范 濤，楊 軍

GSM-R系統(tǒng)是我國(guó)高速鐵路和重載鐵路無線通信系統(tǒng)的核心,承載著列控業(yè)務(wù)、調(diào)度命令傳送、無線車次號(hào)傳送、語(yǔ)音調(diào)度電話等關(guān)鍵業(yè)務(wù)［1］。由于電磁環(huán)境具有開放性,空中接口容易受到干擾信號(hào)的影響；同時(shí)隨著鐵路沿線特別是大型車站周邊的城市化發(fā)展,鐵路周邊電磁環(huán)境日益復(fù)雜,在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中,GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)受到干擾的事件時(shí)有發(fā)生［2-3］,因此做好日常無線電監(jiān)測(cè)和運(yùn)維工作,對(duì)高速、重載鐵路的安全運(yùn)營(yíng)意義重大。

目前,鐵路無線干擾的處理模式還是以干擾產(chǎn)生后再處理為主。通信維護(hù)工作人員需要攜帶多種儀器儀表到事發(fā)地進(jìn)行干擾排查,利用便攜式頻譜儀［4］掃描周邊干擾信號(hào),查看干擾信號(hào)的頻譜形狀,初步判斷干擾信號(hào)是否存在。這種方式雖然對(duì)穩(wěn)定的干擾源有效,但對(duì)于大量由偶發(fā)信號(hào)導(dǎo)致的干擾案例,由于無法復(fù)現(xiàn)干擾發(fā)生時(shí)的電磁環(huán)境而無法確定干擾原因及定位干擾源,給鐵路無線電維護(hù)工作帶來了很大的困擾。

為此,武漢局集團(tuán)公司研發(fā)了GSM-R無線干擾智能預(yù)警系統(tǒng),可對(duì)GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)頻段及其鄰近頻段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別潛在的各類型干擾信號(hào)［5-7］,并完成對(duì)干擾源的測(cè)向定位［8-9］,實(shí)現(xiàn)工作模式由干擾發(fā)生后再排查到干擾發(fā)生前智能預(yù)警的轉(zhuǎn)變,顯著提高了運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作的質(zhì)量和效率。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

GSM-R無線干擾智能預(yù)警系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)端（以下簡(jiǎn)稱“采集端”）和智能預(yù)警數(shù)據(jù)中心（以下簡(jiǎn)稱“數(shù)據(jù)中心”）2部分,整體架構(gòu)為一個(gè)數(shù)據(jù)中心對(duì)多個(gè)采集端的形式,如圖1所示,采集端與數(shù)據(jù)中心使用鐵路既有傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖1 GSM-R無線干擾智能預(yù)警系統(tǒng)整體架構(gòu)

采集端依托基站架設(shè),包含采集設(shè)備和天線陣列。采集設(shè)備安裝在基站站房?jī)?nèi),使用基站提供的220 V交流供電電源和傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)端口；天線陣列安裝在基站鐵塔上,通過天線支架固定在鐵塔中部。數(shù)據(jù)中心位于路局機(jī)房,接入鐵路既有傳輸網(wǎng),顯示終端接入數(shù)據(jù)中心的交換機(jī)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)特點(diǎn)

該系統(tǒng)架構(gòu)符合國(guó)鐵集團(tuán)對(duì)鐵路無線電干擾監(jiān)測(cè)和臺(tái)站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求［10］,具有如下特點(diǎn)。

1）系統(tǒng)采集端使用獨(dú)立的天線陣列,與鐵路基站BTS無任何物理連接,只接收而不發(fā)射信號(hào),不會(huì)對(duì)GSM-R系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生影響。

2）天線陣列安裝在基站鐵塔,與基站天線安裝位置十分接近,二者所處的電磁環(huán)境基本一致,因此可更加準(zhǔn)確地判斷當(dāng)前基站是否受到干擾信號(hào)的影響。

3）安裝在地理位置較近的干擾采集端,可對(duì)同一干擾源進(jìn)行多點(diǎn)聯(lián)合測(cè)向,能夠?qū)Ω蓴_信號(hào)進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

