馬良德，左自輝，彭博，韓春明

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

0 引言

隨著我國高速鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）網(wǎng)絡(luò)運用日益成熟，高鐵樞紐、并線、交叉線等區(qū)域場景日益增多，公眾電信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不斷增強，無線干擾在高鐵無線通信運維中已逐步成為主要被關(guān)注問題。據(jù)2017年全國高速鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量動態(tài)檢測結(jié)果統(tǒng)計，超過60%的服務(wù)質(zhì)量問題與網(wǎng)絡(luò)無線干擾有關(guān)，且這一比例在2018年有所增長。目前解決無線干擾問題已成為鐵路無線通信維護部門的重點工作之一。

1 無線干擾類型及影響

無線干擾是移動通信領(lǐng)域中永恒的話題，隨著無線電頻譜這種戰(zhàn)略資源被越來越廣泛的開發(fā)和利用，各頻段間的相互干擾顯得愈發(fā)不可避免。無線干擾是指在無線通信過程中發(fā)生的、無用的無線電信號引起的、導(dǎo)致有用信號接收質(zhì)量下降或者損害的狀態(tài)及事實[1]。

移動通信系統(tǒng)從頻率的角度劃分，主要存在3種類型的干擾：同頻干擾、鄰頻干擾和互調(diào)干擾。從被干擾的頻段鏈路角度劃分，分為上行鏈路干擾和下行鏈路干擾。從干擾來源角度劃分，分為網(wǎng)內(nèi)干擾和網(wǎng)外干擾。另外，無線通信系統(tǒng)所處環(huán)境及其本身還存在噪聲干擾[2]，包括自然噪聲、人為噪聲及系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲，干擾類型見圖1。

鐵路GSM-R無線通信系統(tǒng)為干擾受限系統(tǒng)，無線鏈路的性能主要受限于干擾而不是受限于噪聲[3]。干擾檢測主要從頻率和功率的角度對GSM-R無線干擾進行分析，干擾類型主要包括同頻干擾、鄰頻干擾、互調(diào)干擾、大信號阻塞干擾以及由直放站引起的多徑干擾等。

CTCS-3 級列控系統(tǒng)是基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)車地雙向無線通信的列車運行控制系統(tǒng)，無線超時是C3線路中影響列車運行效率的重要因素之一[4]。特別是部分高鐵運行速度達(dá)到350 km/h之后，無線超時在導(dǎo)致ATP設(shè)備降級為C2模式的同時，還會使車速降至300 km/h以下，這將給高鐵運行帶來直接影響。通過大量的檢測數(shù)據(jù)分析及總結(jié)，無線干擾對GSM-R系統(tǒng)造成的影響[5]主要表現(xiàn)在3個方面：（1）影響移動用戶間的通話，使語音通話質(zhì)量下降，嚴(yán)重時會造成通信中斷。（2）影響車地間的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，給系統(tǒng)帶來誤碼、丟包，使數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量下降，嚴(yán)重時會造成數(shù)據(jù)傳輸中斷。（3）影響通信系統(tǒng)的可靠性，使正常的移動通信業(yè)務(wù)流程連接建立失敗、切換失敗、連接丟失或掉話等故障，嚴(yán)重時會造成通信系統(tǒng)阻塞或業(yè)務(wù)中斷。

圖1 移動通信系統(tǒng)無線干擾類型

2 無線干擾檢測方法及對比分析

我國鐵路GSM-R系統(tǒng)的工作頻段為885～889 MHz（上行）、930～934 MHz（下行）共4 MHz帶寬，該頻段可能會受到中國移動、中國聯(lián)通等公共電信網(wǎng)絡(luò)或其他無線電波的干擾，樞紐、交叉線或并線區(qū)域也可能產(chǎn)生網(wǎng)內(nèi)干擾，這些無線干擾將會影響高鐵的運營安全。通過對線路周邊無線干擾的定期檢測，可以查找影響鐵路的干擾源并及時排除干擾，確保無線信道的安全暢通。

