現有鐵路GSM-R電磁環境測試方法的不足與分析

姜 毅

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

近年來鐵路GSM-R網絡隨著中國高速鐵路的建設飛速發展，為鐵路行車調度指揮、公務移動、車－地信息傳輸及列車控制一體化提供了智能化和高效綜合的服務。

隨著GSM-R網絡的發展，遇到的電磁環境干擾問題也越來越多，為保障GSM-R網絡的可靠運行，必須經常對鐵路沿線的電磁環境進行測試，查找干擾源，現有的測試方法和手段存在一些不足。

1 現有的電磁環境測試方法

電磁環境測試的目的是掌握電磁環境及信道占用情況，發現干擾信號和查找干擾源。現在常用的鐵路GSM-R電磁環境測試的方法分兩部分。

1.1 實驗車上的測試

在實驗車上的測試用來定位存在干擾的區域。測試用的主要設備有GSM-R頻段天線及饋線、GPS天線及饋線、場強接收機/頻譜分析儀、計距設備、速度傳感器、UPS電源、測試用電腦及相關測試軟件。測試系統組成如圖1所示。

測試步驟如下。

1）在電磁環境測試前收集沿線的線路數據，包括基站位置、公里標、經緯度等信息。

2）關閉待測線路沿線所有GSM-R基站和直放站。

3）當實驗車在待測線路上行駛時，使用車載的頻譜儀或場強接收機對GSM-R全頻段掃描。如果發現有干擾信號，就同時記錄下當前的公里標、經緯度和頻譜圖等信息。

4）測試完成后整理數據，統計存在干擾的區域。地面測試人員再根據這些信息查找干擾源。

在測試過程中，需要根據沿線一些標志物的公里標或經緯度信息定期對計距設備的公里標進行校正。

1.2 地面測試

在地面的測試用來作網絡開通前的電磁環境測試，開通后干擾源的查找和定位。測試用的主要設備有GSM-R頻段全向天線、天線支架、GSM-R頻段定向天線、饋線、便攜式場強接收機、便攜式頻譜分析儀、測試手機、筆記本電腦、便攜式GPS接收機、指南針及車輛。測試系統組成如圖2所示。

測試步驟如下。

1）首先在測試點附近選擇四周開闊、有一定高度的地方搭建測試系統，記錄經緯度、公里標、天線距軌面和地面的高度等信息。

2）使用便攜式頻譜儀和全向天線，對GSM-R的上下行進行全頻段掃描，觀察各信道的情況。

3）用場強接收機對GSM-R的上下行各信道進行掃描采樣，每信道至少1?s采樣一次，測試時間不小于15?min，記錄每次采樣的電平值，全頻段掃描結束后，對記錄的各信道電平值進行統計（包括時間概率大于5%和小于5%的頻點），計算其均值和方差，最大值、最小值及電平超過最大允許干擾信號電平的測試次數占總測試次數的百分比(信道占用度)，并繪制表格。根據各信道頻率占用度初步判定是否存在同頻干擾及未知信號。

4）根據頻譜圖、信道占用度結合GSM-R網絡的頻率分配表進行分析，找出干擾信號的頻率和電平。

5）測試中如果懷疑中國移動對GSM-R網絡存在干擾，那么就給測試手機分別裝上GSM-R和中國移動的SIM卡，把測試手機強制注冊到當前小區和附近的所有鄰小區進行撥打測試，記錄呼叫時網絡分配給測試手機的所有信道號，查看中國移動是否使用了鐵路GSM-R的信道。

6）用定向天線和頻譜儀對已經發現的干擾信號測向，逐步逼近干擾源，最后確定干擾源的位置。

2 現有測試方法的不足

干擾信號的類型非常復雜，可能是突發的，也可能是持續的；可能是隨機出現，也可能是規律的。由于這種復雜性和不確定性導致現有的測試方法存在不足。

2.1 實驗車上的測試問題

2.1.1 監測時間的不足

干擾信號分類（查資料），所以作電磁環境測試一般都需要在待測地點作長時間、不同時間段的監測，以盡可能地捕獲到干擾信號。測試時實驗車在線路上快速行駛，分攤到各點的測試時間都非常短，只能測試到各點在實驗車行駛過這一瞬間的電磁環境，不能反映沿線各點在不同時間段的電磁環境。

2.1.2 測試時間和測試車很難協調

作測試需要關閉沿線所有的基站和直放站，只有在線路檢修的天窗點才有可能進行，而且需要安排專門的測試車，所以很難協調到測試時間和測試車。即使協調到時間和測試車，往往也只有一兩天時間，甚至只有幾個小時。如果干擾信號是突發、隨機出現的，這么有限的測試時間再加上2.1.1提到的問題造成發現它們的概率會大大降低。

2.2 地面測試的問題

2.2.1 測試天線架設高度不夠

高速鐵路一般都建在十幾米的高架上，在地面測試如果要達到這樣的安裝高度，需要十多米的天線支架，這樣的支架體積笨重、安裝費時費力，攜帶不便。所以一般測試時，使用高度2?m左右的天線支架，測試點選在有一定高度、四周開闊的地方。有的測試點附近可能找不到開闊的高點，測試天線的高度小于機車天線的高度，原本會對GSM-R網絡造成干擾的信號，在地面測試中的結果可能不會超過最大允許干擾電平值。