4）具有良好的可擴(kuò)展性。

2 系統(tǒng)功能

2.1 GSM-R無線信道質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

GSM-R無線干擾智能預(yù)警系統(tǒng)可實(shí)時(shí)掃描GSM-R上行頻段885～889 MHz和下行頻段930～934 MHz,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)999～1 019共21個(gè)GSM-R無線信道質(zhì)量,并解析GSM-R小區(qū)參數(shù)。GSM-R無線信道質(zhì)量監(jiān)測(cè)見圖2,其中深顏色信道為配置的監(jiān)測(cè)小區(qū)BCCH信道。

圖2 GSM-R無線信道質(zhì)量

2.2 公網(wǎng)環(huán)境掃描

GSM-R無線干擾智能預(yù)警系統(tǒng)可掃描GSM-R頻段周邊的公網(wǎng)電磁環(huán)境,掃描頻段為800～1 000 MHz,能夠發(fā)現(xiàn)該頻段內(nèi)中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通GSM 900頻段無線信號(hào),并測(cè)量其相關(guān)參數(shù)。公網(wǎng)環(huán)境掃描情況見圖3。

圖3 公網(wǎng)環(huán)境掃描

2.3 頻譜分析

GSM-R無線干擾智能預(yù)警系統(tǒng)對(duì)GSM-R頻段頻譜進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,及時(shí)發(fā)現(xiàn)GSM-R頻段帶內(nèi)干擾。對(duì)指定GSM-R頻點(diǎn)自定義參數(shù)掃描,繪制星座圖見圖4,計(jì)算該頻點(diǎn)的信號(hào)質(zhì)量,分析干擾信號(hào)的特征。星座圖采取幅度和相位的極坐標(biāo)形式。

圖4 GSM-R信號(hào)星座圖

2.4 干擾識(shí)別與定位

GSM-R無線干擾智能預(yù)警系統(tǒng)能夠識(shí)別鄰頻、雜散、互調(diào)、阻塞等不同類型的干擾,分辨GSM-R網(wǎng)內(nèi)及網(wǎng)外干擾,記錄干擾信號(hào)的I/Q數(shù)據(jù),并對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行測(cè)向定位。

通過干擾識(shí)別與定位功能,可以得到干擾信號(hào)的干擾類型、中心頻率、電平值、發(fā)生時(shí)間等信息,并估算對(duì)監(jiān)測(cè)頻點(diǎn)的影響程度,把抽象的干擾信號(hào)具象化。干擾信號(hào)的I/Q數(shù)據(jù)一方面可以用于后期深度分析,另一方面可以作為干擾證據(jù),為干擾信號(hào)的處理提供事實(shí)依據(jù)。

2.5 告警功能

GSM-R無線干擾智能預(yù)警系統(tǒng)可識(shí)別事實(shí)干擾和潛在干擾,分別進(jìn)行實(shí)時(shí)告警或預(yù)警,并對(duì)GSM-R無線信道質(zhì)量和周邊電磁環(huán)境進(jìn)行異常告警,見圖5。

圖5 告警顯示

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 電磁環(huán)境自動(dòng)學(xué)習(xí)技術(shù)

空間電磁環(huán)境具有時(shí)變特征,移動(dòng)通信公網(wǎng)的功率控制、智能波束跟蹤與切換、用戶增減、覆蓋優(yōu)化調(diào)整,以及GSM-R網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)整等,都會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)空域的電磁環(huán)境發(fā)生改變,使用自動(dòng)學(xué)習(xí)算法,不斷計(jì)算電磁環(huán)境趨勢(shì)模型,是提升預(yù)警準(zhǔn)確率的重要環(huán)節(jié)。

自動(dòng)學(xué)習(xí)技術(shù)是利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)的,提取當(dāng)前電磁環(huán)境數(shù)據(jù)特征值x1,x2...xn,將對(duì)當(dāng)前電磁環(huán)境有直接影響的因素作為輸入數(shù)據(jù),并以當(dāng)前無線信道質(zhì)量作為輸出數(shù)據(jù)y值。將兩者數(shù)據(jù)作為有內(nèi)在關(guān)聯(lián)的樣本數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理。通過對(duì)大量樣本數(shù)據(jù)的迭代訓(xùn)練,得到能夠反映電磁環(huán)境與無線信道質(zhì)量變化規(guī)律的模型。

