么亮

1 鐵路無(wú)線干擾現(xiàn)狀及分類

鐵路GSM-R系統(tǒng)承載了司機(jī)與調(diào)度通信、無(wú)線車次號(hào)校核、調(diào)度命令傳輸、無(wú)線列控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)扰c鐵路行車安全息息相關(guān)的無(wú)線通信業(yè)務(wù)［1］。根據(jù)近5年鐵路無(wú)線干擾監(jiān)測(cè)單位對(duì)干擾監(jiān)測(cè)情況的統(tǒng)計(jì)，共計(jì)監(jiān)測(cè)鐵路沿線疑似干擾地點(diǎn)約1 200處，發(fā)現(xiàn)干擾近430處，占干擾監(jiān)測(cè)總數(shù)的36%。干擾種類大致可分為電信運(yùn)營(yíng)商底噪抬升干擾，電信運(yùn)營(yíng)商基站設(shè)備發(fā)射大功率信號(hào)造成的阻塞、互調(diào)干擾，電信運(yùn)營(yíng)商直接占用GSM-R頻點(diǎn)造成的外網(wǎng)干擾，GSM-R網(wǎng)內(nèi)同頻、鄰頻干擾，其他電氣設(shè)備造成的突發(fā)干擾等5類［2］。分析各類干擾產(chǎn)生的原因如下。

1）底噪抬升干擾。外網(wǎng)干擾主要是電信運(yùn)營(yíng)商基站或直放站發(fā)射的強(qiáng)信號(hào)對(duì)GSM-R下行全頻段底噪的抬升，影響范圍大、頻帶寬。底噪抬升主要由覆蓋高鐵的電信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)信號(hào)引起，其功率往往較大，通過(guò)頻譜儀掃頻發(fā)現(xiàn)底噪很高，淹沒(méi)了GSM-R信號(hào)，出現(xiàn)通話質(zhì)量差、掉話現(xiàn)象，造成GSM-R網(wǎng)絡(luò)無(wú)法正常使用。

2）阻塞、互調(diào)干擾［3］。發(fā)生阻塞、互調(diào)干擾的主要原因是鐵路沿線電信運(yùn)營(yíng)商基站的發(fā)射頻率或基站發(fā)射機(jī)電性能指標(biāo)下降產(chǎn)生雜散信號(hào)，由此產(chǎn)生的三階互調(diào)頻率信號(hào)進(jìn)入GSM-R終端接收機(jī)后，產(chǎn)生非線性失真，底噪變大，導(dǎo)致通話質(zhì)量差甚至掉話，對(duì)鐵路GSM-R信號(hào)形成干擾。

3）直接占用GSM-R頻點(diǎn)干擾［4］。主要原因是部分地區(qū)仍存在電信運(yùn)營(yíng)企業(yè)使用鐵路GSM-R頻點(diǎn)現(xiàn)象，直接造成對(duì)鐵路無(wú)線電專用頻率的干擾。

4）GSM-R網(wǎng)內(nèi)干擾。隨著新建GSM-R線路的開(kāi)通，頻率資源日趨緊張，在鐵路樞紐，并行、交叉線路的頻率資源難以合理規(guī)劃，造成通信通道間互相影響，易發(fā)生GSM-R網(wǎng)內(nèi)同頻和鄰頻干擾。

5）其他干擾。發(fā)生由于其他電氣設(shè)備造成的突發(fā)干擾的主要原因是鄰近鐵路沿線的學(xué)校使用考試屏蔽器，居民樓內(nèi)安裝的非法射頻發(fā)射機(jī)占用GSM-R頻點(diǎn)，高壓變電站的電磁環(huán)境復(fù)雜等，對(duì)GSM-R頻點(diǎn)造成電磁干擾。

2 干擾監(jiān)測(cè)工作存在的問(wèn)題

1）干擾監(jiān)測(cè)方式被動(dòng)。目前鐵路干擾監(jiān)測(cè)工作以被動(dòng)查找為主，當(dāng)出現(xiàn)疑似影響鐵路通信業(yè)務(wù)的干擾時(shí)，鐵路局通信維護(hù)部門或者干擾監(jiān)測(cè)單位再派員攜帶儀器前往疑似干擾地點(diǎn)查找干擾原因。當(dāng)?shù)竭_(dá)干擾地點(diǎn)時(shí)，往往由于干擾的突發(fā)性或者干擾源的消失，導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)捕捉干擾信息和查找干擾源，因此干擾監(jiān)測(cè)效率低。