2.2.2 信號的識別能力不夠

頻譜儀和接收機只能反映頻譜和信道的占用情況，信號的識別能力很差。尤其當有用信號與干擾信號混雜在一起時，就很難把它們分辨出來。在進行既有線的電磁環境測試和干擾查找時，為了不影響運營，往往不能關閉鐵路沿線GSM-R基站和直放站，該問題更為突出，給測試帶來很大的困難。

圖3是某GSM-R基站附近的頻譜圖，測試時GSM-R基站處于工作狀態。圖中MARK點M6標注是在933.4?MHz測到的電平為-93.3?dBm。在試驗車上的測試反映該頻點有干擾信號，由于GSM-R網絡也分配了這個頻點，在頻譜圖中無法分辨出該信號究竟是正常信號還是干擾信號。

為了彌補頻譜儀和接收機信號識別能力的不足，測試中還使用測試手機反復撥打電話同時記錄TCH信道號的方法來輔助判斷干擾信號的類型。但是這種方法的前提條件是干擾由中國移動使用了鐵路GSM-R頻點引起的，如果是其他運營商的信號或是其他類型的信號，這種方法就無能為力了。在實際測試中這種方法的效果不理想。筆者曾經開發過以這種方法為基礎的干擾測試軟件，并在大秦線GSM-R干擾測試中使用，發現在鐵路沿線只有很小一部分中國移動造成的干擾能用這種方法識別。有一個移動基站甚至到了離它只有幾十米的地方，才能夠記錄到該基站使用了GSM-R頻點，此時距離鐵路的直線距離已經有3?km左右。后來分析出原因：在很多地區，中國移動網絡的小區半徑已經很小了，往往只有500?m左右，但是發射信號的強度仍然足以影響到數公里以外的GSM-R網絡。在鐵路沿線即使強制注冊到當前小區和附近的所有鄰小區，可能也沒有包含造成干擾的小區，自然記錄不到該小區分配的信道號。

3 改進方案

現在電磁環境測試的發展趨勢是信息化和智能化。可以在公網現有的電磁環境監測技術基礎上建立一套全路的電磁環境監測系統。同時加強和各地無線電管理委員會的合作，利用無線電管理委員會的優勢資源，提高效率。

3.1 建立全路的電磁環境監測系統

電磁環境監測系統由車載系統、網絡監測系統、監測站、監測車、綜合分析系統組成，各部分之間通過網絡連接起來。系統組成如圖4所示。

3.1.1 車載系統

車載系統包括車載接收機和車載QoS測試設備，安裝在普通的列車上。當列車在線路上行駛時自動進行測試。車載接收機監測各點電磁環境頻譜及噪聲的變化情況，同時QoS測試設備對網絡的各項指標進行測試，測試結果通過GPRS方式定期傳送到綜合分析系統。這樣就克服了在實驗車上的測試時間不足和難以協調測試時間的問題，只要列車在運行，就可以對電磁環境和網絡作測試。

3.1.2 網絡監測系統

網絡監測系統安裝在核心網機房，與車載QoS測試設備配合使用。它實時記錄GSM-R網絡各接口的信令消息，同時把消息匯總給綜合分析系統。

3.1.3 監測站

在樞紐站等重點地區可以設立監測站，對鐵路無線電頻率作長期的電磁環境測試，以掌握電磁環境和信道占用情況。如果發現干擾，可以用監測站的測向功能定位出干擾源的大概位置。

3.1.4 監測車

對存在干擾或已經定位出干擾源大概位置的區域用監測車來查找干擾源。監測車配備了高靈敏度的天線陣列、無線電信號監測系統、便攜式頻譜儀和定向天線。使用天線陣列能夠精確的對干擾信號測向，再利用無線電信號監測系統的信號分析識別功能對干擾信號的類型進行識別。在車輛無法到達的地方，測試人員可以帶著便攜式頻譜儀和定向天線測試。

3.1.5 綜合分析系統

綜合分析系統根據收集到的各種信息對網絡的干擾情況進行統計分析，如果某處有干擾信號影響到GSM-R網絡，車載系統可能會測到該處環境噪聲發生了變化、QoS指標變差，網絡監測系統測得信令異常，綜合分析系統根據這些信息分析出發生干擾的具體區域，同時發出警告。如果發生干擾的區域有監測站，還可以利用監測站的測向功能在電子地圖上定位出干擾源的大概位置。最后測試人員就可以根據這些信息開著監測車去查找干擾源。

3.2 加強與無線電管理委員會的合作

無線電管理委員會主要負責編制無線電頻譜規劃；負責無線電頻率的劃分、分配與指配；依法監督管理無線電臺（站）；負責衛星軌道位置協調和管理；協調處理軍地間無線電管理相關事宜；負責無線電監測、檢測、干擾查處，協調處理電磁干擾事宜，維護空中電波秩序；依法組織實施無線電管制；負責涉外無線電管理工作。

無線電管理委員會不僅建有監測網絡，而且掌握各地的無線電臺站信息。如果能把鐵路的監測網絡與無線電管理委員會的監測網絡實現信息共享，與他們合作開展電磁環境測試和干擾查找工作能達到事半功倍的效果。

[1]鐘章隊，李旭，蔣文怡，等. 鐵路綜合數字移動通信系統（GSM-R）[M].北京：中國鐵道出版社.2003.

[2]安捷倫科技有限公司. 信號監測、頻率管理和無線電發射機地理定位的技術與趨勢——技術指南.2009.