模型核心算法是采用線性回歸算法。線性回歸算法是有監(jiān)督的學(xué)習(xí)算法,通過y=w1x1+w2x2+...+wnxn+b線性函數(shù)方程來解釋各個(gè)特征值x與y值的關(guān)系。電磁環(huán)境的各個(gè)特征值與無線信道質(zhì)量存在超平面的線性關(guān)聯(lián)關(guān)系,利用線性回歸算法可計(jì)算出兩者的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

模型優(yōu)化算法采用了小批量隨機(jī)梯度下降法,先隨機(jī)對(duì)模型參數(shù)設(shè)定初始值,再結(jié)合方差損失函數(shù)來評(píng)估實(shí)際y值與預(yù)測(cè)值之間的誤差。在大量訓(xùn)練中,不斷迭代各個(gè)特征值的權(quán)重參數(shù),降低損失值。損失值越小,預(yù)測(cè)值與實(shí)際y值越接近,模型越能反映出兩者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,最終使y值更加接近線性函數(shù)分布。

模型訓(xùn)練完成后,通過線性模型估算訓(xùn)練數(shù)據(jù)集以外的電磁環(huán)境,根據(jù)當(dāng)前電磁環(huán)境評(píng)估無線信道的質(zhì)量。當(dāng)電磁環(huán)境發(fā)生變化時(shí),實(shí)時(shí)將當(dāng)前數(shù)據(jù)作為新的樣本數(shù)據(jù)加入到訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中進(jìn)行迭代訓(xùn)練。當(dāng)損失值最小時(shí),即可得到新的趨勢(shì)模型。通過不斷實(shí)時(shí)訓(xùn)練調(diào)整模型,來保證模型具有較高的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性及泛化能力。

3.2 智能預(yù)警技術(shù)

基于歷史數(shù)據(jù),采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)的方法,預(yù)測(cè)電磁環(huán)境的變化趨勢(shì),并對(duì)惡化的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)警。

3.2.1 預(yù)測(cè)方法選擇

根據(jù)電磁環(huán)境的變化特性,選擇趨勢(shì)外推法搭建電磁環(huán)境變化的預(yù)測(cè)模型。

趨勢(shì)外推法是根據(jù)過去和現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì),推斷未來的一類方法總稱,應(yīng)用觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到時(shí)間序列隨著時(shí)間t的變化函數(shù)y=f(t),并據(jù)此得出未來某個(gè)時(shí)刻t的時(shí)序值［11］。趨勢(shì)外推法是長(zhǎng)期趨勢(shì)預(yù)測(cè)的主要方法,根據(jù)連續(xù)性原理,依據(jù)時(shí)間序列的發(fā)展趨勢(shì),配合合適的曲線模型,對(duì)未來趨勢(shì)進(jìn)行外推預(yù)測(cè)［12］。

趨勢(shì)外推法的基本原理包括：①?zèng)Q定事物過去發(fā)展的因素,在很大程度上也決定該事物未來的發(fā)展,其變化不會(huì)太大；②事物發(fā)展過程一般都是漸進(jìn)式變化,而不是跳躍性變化,且依據(jù)掌握事物的發(fā)展規(guī)律就能預(yù)測(cè)出事物的未來趨勢(shì)和狀態(tài)。

影響GSM-R頻段電磁環(huán)境的因素可以分為固定因素和隨機(jī)因素。固定因素主要包括周邊的自然環(huán)境、周邊固定臺(tái)站、規(guī)律運(yùn)行的無線電設(shè)備等；隨機(jī)因素則是一些隨機(jī)發(fā)生而難以預(yù)料的無線電信號(hào),例如某些非法使用的電臺(tái),臨時(shí)使用的無線屏蔽器等。其中,固定因素具有時(shí)間的累積效果,也是緩慢變化的,例如,無線電發(fā)射機(jī)的老化是漸進(jìn)式發(fā)生的,電磁環(huán)境底噪也是漸進(jìn)式變化的。因此,在鐵路無線電干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,趨勢(shì)外推的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法適用于固定因素的變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