2.1 傳統(tǒng)頻譜干擾檢測

傳統(tǒng)頻譜干擾檢測系統(tǒng)一般包括天線單元、測量接收機或頻譜分析儀、綜合同步定位或GPS單元、測試控制及數(shù)據(jù)處理單元等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 傳統(tǒng)頻譜干擾檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測量接收機或頻譜分析儀主要通過對無線信號進行變頻、濾波、放大等處理，實現(xiàn)對所接收信號的頻率、電平的測量。信令識別單元在通話或空閑狀態(tài)下，通過采集和分析的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，檢測識別出主小區(qū)和其所有鄰小區(qū)的廣播控制信道BCCH、業(yè)務(wù)信道TCH、接收電平RxLev、載干比C/I等信息[6]。測試控制及數(shù)據(jù)處理單元主要通過檢測軟件實現(xiàn)對所測量數(shù)據(jù)的實時存儲、分析、展示，并實現(xiàn)干擾識別和數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。

GSM-R電磁環(huán)境檢測時利用頻譜分析儀對GSM-R上、下行頻段進行掃描，一般設(shè)置掃描周期為100 ms，分辨率帶寬30 kHz，最大峰值檢波方式，分別記錄頻譜掃描范圍內(nèi)接收電平的最大值、最小值和當(dāng)前值。頻譜掃描最大值用于表征在測試區(qū)間被測頻帶內(nèi)出現(xiàn)過的電平最大值，可以反映被測區(qū)間GSM-R頻段內(nèi)的干擾分布和強度。同時啟動GPS定位子系統(tǒng)，存儲定位信息，定位信息包括經(jīng)緯度、行駛速度，并計算出移動距離，利用綜合同步定位系統(tǒng)使每個時段的頻譜掃描數(shù)據(jù)與檢測列車行經(jīng)地點相對應(yīng)。利用傳統(tǒng)頻譜分析儀進行GSM-R干擾檢測，可以直觀地看到無線信號的頻譜特征，另外頻譜儀操作簡單、實時性強、易于存儲，因此在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中有著重要作用。

但在實時檢測過程中會發(fā)現(xiàn)，在線檢測時帶寬內(nèi)的信號大部分是GSM-R本網(wǎng)的信號，即使出現(xiàn)了其他網(wǎng)絡(luò)的信號，也很難區(qū)分出來，尤其是無法分辨出同頻干擾。因此傳統(tǒng)頻譜檢測方式不適用于GSM-R網(wǎng)絡(luò)在線干擾檢測，這類系統(tǒng)大多在新線開通之前的無線清頻和聯(lián)調(diào)聯(lián)試中應(yīng)用，即在本網(wǎng)絡(luò)不運行的狀態(tài)下，對鐵路線路周圍的電磁環(huán)境進行檢測。

2.2 實時頻譜干擾檢測

由于復(fù)雜電磁環(huán)境的實時變化，使得對于頻域參數(shù)的測量需要進行實時觀測和統(tǒng)計，需要實時頻譜觀測技術(shù)來進行頻域參數(shù)的測量。尤其是如果多個信號的頻譜有重疊，傳統(tǒng)頻譜儀只能利用包絡(luò)測量已知頻譜的有無，而無法對同頻信號和多個信號進行統(tǒng)計分析。與傳統(tǒng)頻譜分析儀相比，實時頻譜儀的優(yōu)勢主要有2個方面：一是由于信號處理速度大大提升，可實現(xiàn)對幾乎所有（持續(xù)時間微秒級以上）瞬態(tài)干擾信號的捕捉。二是實時頻譜特有的數(shù)字熒光頻譜展示技術(shù)[7]（見圖3）。

圖3 某線路實時頻譜干擾檢測截圖

實時頻譜分析儀的實時頻譜檢測功能及其硬件構(gòu)架，可以實現(xiàn)對GSM跳頻信號的實時監(jiān)測，其信號處理采用并行處理的方式，可以把信號的頻譜顯示處理和信號的捕獲、分析處理分成兩條線路并行同時處理。

2.3 掃頻干擾檢測

掃頻干擾檢測系統(tǒng)通過掃頻儀的射頻前端和內(nèi)置DSP處理器來快速準(zhǔn)確地對空口進行掃描，從而實現(xiàn)對頻帶內(nèi)所有可解調(diào)的空口信號的檢測。掃頻儀可以對各種通信標(biāo)準(zhǔn)信號進行測量，與測試手機相比，它不存在處理速度與測量精度方面的局限。系統(tǒng)進行動態(tài)檢測的過程是被動接收的, 因此掃頻儀在網(wǎng)絡(luò)測量中不會對GSM-R網(wǎng)絡(luò)造成影響。掃頻儀不需要安裝SIM卡，不受參數(shù)、鄰區(qū)甚至網(wǎng)絡(luò)的影響。

