(yīng)大于-105 dBm。

2.2 GSM-R頻率干擾監(jiān)測(cè)情況

鐵路有關(guān)部門在2011年、2012年對(duì)25條鐵路沿線963處進(jìn)行了頻率干擾監(jiān)測(cè)，共發(fā)現(xiàn)各類干擾107處，占監(jiān)測(cè)點(diǎn)總數(shù)的11.1%。其中：運(yùn)營商GSM網(wǎng)絡(luò)信號(hào)對(duì)GSM-R頻率直接形成干擾42處，占干擾總數(shù)的39.2%；全頻段底噪干擾52處，占干擾總數(shù)的48.6%；其他干擾（干擾器及其他無線電設(shè)備干擾）13處，占干擾總數(shù)的12.1%。各線路具體監(jiān)測(cè)情況見表1。

表1 各線路具體監(jiān)測(cè)情況 處

2.3 GSM-R頻率干擾的主要問題

通過對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)頻率干擾監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)鐵路專用頻段的主要干擾問題如下：

（1）個(gè)別電信運(yùn)營商使用GSM-R專用頻點(diǎn)，直接對(duì)鐵路無線電專用頻率形成干擾，影響GSM-R網(wǎng)絡(luò)的正常使用。

（2）電信運(yùn)營商GSM基站或直放站發(fā)射信號(hào)帶外抑制不好，使GSM-R下行全頻段（930 MHz～934 MHz）底噪抬升，影響范圍大、頻帶寬。電信運(yùn)營商為了改善自身信號(hào)覆蓋，大量安裝大功率寬頻直放站，部分設(shè)備性能指標(biāo)劣化，底噪很高，使GSM-R信號(hào)被淹沒，出現(xiàn)連接失敗、掉話現(xiàn)象，造成GSM-R網(wǎng)無法正常使用。

（3）鐵路沿線電信運(yùn)營商CDMA基站強(qiáng)大信號(hào)對(duì)GSM-R上行頻段（885 MHz～889 MHz）的干擾。在鐵路沿線的CDMA下行信號(hào)（870 MHz～880 MHz）由于帶外抑制不好，對(duì)GSM-R上行信號(hào)形成干擾，特別是在鐵路兩基站中間切換的弱場(chǎng)區(qū)域，這種干擾尤為嚴(yán)重。

（4）個(gè)別單位使用無線電發(fā)射設(shè)備占用鐵路專用頻段內(nèi)的頻率；有的單位使用無線電干擾設(shè)備等，對(duì)GSM-R頻率造成一定影響。

（5）GSM-R網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部存在同頻、鄰頻干擾。在鐵路樞紐、并行線路、開闊地段，因頻率規(guī)劃不良形成內(nèi)部互相影響。

3 GSM-R網(wǎng)絡(luò)頻率干擾典型案例

3.1 GSM基站性能不良使GSM-R頻段底噪抬升

（1）測(cè)試頻譜圖。某年某月2日19：30：00，在某高鐵K144+800處對(duì)下行頻段進(jìn)行測(cè)試。圖1為線路旁測(cè)試到的頻譜圖；圖2為干擾基站旁測(cè)試到的頻譜圖；圖3為干擾基站關(guān)閉后測(cè)試到的頻譜圖。上行頻段測(cè)試全部合格（頻譜圖略）。

（2）頻譜圖數(shù)據(jù)分析。由圖1、圖2可以看出，測(cè)試點(diǎn)的下行頻段存在全頻段干擾信號(hào)，強(qiáng)度達(dá)-50 dBm，GSM-R信號(hào)完全淹沒在干擾信號(hào)中。在關(guān)閉GSM基站后，底噪信號(hào)降到-100 dBm以下（見圖3）。

（3）測(cè)試手機(jī)數(shù)據(jù)見表2。

（4）分析結(jié)論。根據(jù)以上頻譜圖及測(cè)試手機(jī)數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及運(yùn)營商開關(guān)基站試驗(yàn)證明該基站對(duì)GSM-R系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，關(guān)閉該小區(qū)（460-00-10135-4663）后干擾信號(hào)明顯降低。所以確認(rèn)該GSM基站對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾。