若GSM-R無線電環(huán)境固定因素突變,則影響電磁環(huán)境的固定因素也會(huì)發(fā)生突變,如當(dāng)鐵路周邊新增臺(tái)站或某個(gè)臺(tái)站的頻率配置發(fā)生變化,或者發(fā)射機(jī)天線朝向調(diào)整等。固定因素發(fā)生突變之后,仍然呈現(xiàn)穩(wěn)定和可預(yù)測(cè)的特性。因此,需要將趨勢(shì)外推法結(jié)合無線電干擾監(jiān)測(cè)自身的特點(diǎn),對(duì)模型的修正參數(shù)進(jìn)行適配,當(dāng)發(fā)現(xiàn)突變后,采用新的數(shù)據(jù)重新對(duì)預(yù)測(cè)模型參數(shù)進(jìn)行修正。

GSM-R無線電環(huán)境隨機(jī)因素的預(yù)測(cè)：由于隨機(jī)因素往往難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè),但可根據(jù)發(fā)生的歷史統(tǒng)計(jì)值,計(jì)算出時(shí)間占用度隨時(shí)間的歷史變化值,采用與固定因素變化不同的預(yù)測(cè)模型,進(jìn)行曲線擬合。這部分不在本文研究范圍內(nèi),在本文中采用剔除方差過大的數(shù)據(jù),以消除隨機(jī)因素的影響。

3.2.2 GSM-R電磁環(huán)境變化預(yù)測(cè)模型建模

趨勢(shì)外推法常用的模型包括：直線模型、二次模型、簡(jiǎn)單指數(shù)曲線模型、Gompertz曲線模型和Logistic曲線模型等。模型的選擇方法通常有2種。

1）直觀辨認(rèn)法。將歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)描繪在坐標(biāo)圖上,形成歷史數(shù)據(jù)分布散點(diǎn)圖,并用不同的模型曲線與圖形進(jìn)行比較,直觀選擇最合適的趨勢(shì)曲線。

2）特征分析法。在分析歷史數(shù)據(jù)特征的基礎(chǔ)上,選擇與該數(shù)據(jù)特征相適應(yīng)的趨勢(shì)曲線模型。分析歷史數(shù)據(jù)特征時(shí),可通過直觀分析、列表分析和比較分析等方法,判定出較為顯著的數(shù)據(jù)特征。

由于本課題積累歷史數(shù)據(jù)的時(shí)間不足,試驗(yàn)站周邊電磁環(huán)境的變化趨勢(shì)尚未呈現(xiàn)出明顯特征。但根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究指出［13］,城市空間人為電磁能量每年增長(zhǎng)7%～14%,可見電磁能量的增長(zhǎng)呈現(xiàn)指數(shù)型趨勢(shì)。以此為參考,可以對(duì)鐵路大型車站周邊的GSM-R電磁環(huán)境變化趨勢(shì),以簡(jiǎn)單指數(shù)曲線進(jìn)行初步建模,并隨著歷史數(shù)據(jù)的積累進(jìn)行修正。

3.2.3 預(yù)警條件

預(yù)測(cè)模型建立后,可分別對(duì)未來1年、2年、5年以后的電磁環(huán)境趨勢(shì)進(jìn)行推算,對(duì)于推算強(qiáng)度超過一定門限的頻段,給出電磁環(huán)境干擾預(yù)警。

3.3 干擾定位技術(shù)

采用比幅測(cè)向方法,將測(cè)向天線中的定向天線元等角度均勻分布成圓環(huán)形排列布局,獲取干擾信號(hào)入射到測(cè)向陣列各天線元的信號(hào)強(qiáng)度,通過比幅測(cè)向算法計(jì)算出干擾信號(hào)來向,多監(jiān)測(cè)站對(duì)同一干擾信號(hào)進(jìn)行測(cè)向,結(jié)合各站地理位置信息實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾源的定位功能。

測(cè)向陣列按照角度將M個(gè)定向天線元均勻分布,使其能夠全向覆蓋。由于各定向天線元特性一致,當(dāng)所有天線元均獲取一組幅度數(shù)據(jù)后,取最大的3個(gè)數(shù)值及其對(duì)應(yīng)天線元的序號(hào),根據(jù)拋物線擬合二次函數(shù)的一組系數(shù),構(gòu)成拋物線方程,拋物線的對(duì)稱軸位置即為測(cè)向DOA值。

