弓網離線電磁干擾實驗與分析

李小偉

（中國鐵路通信信號上海工程局集團有限公司廣州分公司，510663）

隨著我國大規模高鐵建設的展開，鐵路安全越來越得到重視，現有研究和實際測試顯示出在GSM-R頻段上存在著高頻電磁波干擾，這一噪聲主要來源于弓網電弧，分析這種噪聲是解決弓網離線噪聲對電磁環境造成污染的先決條件。本文通過仿真，研究并分析離線干擾對GSM-R通信系統業務應用質量和網絡性能指標的影響。

1 GSM-R系統與EM干擾

1.1 GSM-R系統

GSM-R系統由GSM發展而來，主要分為接入網和核心網兩部分。系統中的關鍵設備包括基站收發器（BTS）、基站控制器（BSC）、移動業務交換中心（MSC）等。其中BTS沿鐵路線分布，它與列車車頂的GSM-R天線保證列車與列車控制中心相連，這種業務具有較高的優先級，一旦發生故障，列車將會自動停止。這點說明了GSM-R系統在抗擊鐵路沿線電磁干擾時的重要性。

1.2 離線干擾

高鐵的集電弓具有較大彈性，使得集電弓能夠比較牢固地與電線保持接觸。但是在高速運動中還是會有兩個受電體離線的現象，此時電壓擊穿兩個接觸體之間的空氣隙，從而產生火花。出現的火花會對架設在列車頂部的GSM-R系統天線產生暫時性干擾，這種干擾隨著能量、持續時間和重復出現率的不同對系統造成不同的影響。

2 離線干擾的測試

當發生接觸網與集電弓之間短暫脫離現象時，車頂的這些不同的金屬元素設備就會產生暫時性干擾。接觸網材料由不同的金屬元素組成，產生的短暫輻射可以覆蓋一個較大范圍的頻段，其中就包括的GSM-R的通信信道。接觸線內部材料組織應做到顆粒細小、分布均勻，使得接觸線的剛度均勻[3]。如果接觸線內部存在孔洞，顆粒過大或分布不均，接觸線在加上工作張力后，造成剛度不均，集電弓滑板在沿導線底面摩擦時，容易受到小的沖擊，形成小的離線火花。對這類現象以下做細致的分析研究。

2.1 單次放電：

在900M的頻段上討論單次放電情況，單次放電火花具有10KHZ～1000GKHZ的噪聲頻譜寬度，有一系列衰減震蕩脈沖序列組成，峰值檢波的電壓服從高斯分布。由Matlab軟件仿真如圖1可知，火花放電脈沖沿ns數量級上升，誤差范圍內其電流幅值的衰減滿足負指數分布。

圖1 離線干擾上升時間

2.2 連續放電：

為模擬列車在行進過程中在900MHZ的頻段上電弧重復率和時間分布情況，統計計算電弧重復率定義為：

d為接觸網定位點之間的距離，v表示列車運行速度，發生弓網離線概率ρ（0＜ρ＜1）。由此可見統計量上電弧重復頻率。

3 離線干擾和誤碼率相關性分析

權重測試的原理和準峰值測試很相似。這里定義的不連續干擾源不是人們通常定義的電磁干擾，而是誤碼率與數字通信系統的相關性。干擾信號是額外接收的射頻信號，誤碼率大小依賴于干擾信號的重復率和功率等級，為了使誤碼率達到要求，干擾信號的功率不得不隨著重復率而改變，根據變化水平，確定了權重函數。不同的數字通信系統做出的響應不同，因此必須找到一個折中解決的辦法盡可能適應大多的數字無線通信系統。一旦加權函數確立，權重測試就可以有效解決通信系統與干擾相關的誤碼率問題。此外，誤碼率的變化與干擾重復頻率fp有關。定義如下：

其中ρ0是弓網分離概率，Rs是通信系統碼元傳播速率fp的下限為2ρ0Rs。

圖2 離線干擾在持續時間

通過圖2分析得到離線干擾的持續時間為1ns到25ns。利用FFT觀察到這些時間特性，主線干擾幾乎覆蓋了整個GSM-R頻段，在處理已經收集的數據時，需要采用統計方法來對鐵路電磁環境作出正確的評估，常用求算數平均值的方法，測試點數量為N個，在第i個統計窗口內的采樣電平數為Pi，第n個頻點在第i個區間內第k個樣本定義如下：

計算平均值：

第二節中展現集電弓和接觸網之間產生的火花干擾與GSM-R頻段的誤碼率（BER）情況，根據這種關系確定它們之間的影響。在最壞的情況下接收機無法從GSM-R脈沖序列中提取正確的信號。測量結果隨著每次離線干擾變化差異很大，因此很難用一個確定的噪聲函數表達式來說明火花與誤碼率之間的關系。使用matlab做出仿真實驗結果表一所示。

表一 誤碼率分析

在最低閥值2ρ0Rs被限定的條件下，GSM-R的干擾測量函數可以寫成：

Rr表示離線事件發生概率，它可以簡單的估算出鐵路環境的誤碼率測量參數（例如離線事件），持續時間和重復率決定了誤碼率的大小。而上升時間處在ns時間級，因此對誤碼率的影響不大。

4 結束語

盡管在目前的數字通信系統中對于此類的干擾沒有一個標準的解決方法。但是根據改進測試，可以對網絡優化提供一些精確的數據并制定一些特殊的解決辦法。目前的工作主要針對集電弓和接觸網之間的火花對GSM-R頻段產生的影響研究，這些干擾可以通過時域內的持續時間和重復出現率來表征。比較這些數據的特征，可以估算出這種短暫現象對GSM-R系統的危害。

[1]鐘章隊，艾渤，劉秋妍，林思雨.鐵路數字移動通信系統（GSM-R）應用基礎理論 [M].北京：清華大學出版社，北京交通大學出版社，2009：241- 248.

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[3]陳嵩，沙斐，王國棟；電氣化鐵道脈沖電磁騷擾的Simulink模型[J].鐵道學報；2009年01期

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