（5）干擾排查。鐵路維護(hù)單位經(jīng)與當(dāng)?shù)剡\(yùn)營商協(xié)調(diào)，反復(fù)試驗(yàn)，運(yùn)營商對(duì)基站設(shè)備加裝了濾波器、更換了饋線、耦合器、3 db電橋，調(diào)整了天線方位角和俯仰角等，使干擾信號(hào)降到-95 dBm，但干擾仍未完全消除，估計(jì)基站本身性能不良，需繼續(xù)處理。

3.2 GSM基站占用GSM-R頻點(diǎn)

（1）測(cè)試頻譜圖：某年某月19日12：34，在某高鐵K697+213線路旁便道上進(jìn)行測(cè)試。圖4為下行頻段930 MHz～934 MHz頻譜圖。

（2）頻譜圖數(shù)據(jù)分析見表3。

（3）測(cè)試手機(jī)數(shù)據(jù)見表4。

圖1 鐵路旁測(cè)試到的頻譜（某高鐵K144+800）

圖2 干擾基站旁測(cè)試到的頻譜（某高鐵K144+800）

圖3 干擾基站關(guān)閉后測(cè)試到的頻譜（某高鐵K144+800）

（4）結(jié)論及排查。根據(jù)以上頻譜圖及測(cè)試手機(jī)數(shù)據(jù)分析，在測(cè)試點(diǎn)（K697+213）附近發(fā)現(xiàn)GSM網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)，頻點(diǎn)1016和1019，其LAI為460-00-14186和460-00-14266。鐵路維護(hù)單位及時(shí)向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理部門匯報(bào)，經(jīng)協(xié)調(diào)電信運(yùn)營商對(duì)占用的鐵路頻點(diǎn)進(jìn)行了清理。后經(jīng)過復(fù)測(cè)GSM-R質(zhì)量得到改善。

4 GSM-R網(wǎng)絡(luò)頻率干擾監(jiān)測(cè)排查基本方法

4.1 干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有車載式、便攜式、固定式等方式，一般主要由測(cè)量接收機(jī)（或頻譜儀）、信令識(shí)別單元（或測(cè)試手機(jī)）、GPS接收機(jī)、測(cè)試處理單元（電腦及軟件）、測(cè)試天線（全向、定向）等組成，并按照?qǐng)D5搭建測(cè)試系統(tǒng)。

4.2 GSM-R干擾監(jiān)測(cè)地點(diǎn)選擇原則

（1）根據(jù)GSM-R系統(tǒng)開通前測(cè)試的電磁環(huán)境報(bào)告，對(duì)電平底噪超過-105 dBm或存在明顯信號(hào)包絡(luò)的區(qū)段；

表2 測(cè)試手機(jī)數(shù)據(jù)（某高鐵K144+800）

圖4 某高鐵K697+213頻譜

表3 頻譜圖數(shù)據(jù)分析（某高鐵K697+213）

表4 測(cè)試手機(jī)數(shù)據(jù)（某高鐵K697+213）

圖5 干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（2）日常行車過程中具有地域特征的列控降級(jí)、通信中斷、通信連接失敗的區(qū)段；

（3）根據(jù)GSM-R網(wǎng)管統(tǒng)計(jì)的基站干擾帶等級(jí)和出現(xiàn)乒乓切換、越區(qū)切換、存在頻繁異常信令區(qū)段判斷存在干擾的區(qū)段；

（4）綜合檢測(cè)車對(duì)服務(wù)質(zhì)量（QoS）、場(chǎng)強(qiáng)覆蓋測(cè)試，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量問題、指標(biāo)劣化、出現(xiàn)異常現(xiàn)象的區(qū)段。

4.3 GSM-R干擾監(jiān)測(cè)方法步驟

按照以上原則選定測(cè)試區(qū)段，到達(dá)預(yù)定的測(cè)試點(diǎn)，首先對(duì)儀器儀表進(jìn)行校核及初始設(shè)置。一般按照下列步驟進(jìn)行測(cè)試：

（1）在鐵路沿線可能存在干擾的區(qū)域，選擇開闊無遮擋的地點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定點(diǎn)測(cè)試。首先記錄測(cè)試時(shí)間，測(cè)試點(diǎn)的緯度、經(jīng)度、溫度、濕度及天氣情況；掌握測(cè)試點(diǎn)周邊環(huán)境（遮擋情況、通信基站情況）、測(cè)試天線距離鐵路軌面及地面高度等基本信息。

