在線GSM－R電磁環境測試研究

張寶軍 張東升 張鵬

在線GSM－R電磁環境測試研究

張寶軍 張東升 張鵬

常規的電磁環境測試方案，不但要求關閉鐵路本線所有相關基站，還要求同時關閉臨近鐵路線路的相關基站，這對于長大線路和日趨密集的GSM-R跨線地區進行電磁環境測試難度更大。因此，迫切需要研究GSM-R在線工作條件下，具備簡單可重復性的電磁環境測試解決方案。

GSM-R在線;電磁環境;測試

隨著高速鐵路的快速發展，構建以GSM-R技術為基礎平臺的全國鐵路無線通信網絡正在逐步鋪開。建設運營維護GSM-R網絡一項重要內容就是進行GSM-R電磁環境測試，這項工作關系到鐵路無線通信特別是CTCS-3級列控和站車無線通信的運營安全。

我國鐵路GSM-R通信網絡采用的工作頻段為885 MHz～889 MHz/930 MHz～934 MHz，相鄰頻道間隔為200 kHz，可用頻道共19個，頻道編號為1000～1018。目前鐵路GSM-R電磁環境測試標準采用信產部2007年發布的《關于鐵道部和中國移動共用900 MHz移動通信網頻率資源問題的函》(信部無函［2007］136號)。該標準規定2009年底以前，中國移動和鐵道部有條件共用885 MHz～889 MHz/930 MHz～934 MHz頻段資源，從2010年開始，中國移動須退出該頻段的使用。但是以往的GSM-R電磁環境測試結果表明，中國移動并沒有主動徹底按期清退該頻段的使用，930MHz～934 MHz頻段(基站發，移動臺收)的干擾依然存在，因此本文主要探討930 MHz～934 MHz頻段的干擾問題。

1 GSM-R電磁環境測試現狀

以往常規的GSM-R電磁環境測試，要求在全線同時關閉所有相關基站的條件下進行，雖然能清晰直觀地查找該頻段內當時現存的各種干擾，為清頻工作提供一些參考依據，但該方案在實施上存在一定困難，也存在很多問題。

1.GSM-R已經成為鐵路綜合通信平臺，為信號、列調、電調、維修、客服等各部門提供共享通信服務，新建高速鐵路一般不再同時配建常規450 MHz無線通信網絡，GSM-R成為唯一的無線通信平臺。全線關閉所有相關基站期間，GSM-R將無法提供服務，這就需要提前協調諸多業務部門做好應急預案，存在一定安全隱患。

2.關閉基站進行電磁環境測試只適用于新建線路未開通前的聯調聯試階段，關閉GSM-R對于全線鐵路業務正常運營影響很大，因此基站關閉時間很短;一般僅限全線一二個往返的測試，僅能發現中國移動BCCH信道載頻干擾和忙時工作的中國移動TCH信道載頻干擾，由于復測的可重復性很小，無法完全徹底查找潛在的中國移動TCH信道載頻干擾。

3.在場強覆蓋等設計因素合理地區發生掉話和切換失敗，一般會伴隨干擾的出現。為查找干擾和電磁環境周期維護復測，在已開通GSM-R線路全線關閉基站條件下進行電磁環境測試存在很大困難。即使在夜間開“天窗”時間進行測試，也無法測試白天工作時段來自中國移動忙時TCH信道載頻的干擾。

常規的電磁環境測試方案，不但要求關閉鐵路本線所有相關基站，還要求同時關閉臨近鐵路線路的相關基站，這對于長大線路和日趨密集的GSMR跨線地區進行電磁環境測試難度更大。因此，迫切需要研究GSM-R在線工作條件下，具備簡單可重復性的電磁環境測試解決方案。

2 在線GSM-R電磁環境測試方案

GSM-R在線工作條件下進行電磁環境測試的難點，在于測試結果中既存在確定信號又存在未知信號，如何從測試結果中排除確定信號，從未知信號中查找干擾信號成為解決問題的關鍵。

2.1 確定信號分析

確定信號包括GSM-R基站工作載頻信號(BCCH和TCH信道載頻)、基站工作載頻產生的諧波信號及基站工作載頻之間產生的互調信號。諧波信號強度很弱可以忽略。根據互調信號的特點，在移動通信中主要考慮三階互調信號。

假設存在呈線狀排列的基站A…基站Z，如圖1所示，基站頻率配置如表1所示。

圖1 某線路基站配置

表1 某線路基站頻率配置

所有基站在線工作條件下，以基站F至基站G區間測試為例，可以得到的確定信號包括基站載頻信號和三階互調信號。基站載頻信號為基站A—基站Z所有基站的BCCH信道載頻信號和工作狀態下的TCH信道載頻信號;三階互調信號主要包括二信號三階互調和三信號三階互調。