2）干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)落后。目前鐵路干擾監(jiān)測(cè)使用的儀表主要是以基于矢量信號(hào)分析技術(shù)的傳統(tǒng)頻域頻譜分析儀為主，捕捉到干擾信號(hào)后，需要具有較高技術(shù)分析能力的人員對(duì)頻譜信號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析判斷，從而查找干擾源。頻域頻譜分析儀僅能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)干擾信息的捕捉，對(duì)鐵路沿線出現(xiàn)的突發(fā)性、實(shí)時(shí)變化的干擾信號(hào)的捕捉能力較弱。

3）鐵路沿線電磁環(huán)境復(fù)雜多變。隨著中國(guó)高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，以及既有450 MHz線路改為GSM-R線路，以GSM-R網(wǎng)絡(luò)承載鐵路通信業(yè)務(wù)的線路逐年上升［5］。鄰近高鐵地區(qū)以及城際鐵路周邊的社會(huì)活動(dòng)頻繁，能夠產(chǎn)生電磁波的裝置大量增加，導(dǎo)致GSM-R電波傳播環(huán)境日益復(fù)雜，干擾電波類型和干擾源種類繁多，給鐵路維護(hù)人員監(jiān)測(cè)干擾情況帶來(lái)了極大困難［6］。

4）干擾監(jiān)測(cè)工作效率不高。我國(guó)鐵路線路具有運(yùn)營(yíng)里程長(zhǎng)、地域跨越范圍廣的特點(diǎn)，干擾監(jiān)測(cè)單位往往需要長(zhǎng)途駕車趕到鐵路沿線的干擾地點(diǎn)進(jìn)行干擾信號(hào)的捕捉和分析，一天只能監(jiān)測(cè)個(gè)別干擾地點(diǎn)，無(wú)法對(duì)一條完整鐵路沿線的干擾情況進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)分析。

3 干擾監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

3.1 傳統(tǒng)頻譜分析技術(shù)

傳統(tǒng)頻譜分析技術(shù)是通過(guò)“本振掃描+中頻濾波”分別獲取信號(hào)不同頻段的功率強(qiáng)度，因此無(wú)法在同一時(shí)刻獲取信號(hào)的全部頻域信息。如果時(shí)變信號(hào)的周期與傳統(tǒng)頻譜的本振掃描周期成整數(shù)倍，則可能永遠(yuǎn)無(wú)法捕捉到頻譜。傳統(tǒng)頻譜掃頻信息分析技術(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 傳統(tǒng)頻譜掃頻信息分析

傳統(tǒng)頻譜分析技術(shù)對(duì)無(wú)線干擾查找存在以下局限性。

1）適合于定點(diǎn)、靜態(tài)、長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。由于采用的是頻譜掃描的方式，因此無(wú)法對(duì)整個(gè)被測(cè)頻段進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和干擾捕捉。

2）測(cè)試結(jié)果是頻率與信號(hào)強(qiáng)度的二維圖譜，對(duì)于某些干擾，很難描述清楚有用信號(hào)與干擾信號(hào)之間的關(guān)系。

3）適用于在基站關(guān)閉條件下進(jìn)行干擾測(cè)量，不適合基站正常運(yùn)行條件下的在線測(cè)量。

3.2 實(shí)時(shí)頻譜分析技術(shù)

如圖2所示，實(shí)時(shí)頻譜分析技術(shù)是將特定頻譜分量大小作為觸發(fā)條件，對(duì)信號(hào)進(jìn)行高速測(cè)量，保證信號(hào)的處理速度高于采樣速度，確保信號(hào)不丟失；對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，將監(jiān)測(cè)到的無(wú)線頻譜時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成不同頻率下對(duì)應(yīng)的振幅和相位。與傳統(tǒng)掃頻式頻譜儀相比，實(shí)時(shí)頻譜分析技術(shù)的最大特點(diǎn)是在信號(hào)處理過(guò)程中能夠完全利用所采集的時(shí)域采樣點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的信號(hào)測(cè)量，捕捉瞬時(shí)干擾信號(hào)。