掃頻干擾檢測系統(tǒng)由天線單元、掃頻儀、綜合同步定位或GPS定位單元、測試控制及數(shù)據(jù)處理單元等組成。掃頻儀通過檢測車車頂天線對GSM-R頻段（Channel Number = 1 000～1 019）的信道進行色碼掃描，采集結(jié)果通過測試控制及數(shù)據(jù)處理單元進行保存，軟件同時采集GPS的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，記錄測試軌跡并顯示路徑上的相關(guān)信息。掃頻干擾檢測截圖見圖4。

圖4 某線路掃頻干擾檢測截圖

通過對鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的上行或下行頻段信號進行掃頻檢測來分析GSM-R網(wǎng)絡(luò)頻點是否被公網(wǎng)運營商所占用，并通過MCC、MNC、LAC、BSIC等參數(shù)分析出干擾信號來源于哪個網(wǎng)絡(luò)，通過C/I分析得到占用頻點的質(zhì)量情況，進而通過基站數(shù)據(jù)庫可以定位出干擾信號來自哪個基站、與線路的距離關(guān)系等信息。

2.4 檢測方法對比分析

傳統(tǒng)頻譜儀雖然操作簡單、實時性強、便于分析，但因其掃描速度慢且沒有信號出現(xiàn)的概率密度統(tǒng)計信息，基本不具備對瞬態(tài)干擾信號、跳頻信號和同頻干擾的檢測功能，不適合不關(guān)基站情況下的在線干擾檢測。另外鄰頻干擾和非調(diào)制信號干擾檢測功能也沒有實時頻譜分析儀的相關(guān)功能強。

掃頻儀能夠不受網(wǎng)絡(luò)限制，掃描出各類網(wǎng)絡(luò)信號的電平值，且可以通過接收空口信令并解析，解出信號載干比、MCC、MNC、LAC、BSIC等，通過這些信息可以判斷信號屬于哪個網(wǎng)絡(luò)，對干擾源的查找能提供有效的幫助。但掃頻儀不具備頻譜分析功能，不能通過頻譜判斷干擾信號和本網(wǎng)服務(wù)小區(qū)之間的信號關(guān)系。另外，掃頻儀只能對調(diào)制信號的BCCH進行解碼，無法實現(xiàn)對非規(guī)則干擾信號（如窄帶脈沖干擾等）的檢測功能。通過原理分析和實踐運用總結(jié)得出3類無線干擾檢測系統(tǒng)功能對比（見表1）?？梢姡?類檢測系統(tǒng)各有其特點和局限性。

表1 3類干擾檢測系統(tǒng)功能對比

3 基于服務(wù)質(zhì)量的干擾檢測方法及應(yīng)用

干擾對GSM-R網(wǎng)絡(luò)造成的影響包括話音質(zhì)差（RxQual>4）、載干比C/I差、異常切換、切換失敗、掉話、CSD數(shù)據(jù)傳輸干擾時間和傳輸無差錯時間超標(biāo)、CSD數(shù)據(jù)傳輸中斷[5]等。這些內(nèi)容大部分是GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量檢測的項目，因此干擾檢測不應(yīng)該是一個孤立的系統(tǒng)，應(yīng)首先站在網(wǎng)絡(luò)用戶的角度從服務(wù)質(zhì)量參數(shù)的好壞來判斷網(wǎng)絡(luò)是否受到干擾。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合上述幾種干擾檢測方法的功能對比分析，提出基于服務(wù)質(zhì)量的干擾檢測方法，并利用該方法對部分高鐵線路開展干擾檢測工作。

3.1 基于服務(wù)質(zhì)量的干擾檢測方法

基于服務(wù)質(zhì)量的干擾檢測方法以檢測車為平臺，融合實時頻譜干擾檢測、信令掃頻檢測和服務(wù)質(zhì)量檢測等功能，可在線完成對通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量及狀態(tài)的綜合性檢測和網(wǎng)絡(luò)性能分析工作，用該方法研制的檢測系統(tǒng)創(chuàng)新地運用了以下鐵路無線干擾檢測功能。

