尹 鵬

1 背景介紹

目前國內(nèi)鐵路無線通信系統(tǒng)主要采用了GSM-R 技 術(shù)，其 技 術(shù) 來 源 于GSM［1-2］。相 比GSM，GSM-R 只是多了一些集群、高速場景等應(yīng)用內(nèi)容，即鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)和運(yùn)營商的通信系統(tǒng)在底層技術(shù)上是相同的。國際電信聯(lián)盟分配給鐵路的R-GSM900 頻段為921.0 M～960.0 MHz（下行），分配給運(yùn)營商的E-GSM 頻段為925.0 M～960.0 MHz（下行），顯然大部分是共頻段的。由于終端在體積、使用環(huán)境等方面的限制，其下行信號的抗干擾性能要低于基站，故本文只對下行，即終端的接收機(jī)抗干擾性能進(jìn)行分析。

國內(nèi)主要運(yùn)營商移動(dòng)和聯(lián)通公司的GSM900 下行頻段分別為934 M～954 MHz和954 M～960 MHz。GSM-R 模塊一般是按R-GSM900 規(guī)范的全頻段設(shè)計(jì)接收機(jī)帶寬的，這樣會(huì)造成運(yùn)營商，尤其是下行信號可能落入GSM-R 模塊帶內(nèi)，形成非常復(fù)雜的阻塞、互調(diào)等干擾，并且運(yùn)營商鐵路沿線的基站有可能就在GSM-R 沿線基站的切換區(qū)附近，在這些區(qū)域運(yùn)營商信號有可能要比GSM-R 信號強(qiáng)15 dB左右，詳見表1。

針對以上問題，從4 個(gè)方面進(jìn)行分析，并提出對策。

1）ETSI 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于接收機(jī)射頻指標(biāo)的相關(guān)規(guī)范。

2）GSM-R 帶外信號的濾除。

3） GSM-R 車載模塊接收機(jī)帶內(nèi)干擾抑制能力的檢測。

4）帶內(nèi)干擾信號識別。

2 接收機(jī)射頻指標(biāo)的相關(guān)規(guī)范

國內(nèi)GSM-R 車載模塊主要用于CIR 設(shè)備和MT設(shè)備中，接收機(jī)射頻相關(guān)指標(biāo)在TB/T 3370.1—2018中引用YD/T 1214 的標(biāo)準(zhǔn)，而YD/T 1214 部分指標(biāo)引用ETSI 的3GPP TS 05.05［3］標(biāo)準(zhǔn)，故在表2中將接收機(jī)相關(guān)抗干擾性能指標(biāo)匯總在一起進(jìn)行分析（表2 中以MS 為8W 語音車載模塊，SmallMS 為2W 車載模塊為例）。

表1 運(yùn)營商GSM900 與GSM-R 信號強(qiáng)度比較

表2 接收機(jī)抗干擾性能主要指標(biāo)及優(yōu)化建議

根據(jù)文獻(xiàn)［4］的故障案例分析數(shù)據(jù)，可看到在下行信號為-47 dBm 時(shí)，通話質(zhì)量惡化到6 級或7 級。依 據(jù)3GPP TS 05.08 中8.2.4 條，6 級BER 大于6.4%，7 級BER 大 于12.8%［5］。

從表2 可看出，互調(diào)干擾是雙干擾信號源，其他都是單干擾源。按表2 中信號幅度，增加1 個(gè)或2 個(gè)干擾信號最多使誤碼率下降到2%，即通話質(zhì)量下降到3～4 級（2.0%＜BER＜3.2%）；依據(jù)表1 的計(jì)算，文獻(xiàn)［4］中的故障原因可能是兩家運(yùn)營商的934 M～960 MHz 信號落入了標(biāo)準(zhǔn)GSM-R模塊的接收機(jī)帶內(nèi)，如果運(yùn)營商的用戶較多時(shí)，這些頻率都會(huì)被同時(shí)使用，從而形成非常復(fù)雜的阻塞、互調(diào)、同頻等干擾，導(dǎo)致通話質(zhì)量急劇下降。

3 GSM-R 帶外信號的濾除

在GSM-R 車載模塊中增加腔體濾波器，可濾除運(yùn)營商934 M～960 MHz的信號，但由于濾波器的材質(zhì)受溫度影響，會(huì)造成濾波器頻率漂移，如表3所示。鋁材質(zhì)在-25 ℃和60 ℃時(shí)會(huì)分別偏移1.1 MHz和0.8 MHz，再考慮到干擾主要來源于GSM-R 帶寬的高頻部分、主要工作在高溫等因素，建議將該濾波器帶寬規(guī)范為929 M～935 MHz，帶外衰減25 dB 以上。

相應(yīng)的國內(nèi)GSM-R 車載模塊的帶內(nèi)規(guī)范為929 M～935 MHz（以下文中的GSM-R 帶內(nèi)指這一6 MHz 頻段，GSM-R 帶外指6 MHz 頻段帶外信號），并將此濾波器和車載GSM-R 模塊一起進(jìn)行接收機(jī)指標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化建議見表2。