（2）采用全向天線對(duì)GSM-R頻段進(jìn)行全頻段、全方位掃描，頻譜儀檢波方式選用峰值檢波，trace采用最大保持、平均、實(shí)時(shí)等方式，記錄被測(cè)頻段信號(hào)，測(cè)試10～20 min，存儲(chǔ)頻譜圖。若瞬間全頻段底噪明顯抬升，則重新設(shè)置儀表參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

（3）當(dāng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)有異常信號(hào)時(shí)，換成測(cè)向天線，頻譜儀檢波方式選用峰值檢波，trace采用最大保持、平均、實(shí)時(shí)等方式，對(duì)不同方向進(jìn)行詳細(xì)掃描測(cè)試，并仔細(xì)觀察各方向上的信號(hào)變化情況并存儲(chǔ)頻譜圖。

（4）分析測(cè)試頻譜圖各頻點(diǎn)信號(hào)是否為本線路GSM-R基站信號(hào)，如為本線路GSM-R信號(hào)，利用測(cè)試手機(jī)測(cè)試各頻點(diǎn)的C/I，分析各信道的影響程度，并測(cè)試、分析是否為系統(tǒng)內(nèi)其他基站的同頻信號(hào)。根據(jù)信號(hào)特征適當(dāng)擴(kuò)展頻率掃描范圍，進(jìn)一步分析信號(hào)類型及與其他大信號(hào)的關(guān)系。

（5）根據(jù)測(cè)試的信號(hào)特征初步判斷是否為GSM信號(hào)，利用信令識(shí)別單元（測(cè)試手機(jī)）測(cè)試，必要時(shí)可用多個(gè)手機(jī)同時(shí)進(jìn)行撥打測(cè)試，判斷當(dāng)前基站區(qū)是否有TCH使用GSM-R頻點(diǎn)；同時(shí)利用頻譜儀、測(cè)試手機(jī)掃描監(jiān)測(cè)該處頻譜。發(fā)現(xiàn)跳頻的小區(qū)，還需使用測(cè)試手機(jī)監(jiān)測(cè)參與跳頻的頻點(diǎn)。使用信令識(shí)別單元的強(qiáng)制功能（FORCING FUNCTION）中鎖定BCCH（SET BCCH）功能測(cè)試各小區(qū)的TCH信道進(jìn)行撥打測(cè)試。并記錄LAI、BSIC、小區(qū)全球識(shí)別碼（CGI）、BCCH、TCH等信令數(shù)據(jù)，結(jié)合信令數(shù)據(jù)分析測(cè)試頻譜圖各頻點(diǎn)信號(hào)，判斷信號(hào)類型。

（6）當(dāng)干擾信號(hào)具有GSM頻譜特征且無信令時(shí)，根據(jù)信號(hào)特征適當(dāng)擴(kuò)展頻率掃描范圍，進(jìn)一步分析與其他信號(hào)的關(guān)系，計(jì)算測(cè)試點(diǎn)周邊各小區(qū)信道的互調(diào)信號(hào)是否落在GSM-R頻段內(nèi)，如干擾信號(hào)為互調(diào)信號(hào)，可利用頻譜儀、測(cè)向天線進(jìn)一步跟蹤該小區(qū)BCCH信道、信號(hào)方向，逼近該基站，在逼近過程中持續(xù)判斷該基站是否存在對(duì)GSM-R的干擾。

（7）干擾為非GSM信號(hào)時(shí)，利用頻譜儀或測(cè)試接收機(jī)、測(cè)向天線、指南針、GPS等測(cè)試設(shè)備測(cè)試干擾源方位，利用交叉定位或逐步逼近的方法查找干擾源。如信號(hào)具有25 kHz信號(hào)特征時(shí)，若可解調(diào)該信號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)播放并錄制解調(diào)內(nèi)容。

（8）根據(jù)測(cè)量接收機(jī)（頻譜儀）和信令測(cè)試單元（測(cè)試手機(jī)）的測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行綜合分析確定干擾類型和干擾源位置，并編寫測(cè)試報(bào)告。

5 GSM-R網(wǎng)絡(luò)頻率保護(hù)的有效措施

為提高GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和可靠性，有效保護(hù)鐵路專用頻率安全，建議做好如下幾方面工作。