3.1.1 聯(lián)動分析

基于服務(wù)質(zhì)量的GSM-R干擾檢測系統(tǒng)融合服務(wù)質(zhì)量、場強、無線干擾檢測等多項功能，檢測項目和參數(shù)較多，所以實現(xiàn)多窗口、事件聯(lián)動分析技術(shù)對數(shù)據(jù)綜合分析來說尤為重要。根據(jù)干擾檢測結(jié)果判定的特點，需要實現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量檢測結(jié)果與干擾檢測的聯(lián)動分析功能。

在進行數(shù)據(jù)分析時，不同視圖、列表、曲線圖之間可以根據(jù)公里標(biāo)實現(xiàn)聯(lián)動分析，即單擊曲線圖的某一區(qū)域時或單擊列表中的某條記錄時，系統(tǒng)能夠提取當(dāng)前操作所在的公里標(biāo)和經(jīng)緯度，將其他相關(guān)視圖、曲線圖和列表的選擇區(qū)域均定位到當(dāng)前公里標(biāo)；聯(lián)動分析有助于將各個指標(biāo)的測試結(jié)果結(jié)合起來輔助問題查找、定位和分析。

3.1.2 阻塞干擾自動識別

GSM系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范《數(shù)字蜂窩系統(tǒng)無線傳輸與接收》（GSM 05.05）中列出頻率間隔≤3 MHz時，當(dāng)移動臺持續(xù)接收到 -23 dBm的信號，基站臺持續(xù)接收到-13 dBm的信號時，接收機將可能產(chǎn)生大信號阻塞。信號阻塞一般會導(dǎo)致全頻段底噪抬升，底噪超過觸發(fā)電平閾值時將會對服務(wù)質(zhì)量造成影響。因此，阻塞干擾自動識別設(shè)置：距當(dāng)前小區(qū)頻點的頻率間隔3 MHz帶寬內(nèi)，強信號觸發(fā)電平設(shè)置為 -23 dBm；距當(dāng)前小區(qū)頻點的頻率間隔在3～10 MHz帶寬范圍內(nèi)，強信號觸發(fā)電平設(shè)置為 -15 dBm。根據(jù)不同的線路場景，可自定義設(shè)置觸發(fā)電平。

3.1.3 互調(diào)干擾自動識別

互調(diào)干擾自動識別首先從測量報告中讀取當(dāng)前BCCH或TCH頻點和電平值，掃頻儀設(shè)置為寬帶掃描，通過掃頻數(shù)據(jù)得到臨近頻點的電平值，當(dāng)某一信號的電平高于互調(diào)閾值（閾值可自定義，如設(shè)置為 -40 dBm）時，則記錄該信號的頻點，將各信號頻點統(tǒng)一放入緩存中，分別以當(dāng)前占用BCCH和TCH為受干擾頻點，進行三階互調(diào)關(guān)系計算[9]。結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫信息，判斷互調(diào)產(chǎn)物是否落在該小區(qū)的頻點。如存在互調(diào)關(guān)系頻點，則自動輸出頻點號、電平值、MCC、MNC、BISC、C/I等信息。

3.1.4 頻譜模型識別

根據(jù)當(dāng)前頻段信號頻譜特征，自動生成“頻譜模型”，模型包括標(biāo)準(zhǔn)頻譜和干擾頻譜，并可實現(xiàn)靈活修改。如設(shè)置GSM-R標(biāo)準(zhǔn)頻譜，并考慮檢測車移動、電平衰落等因素；同樣收集并設(shè)置寬頻信號、窄帶脈沖等非GSM信號和鐵路沿線港口碼頭、機場和煤礦等場景的干擾頻譜，并形成標(biāo)準(zhǔn)頻譜和干擾頻譜的數(shù)據(jù)庫。頻率觸發(fā)模板的設(shè)置功能在進行頻譜數(shù)據(jù)回放分析時，系統(tǒng)軟件將協(xié)助用戶高效、智能地完成干擾自動分析識別。