表3 腔體濾波器溫度變化引起的頻率漂移

4 降低GSM-R 車載模塊接收機(jī)帶內(nèi)干擾

加裝濾波器只是濾除了GSM-R 帶外的干擾，針對帶內(nèi)存在的干擾要從外部和內(nèi)部因素兩方面分析并采取措施。

1） 從外部因素來說，GSM-R 帶內(nèi)有一部分干擾是運(yùn)營商的934 M～935 MHz 合法頻譜，通過電磁環(huán)境測試，要求相關(guān)運(yùn)營商優(yōu)化頻率，建議其在鐵路沿線無線覆蓋基站盡量避免使用這些頻率，或盡可能減小運(yùn)營商基站覆蓋距離等。

2）從內(nèi)部因素來說，要定期測試這些模塊接收機(jī)的抗干擾指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)惡化情況，立刻進(jìn)行維修或更換。另外，因3GPP TS 05.05 定義的指標(biāo)和3GPP TS 51.010-1［6］定義的測量方法是通用規(guī)則，應(yīng)根據(jù)國內(nèi)的實(shí)際情況進(jìn)行部分調(diào)整，可依據(jù)表2 的建議，修改相關(guān)指標(biāo)，并完善、優(yōu)化測量方法。

5 帶內(nèi)干擾信號識別

GSM-R 帶內(nèi)干擾主要來自運(yùn)營商的934 M～935 MHz 信號頻段，其基站和直放站等信源設(shè)備產(chǎn)生的互調(diào)信號，也有GSM-R 網(wǎng)內(nèi)多徑干擾信號等。如果這些信號形成異頻干擾，依靠接收機(jī)的抗干擾性能可以保證誤碼率惡化在可控范圍內(nèi)。但如果落在同頻內(nèi)，根據(jù)表2 中C/Ic@同頻=9 dB，當(dāng)有用信號電平為-85 dBm 時(shí)，只能承受-85-9=-94 dBm 及以下的同頻干擾信號。這種帶內(nèi)同頻干擾信號，如果與有用電平信號幅度差值在6 dB內(nèi)，且時(shí)延差值超過4 TA 時(shí)，會(huì)導(dǎo)致終端的接收靈敏度急劇惡化。使用常規(guī)的掃頻儀及信令方式無法找出干擾源，且同頻干擾具有隨機(jī)性，因此需在濾波器內(nèi)增加同頻干擾監(jiān)測模塊，在線常態(tài)監(jiān)測GSM-R 帶內(nèi)的干擾信號，及時(shí)捕獲同頻干擾信號，為解決這些干擾提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

另外，由于車載天線故障率也較高，在同頻干擾監(jiān)測模塊內(nèi)增加天饋線監(jiān)測模塊，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對天饋線的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以及GSM-R 車載模塊時(shí)隙功率的監(jiān)測。

6 驗(yàn)證試驗(yàn)

利用無線檢修測試工區(qū)直放站設(shè)備里既有的2 個(gè)雙工器部件，將其H 端（高頻段）和L 端（低頻段）分別對接后，作為一個(gè)簡易的帶通濾波器。在模擬現(xiàn)場運(yùn)用環(huán)境條件下，準(zhǔn)備1 臺射頻信號源、1 臺GSM 測試儀、電橋及GSM-R 車載模塊，按圖1 方式連接，進(jìn)行試驗(yàn)測試。

圖1 濾波試驗(yàn)連接示意圖

首先，關(guān)閉RF 信號源輸出，不串接簡易濾波器，依據(jù)文獻(xiàn)［5］ 調(diào)整GSM 測試儀信號，測試出車載模塊的接收靈敏度為-108 dBm；開啟RF信號源，頻率調(diào)整為954 MHz、幅度為-23 dBm（相當(dāng)于模擬某運(yùn)營商GSM 網(wǎng)絡(luò)的干擾信號），則測試出模塊靈敏度惡化到-73 dBm；串接簡易濾波器后再進(jìn)行靈敏度測試，模塊的接收靈敏度恢復(fù)到-108 dBm，基本上控制了干擾信號的影響，有效提升了車載無線設(shè)備的接收電平，滿足了車載設(shè)備的正常運(yùn)用。

從上述試驗(yàn)可看出，加裝濾波器后，非常明顯地抑制了較強(qiáng)的運(yùn)營商信號對GSM-R 無線信號的干擾，保證了行車設(shè)備無線信號的可靠接收。

7 結(jié)論

通過對鐵路GSM-R 車載模塊的技術(shù)運(yùn)用及指標(biāo)分析，結(jié)合運(yùn)營商基站下行信號對鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)存在的帶內(nèi)和帶外干擾等問題，利用外加的腔體濾波器，重新定義了GSM-R 帶寬，通過優(yōu)化參數(shù)配置、修改抗干擾指標(biāo)、完善模塊性能等方式，提出了減小或消除干擾的解決方法。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)用情況，為準(zhǔn)確定位帶內(nèi)干擾源，建議同步增加同頻干擾監(jiān)測和天饋線監(jiān)測模塊，為GSM-R 車載模塊提高抗干擾性能提供了一個(gè)整體解決方案，尤其對C3 線路車載無線設(shè)備抗干擾能力的提升具有一定的參考價(jià)值。