5.1 做好工程開通前的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)和清頻工作

對(duì)于即將開通的網(wǎng)絡(luò)線路應(yīng)反復(fù)測(cè)試沿線電磁環(huán)境，對(duì)于鐵路專用頻帶內(nèi)有占用頻點(diǎn)及超過-105 dBm的電磁信號(hào)，都應(yīng)進(jìn)行清理和查找，直至滿足電磁環(huán)境要求，確保線路開通后電磁環(huán)境良好。

5.2 加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)工作

鐵路運(yùn)營維護(hù)單位要通過網(wǎng)管和信令監(jiān)測(cè)手段，監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用質(zhì)量，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)掉話、連接丟失、切換失敗、數(shù)據(jù)接收失敗、C3通信超時(shí)、運(yùn)用質(zhì)量下降等現(xiàn)象，在排除設(shè)備問題后，分析判斷是否存在干擾，并初步確定干擾的區(qū)段。要定期對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，綜合分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)干擾問題。在確認(rèn)存在干擾后，應(yīng)及時(shí)組織技術(shù)力量，利用干擾監(jiān)測(cè)車、便攜式干擾測(cè)試設(shè)備等進(jìn)行測(cè)試，定位干擾源，明確干擾類型，迅速處理干擾問題。

5.3 積極采用技術(shù)手段，消除公網(wǎng)移動(dòng)通信對(duì)鐵路專用頻率的干擾

一是依法堅(jiān)決清理占用鐵路專用頻率；二是對(duì)底噪抬升的基站、直放站應(yīng)建議其提高設(shè)備性能、選用選頻直放站或加裝濾波器，抑制帶外雜散對(duì)鐵路專用頻率的影響；三是協(xié)調(diào)運(yùn)營商優(yōu)化鐵路沿線頻率規(guī)劃，對(duì)鐵路專用頻段實(shí)行較寬的隔離頻帶。

5.4 改善鐵路自身的網(wǎng)絡(luò)性能質(zhì)量，提高抑制干擾的能力

建議研究GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標(biāo)，適當(dāng)提高場(chǎng)強(qiáng)最低值，以提高載干比，減小被干擾機(jī)遇。同時(shí)，研究在機(jī)車終端接收側(cè)加裝930 MHz～934 MHz帶通濾波器，在基站接收側(cè)加裝885 MHz～889 MHz帶通濾波器，抑制帶外雜散對(duì)接收信號(hào)的影響，以改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

5.5 合理規(guī)劃頻率，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部同頻、鄰頻干擾

樞紐地區(qū)進(jìn)行頻率規(guī)劃應(yīng)遵從高等級(jí)線路優(yōu)先規(guī)劃，低等級(jí)線路遵從高等級(jí)線路頻率規(guī)劃，后建線路遵從先建線路；并行線路在3 km內(nèi)應(yīng)盡量使用同一基站，在6 km內(nèi)保證不同頻率、不同BSIC碼，以避免相互干擾和乒乓切換。對(duì)于平原及開闊地段，基站設(shè)置距離可適當(dāng)延長，合理設(shè)置天線俯仰角，減少基站互相干擾。

5.6 加強(qiáng)與地方無線電管理部門溝通，建立鐵路專用頻率保護(hù)長效機(jī)制

建議鐵路網(wǎng)絡(luò)維護(hù)部門加強(qiáng)與國家和地方無線電管理部門的溝通協(xié)調(diào)，切實(shí)建立鐵路專用頻率長效保護(hù)機(jī)制，定期召開協(xié)調(diào)會(huì)議。對(duì)監(jiān)測(cè)出的干擾問題主動(dòng)向地方無線電管理部門報(bào)告，及時(shí)協(xié)調(diào)處理干擾問題，為鐵路無線網(wǎng)絡(luò)營造良好的電磁環(huán)境。

[1] 信部無函［2003］394號(hào) 關(guān)于鐵路專用GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)使用頻率及相關(guān)問題的函[S].

[2] 信部無函［2007］136號(hào) 關(guān)于鐵道部和中國移動(dòng)公用900 MHz移動(dòng)通信網(wǎng)頻率資源問題的函[S].

[3] TJ/DW143—2012 鐵路無線電干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)條件[S].

王買智：北京鐵路通信技術(shù)中心，高級(jí)工程師，北京，100038

責(zé)任編輯 盧敏