3.2 基于服務(wù)質(zhì)量的干擾檢測技術(shù)驗證

3.2.1 檢測案例

檢測列車測試某高鐵線路GSM-R服務(wù)質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)K2238+200處連續(xù)幾個月都出現(xiàn)話音質(zhì)量7級、載干比低于正常值、CSD數(shù)據(jù)干擾時間和數(shù)據(jù)無差錯時間超標(biāo)。通過服務(wù)質(zhì)量數(shù)據(jù)分析，該位置的質(zhì)量惡化只在下行檢測過程中占用1001載頻時發(fā)生，檢測車上行方向運行時切換位置在 K2237+400處，在K2238+200處使用的是1006載頻，因此判斷該質(zhì)量惡化問題與1001頻點被干擾有關(guān)，但干擾的原因無法判斷。

為了識別查找干擾源，利用基于服務(wù)質(zhì)量的在線干擾檢測系統(tǒng)對該線路進行檢測，實時頻譜分析與服務(wù)質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)聯(lián)動分析，自動識別出中國移動GSM網(wǎng)絡(luò)強信號的互調(diào)產(chǎn)物落在GSM-R網(wǎng)絡(luò)所使用的1001頻點上，干擾識別結(jié)果見表2。

表2 互調(diào)干擾自動識別結(jié)果輸出

三角標(biāo)記的2個公眾網(wǎng)絡(luò)GSM頻點f1=937.4 MHz、f2=944.4 MHz，滿足三階互調(diào)關(guān)系2f1-f2=930.4 MHz（QY-GZB08基站的BCCH頻點），對GSM-R網(wǎng)絡(luò)造成了干擾（見圖5）。分析出干擾原因后，鐵路局集團公司通信維護部門協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)匾苿庸緦ο嚓P(guān)頻點進行了調(diào)整，調(diào)整后檢測列車復(fù)測各指標(biāo)恢復(fù)正常。

圖5 基于服務(wù)質(zhì)量的GSM-R干擾檢測截圖

檢測列車在某高鐵試驗段上對LTE-R網(wǎng)絡(luò)進行測試時，發(fā)現(xiàn)某處經(jīng)常出現(xiàn)RS-SINR值減小，數(shù)據(jù)傳輸速率下降。利用干擾檢測系統(tǒng)對該線路進行檢測，通過對服務(wù)質(zhì)量與實時頻譜數(shù)據(jù)分析[10]，該位置LTE-R頻段內(nèi)存在25 kHz的窄帶信號，且電平幅值高于本網(wǎng)信號（見圖6）。通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場確認(rèn)得知附近存在含450 MHz無線列調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用的既有線和貨場，基于服務(wù)質(zhì)量的干擾檢測技術(shù)在LTE-R場景測試中得到了驗證。

圖6 基于服務(wù)質(zhì)量的LTE-R干擾檢測截圖

3.2.2 應(yīng)用成果

檢測列車搭載基于服務(wù)質(zhì)量的GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾檢測系統(tǒng)，對16條高速鐵路進行了GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾在線檢測。檢測共發(fā)現(xiàn)干擾問題105處，其中外網(wǎng)大信號阻塞導(dǎo)致全頻段底噪抬升引起的干擾83處、互調(diào)干擾5處、本網(wǎng)基站功率過高和雜散導(dǎo)致的干擾6處、外網(wǎng)頻段占用干擾11處，干擾類型及占比見圖7。

圖7 干擾類型及占比

通過檢測試驗發(fā)現(xiàn)，基于服務(wù)質(zhì)量的在線干擾檢測是高鐵無線通信干擾檢測的一種行之有效的手段。無線干擾檢測分析結(jié)果可以指導(dǎo)現(xiàn)場維護單位開展進一步的干擾源查找及排除，大大提高了高鐵無線干擾識別及干擾源排除工作的效率。

4 結(jié)束語

隨著高鐵通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)范圍的不斷擴大，無線干擾帶來的問題會更加多樣化。應(yīng)不斷創(chuàng)新檢測監(jiān)測技術(shù)手段，使動態(tài)在線干擾檢測成為鐵路無線干擾檢測監(jiān)測體系的重要組成部分。通過加強無線干擾檢測以了解干擾特性并判斷干擾類型，根據(jù)不同無線干擾類型的特點采取有針對性的解決方案，用技術(shù)創(chuàng)新保證無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的清潔，保障鐵路通信的暢通。