設(shè)拋物線方程為y=ax2+bx+c,y代表信號(hào)強(qiáng)度,x為角度范圍,其頂點(diǎn)位置為

根據(jù)已獲得的3個(gè)幅度最大值及其坐標(biāo),可以計(jì)算出方程的系數(shù)。

設(shè)已知3個(gè)最大值的坐標(biāo)為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3),構(gòu)成方程組（1）。

由方程組（1）通過矩陣求逆轉(zhuǎn)換成方程組（2）。

在外場(chǎng)對(duì)本系統(tǒng)測(cè)向功能進(jìn)行多角度驗(yàn)證測(cè)試,對(duì)930 M～934 MHz頻段抽取了18個(gè)方位,進(jìn)行測(cè)向準(zhǔn)確度仿真,結(jié)果見圖6,彩線表示信號(hào)源在不同的角度發(fā)射不同頻率的信號(hào)時(shí),采集設(shè)備測(cè)得信號(hào)源的相對(duì)角度值,例如,圖6中最上面的綠色線表示信號(hào)源在天線陣列330°方向發(fā)射信號(hào)時(shí),發(fā)射信號(hào)頻率在930 M～934 MHz范圍內(nèi)以每200 kHz的幅度不斷遞增,采集設(shè)備在每個(gè)頻率下測(cè)得信號(hào)源的相對(duì)角度值所連成的線。

圖6 系統(tǒng)測(cè)向仿真數(shù)據(jù)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在武漢—烏龍泉東07基站（站名：WH-WLQD07）,該基站已事先安裝了干擾監(jiān)測(cè)采集設(shè)備和天線陣列,并且經(jīng)過一段時(shí)間的智能學(xué)習(xí),數(shù)據(jù)中心已經(jīng)搭建了該基站周圍GSM-R頻段的電磁環(huán)境模型。

模擬干擾試驗(yàn)方案結(jié)構(gòu)見圖7,使用綜合測(cè)試儀CMU200作為模擬干擾源,在基站周圍隨機(jī)選擇干擾地點(diǎn)發(fā)射干擾信號(hào),同時(shí)在數(shù)據(jù)中心使用顯示終端軟件查看是否產(chǎn)生了干擾預(yù)警,并對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行測(cè)向,在電子地圖上查看測(cè)向結(jié)果是否準(zhǔn)確。

圖7 模擬干擾試驗(yàn)方案結(jié)構(gòu)

在隨機(jī)選擇的測(cè)試點(diǎn)發(fā)射模擬GSM干擾信號(hào),信號(hào)頻率為933.8 MHz（ARFCN：1 018）,約20 s后,在顯示終端上產(chǎn)生網(wǎng)內(nèi)干擾預(yù)警,預(yù)警信息見圖8。

圖8 鐵路GSM-R無線干擾智能預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)生預(yù)警

預(yù)警觸發(fā)時(shí)刻測(cè)得GSM-R下行頻譜見圖9,系統(tǒng)智能識(shí)別1 018頻點(diǎn)存在干擾并產(chǎn)生預(yù)警。

圖9 預(yù)警觸發(fā)時(shí)刻GSM-R下行頻譜

對(duì)干擾信號(hào)中心頻率933.8 MHz進(jìn)行測(cè)向,在電子地圖上顯示測(cè)量結(jié)果,見圖10（其中干擾測(cè)試點(diǎn)為人工后期標(biāo)注）,測(cè)向角度線與干擾信號(hào)發(fā)射位置基本重合。

圖10 對(duì)干擾信號(hào)的測(cè)向結(jié)果

5 結(jié)論

針對(duì)目前我國(guó)鐵路GSM-R無線干擾預(yù)警及定位方面存在的短板,提出一種GSM-R無線干擾智能預(yù)警系統(tǒng)。利用電磁環(huán)境智能學(xué)習(xí)技術(shù)、電磁環(huán)境變化趨勢(shì)預(yù)警技術(shù),以及測(cè)向定位技術(shù)等,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鐵路沿線的GSM-R頻段,發(fā)現(xiàn)其中存在的干擾信號(hào)并進(jìn)行智能預(yù)警,同時(shí)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行測(cè)向定位。

通過模擬干擾試驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證,達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。后續(xù)工作中,將持續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況對(duì)系統(tǒng)不斷優(yōu)化,使系統(tǒng)功能更加完善、高效,更好地為鐵路GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維工作提供支撐。