圖2 實(shí)時(shí)頻譜分析技術(shù)原理

傳統(tǒng)的掃頻式頻譜儀一般只具備功率或者電平觸發(fā)，不能根據(jù)特定頻譜的情況觸發(fā)測(cè)量，因此對(duì)轉(zhuǎn)瞬即逝的偶發(fā)信號(hào)無(wú)能為力。實(shí)時(shí)頻譜儀的測(cè)量速率高，可以偵聽(tīng)最小時(shí)長(zhǎng)小于5.8μs的信號(hào)。用普通頻譜儀很難捕捉的短暫時(shí)間后消失的間歇性脈沖信號(hào)，用實(shí)時(shí)頻譜儀則很容易發(fā)現(xiàn)。實(shí)時(shí)頻譜分析儀掃頻信息如圖3所示，圖中顯示的顏色是某一信號(hào)出現(xiàn)的頻度，頻譜顏色較深（偏紅）說(shuō)明該信號(hào)在所設(shè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)概率高，較淺（偏藍(lán)）說(shuō)明該信號(hào)在所設(shè)時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)概率低，可以發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)概率很小的跳頻信號(hào)及其他短脈沖信號(hào)，從而可查看傳統(tǒng)頻譜儀完全漏掉的信號(hào)細(xì)節(jié)，完整地呈現(xiàn)所觀察頻率范圍內(nèi)的頻譜信息。

圖3 實(shí)時(shí)頻譜分析儀掃頻信息

4 實(shí)時(shí)頻譜分析技術(shù)在無(wú)線干擾查找中的應(yīng)用

為解決傳統(tǒng)頻譜分析技術(shù)在鐵路無(wú)線干擾查找中存在的問(wèn)題，北京鐵路通信技術(shù)中心牽頭，聯(lián)合中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所、上海諾恩科技有限公司開(kāi)展了GSM-R干擾監(jiān)測(cè)的研究，對(duì)傳統(tǒng)頻譜分析技術(shù)和實(shí)時(shí)頻譜分析技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)對(duì)比，研制了基于實(shí)時(shí)頻譜分析技術(shù)的GSM-R干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成及功能

基于實(shí)時(shí)頻譜分析技術(shù)的GSM-R干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱實(shí)時(shí)頻譜分析系統(tǒng)），由實(shí)時(shí)頻譜分析儀和實(shí)時(shí)頻譜處理系統(tǒng)組成。其中，實(shí)時(shí)頻譜分析儀負(fù)責(zé)掃描電磁環(huán)境的頻譜數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)頻譜處理系統(tǒng)與實(shí)時(shí)頻譜分析儀通過(guò)網(wǎng)線相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)頻譜分析儀的控制，負(fù)責(zé)頻譜信息的存儲(chǔ)和分析。

實(shí)時(shí)頻譜分析系統(tǒng)通過(guò)對(duì)相關(guān)干擾特性進(jìn)行分析，開(kāi)發(fā)了可以自動(dòng)計(jì)算三階互調(diào)干擾、阻塞干擾、瞬時(shí)底噪抬升、同頻干擾、鄰頻干擾等多種干擾類型的軟件算法，在存在相應(yīng)干擾事件的頻點(diǎn)上進(jìn)行標(biāo)注，顯示頻譜信息的干擾特性，無(wú)需維護(hù)人員進(jìn)行復(fù)雜的干擾分析；同時(shí)能夠統(tǒng)計(jì)測(cè)試線路的所有干擾類型、發(fā)生地點(diǎn)、干擾頻點(diǎn)等，提供了干擾信息的自動(dòng)記錄和統(tǒng)計(jì)功能。

實(shí)時(shí)頻譜分析系統(tǒng)既可安裝于高速鐵路動(dòng)檢車上，實(shí)現(xiàn)對(duì)GSM-R全線的干擾監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，也可用于地面固定地點(diǎn)的干擾查找；同時(shí)能夠結(jié)合高速鐵路動(dòng)檢車GSM-R服務(wù)質(zhì)量測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)出的不合格業(yè)務(wù)指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，判斷干擾對(duì)鐵路通信業(yè)務(wù)的影響程度，極大地提高了干擾查找效率。安裝于高速鐵路綜合檢測(cè)車上的臺(tái)式GSM-R在線干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖4。用于地面固定地點(diǎn)測(cè)試時(shí)，實(shí)時(shí)頻譜分析系統(tǒng)與GPS接收機(jī)通過(guò)串口相連，采用RS-232協(xié)議通信，實(shí)現(xiàn)GPS信息的實(shí)時(shí)采集以及干擾地點(diǎn)的確認(rèn)。便攜式GSM-R在線干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖5。

圖4 臺(tái)式GSM-R在線干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

圖5 便攜式GSM-R在線干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

4.2 應(yīng)用案例

4.2.1 查找某高鐵沿線三階互調(diào)干擾和阻塞干擾

某高鐵線路隧道口設(shè)置的GSM-R頻點(diǎn)為932.2 MHz，動(dòng)檢車經(jīng)過(guò)此處時(shí)測(cè)試到GSM-R服務(wù)質(zhì)量下降。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，移動(dòng)公司在隧道內(nèi)做了公網(wǎng)覆蓋，使用傳統(tǒng)頻譜分析儀無(wú)法分析出干擾情況，而使用實(shí)時(shí)頻譜分析系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到該處存在移動(dòng)基站，對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)的932.2 MHz頻點(diǎn)產(chǎn)生三階互調(diào)干擾和阻塞干擾［7］。

1）三階互調(diào)干擾分析。實(shí)時(shí)頻譜分析系統(tǒng)監(jiān)測(cè)出的三階互調(diào)干擾頻率為937.8 MHz和943.4 MHz，三階互調(diào)頻譜產(chǎn)物的頻率為937.8×2-943.4=932.2 MHz。三階互調(diào)干擾頻譜見(jiàn)圖6。

2）阻塞干擾分析。經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)頻譜分析系統(tǒng)測(cè)試，該處還存在移動(dòng)公司936.8 MHz和937.8 MHz的大信號(hào)阻塞干擾。根據(jù)3GPP TS05.05《Radio transmission and reception》規(guī) 范5.1章 定義，阻塞信號(hào)頻點(diǎn)f與GSM-R服務(wù)小區(qū)頻點(diǎn)fo之差在800 kHz至1.6 MHz之間且阻塞信號(hào)強(qiáng)度大于-33 dB，或者f與f0之差大于1.6 MHz且阻塞信號(hào)強(qiáng)度大于-23 dB，則判定為阻塞信號(hào)。大信號(hào)阻塞干擾的實(shí)時(shí)頻譜分析圖見(jiàn)圖7。

4.2.2 查找移動(dòng)公網(wǎng)跳頻干擾

高速鐵路綜合檢測(cè)車對(duì)某高鐵線路GSM-R服務(wù)質(zhì)量測(cè)試情況如圖8所示，標(biāo)記點(diǎn)GSM-R網(wǎng)絡(luò)A小區(qū)的下行方向載干比下降和通信質(zhì)量惡化。從圖8可以看出，在該小區(qū)出現(xiàn)了概率很小的信號(hào)頻譜。正常情況下，一個(gè)GSM-R時(shí)隙信號(hào)在系統(tǒng)中的顯示應(yīng)該是藍(lán)色。實(shí)時(shí)頻譜顯示顏色與信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間長(zhǎng)度有關(guān)。時(shí)間越長(zhǎng)，顯示顏色越深；時(shí)間越短，顯示顏色越淺［8］。

圖6 三階互調(diào)干擾頻譜

圖7 大信號(hào)阻塞干擾頻譜

圖8 某高鐵線路GSM-R服務(wù)質(zhì)量測(cè)試情況

圖9 標(biāo)記的頻點(diǎn)1 008（931.8 MHZ）應(yīng)該是A基站的TCH頻點(diǎn)，但從信號(hào)強(qiáng)度上看，標(biāo)記的信號(hào)比A基站信號(hào)的強(qiáng)度約高12 dB以上，可以認(rèn)為該信號(hào)不是從A基站發(fā)出的。通過(guò)該信號(hào)呈現(xiàn)的顏色也可以認(rèn)為不是GSM-R的語(yǔ)音信道（占用時(shí)間不足1/8時(shí)隙0.577 ms），經(jīng)測(cè)試人員現(xiàn)場(chǎng)使用測(cè)試手機(jī)插入移動(dòng)SIM卡進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)為移動(dòng)公司跳頻信號(hào)，聯(lián)系移動(dòng)公司修改頻點(diǎn)后，問(wèn)題得以解決。

圖9 某高鐵線路實(shí)時(shí)頻譜分析圖顯示的突發(fā)信號(hào)

4.2.3 與GSM-R服務(wù)質(zhì)量測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析

實(shí)時(shí)頻譜分析系統(tǒng)與高速鐵路動(dòng)檢車GSMR服務(wù)質(zhì)量測(cè)試系統(tǒng)可以關(guān)聯(lián)配合，對(duì)“切換失敗”“話音質(zhì)量＞5級(jí)”“C/I小于5”“話音質(zhì)量＞5級(jí)且C/I小于5”“傳輸干擾時(shí)間不合格”“傳輸無(wú)差錯(cuò)時(shí)間不合格”6類服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行測(cè)試［9］。當(dāng)GSM-R服務(wù)質(zhì)量分析軟件檢測(cè)出服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，觸發(fā)實(shí)時(shí)頻譜分析軟件記錄當(dāng)時(shí)的頻譜信息，并保存服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題類型。通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)的問(wèn)題類型，可以調(diào)用問(wèn)題點(diǎn)的頻譜數(shù)據(jù)，確定不合格服務(wù)質(zhì)量是否因?yàn)楦蓴_引起。關(guān)聯(lián)分析功能如圖10所示，圖中左側(cè)為GSM-R服務(wù)質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)某高鐵線路GSM-R基站覆蓋區(qū)段部分GSM-R服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)測(cè)試不合格；圖中右側(cè)部分為實(shí)時(shí)頻譜分析數(shù)據(jù)，右側(cè)上圖以事件列表方式記錄了每次服務(wù)質(zhì)量不合格發(fā)生的地點(diǎn)，點(diǎn)擊每個(gè)服務(wù)質(zhì)量不合格事件，可以查看指標(biāo)不合格地點(diǎn)的實(shí)時(shí)頻率圖，分析是否由干擾引起。

4.2.4 對(duì)高鐵沿線干擾情況進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析

利用實(shí)時(shí)頻譜分析系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)功能，可以對(duì)動(dòng)檢車測(cè)試過(guò)程中整個(gè)線路的干擾情況進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和分析。表1為某高鐵線路的干擾統(tǒng)計(jì)情況，主要存在三階互調(diào)、大信號(hào)阻塞等干擾。

圖10 GSM-R服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題與實(shí)時(shí)頻譜數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析

表1 實(shí)時(shí)頻譜分析系統(tǒng)對(duì)某高鐵線路的無(wú)線干擾情況

5結(jié)束語(yǔ)

高鐵無(wú)線干擾的排查是一項(xiàng)復(fù)雜、艱巨的工作，技術(shù)人員需要全面掌握通信系統(tǒng)的工作原理和工作方式，具有熟練操作測(cè)試設(shè)備的技能，以及一定的無(wú)線干擾數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)，并善于總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和加以運(yùn)用，通過(guò)對(duì)大量頻譜數(shù)據(jù)的分析，準(zhǔn)確、快速地判定干擾信號(hào)。在提高技術(shù)人員業(yè)務(wù)素質(zhì)的基礎(chǔ)上，配備性能良好、功能完善、操作便利的干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于做好高速鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)工作具有積極作用［10］。

基于實(shí)時(shí)頻譜分析的GSM-R在線干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)分散的干擾信息的自動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，為鐵路無(wú)線干擾的大數(shù)據(jù)分析提供了便攜的工具，便于掌握全路各線的無(wú)線干擾情況，為鐵路無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)提供了強(qiáng)有力的科學(xué)手段和便利條件。