根據場強覆蓋測試結果，基站F至基站G之間測試得到的基站信號包括基站E、基站F、基站G和基站H的BCCH信道載頻信號和工作狀態下的TCH信道載頻信號，其他基站落在本區間的載頻信號很小可以忽略。根據基站頻率復用距離設計要求，同時為了保證鄰頻干擾小于－6 dB的設計要求，基站頻率間隔要求至少400 kHz，基站E至基站H之間的BCCH和TCH信道不會存在同頻復用。

產生三階互調信號要求幾個發射頻率信號和互調信號接收機頻率滿足如下的等間隔關系。

二信號三階互調:fr=2ft1－ft2

三信號三階互調:fr=ft1+ft2－ft3

其中:fr為接收頻率，ft1/ft2/ft3為基站發射頻率。

產生互調信號還要求發射頻率必須有足夠的幅度。

根據實測結果，基站F至G之間只需考慮基站F和G載頻信號的二信號三階互調，基站F至G之間產生的三信號三階互調和來自其他基站區間的二信號三階互調都很小可以忽略。

2.2 未知信號分析

未知信號包括干擾信號、干擾信號產生的諧波信號、干擾之間產生的互調信號、干擾信號與基站載頻之間產生的互調信號。其中，諧波信號強度很弱可以忽略;互調信號明顯低于產生互調信號的源信號。因此主要判斷較強的干擾信號，排除干擾信號后，隨之產生的互調信號自然消失。

2.3 在線測試方案

如果關閉TCH信道載頻，只開放BCCH信道載頻，基站F至基站G區間測試得到的確定信號包括:

f_E1、f_F1、f_G1、f_H1、f_F1×2－f_ G1和f_G1×2－f_F1

如果倒換BCCH信道，采用TCH信道載頻作為BCCH信道載頻，同時關閉原BCCH信道載頻，基站F至基站G區間測試得到的確定信號包括:

f_E2、f_F2、f_G2、f_H2、f_F2×2－f_ G2和f_G2×2－f_F2

如果以上2組頻率沒有出現交集，則可以判斷出所有可能的干擾信號。

根據頻率復用原則，f_E1、f_F1、f_G1、f _H1、f_E2、f_F2、f_G2、f_H2基站之間不會出現交集，可能出現的交集為圖2所示。

圖2 基站F至基站G區間測試頻率交集示意圖

1.如果出現互調頻率與鄰區間基站頻率相同的情況，如f_E1=f_F2×2－f_G2或f_E1=f _G2×2－f_F2，則可以采用倒換f_E1和f_E2的方法解決。

2.如果出現互調頻率與本區間基站頻率相同的情況，如f_F1=f_F2×2－f_G2或f_F2=f_ G2×2－f_F2，一般都可以采用倒換f_F1/f_F2或者f_G1/f_G2的方法解決。在頻道編號為1000～1018的19個頻率中，只有約80種f_F1、f _F2、f_G1、f_G2的組合方式不能完全避開交集的出現，需要臨時調整f_F1、f_F2、f_G1、f _G2中任一頻率配合測試。這在總共41769個頻率組合中是很小的概率事件，到目前為止GSM-R鐵路頻率配置中還沒有出現這種需要臨時調整頻率來配合測試的頻率組合。

3.如果出現一組互調頻率與另一組互調頻率相同的情況，如f_F1×2－f_G1=f_F2×2－f_ G2、f_F1×2－f_G1=f_G2×2－f_F2，也基本可以采用倒換f_F1/f_F2或f_G1/f_G2的方法解決。

鐵路GSM-R一般采用2/3載頻的基站設計方案，確保一個載頻出現故障情況下，至少還有一個載頻能夠繼續提供服務。因此，可以采用這種倒換BCCH信道載頻、關閉TCH信道載頻的方案，進行在線GSM-R電磁環境測試。該方案保留一個BCCH信道載頻提供通信服務，除保證CTCS-3級列控服務外，還能留有部分信道提供通話及數據傳輸服務。目前，開通的GSM-R基站頻率配置組合大多采用固定間隔復用方案。因此，在線GSM-R電磁環境測試頻率組合關系比較簡單。

針對單層雙網、同站址雙網和交織覆蓋網不同的基站布設方式，可采用相應的測試方案，如表2所示。

表2 不同基站布設方式下的在線GSM-R電磁環境測試方案

2.4 測試方法

GSM-R電磁環境測試一般采用EMI測量接收機。EMI測量接收機一般有頻譜儀和接收機2種工作模式。常規GSM-R電磁環境測試采用頻譜儀模式下的頻譜掃描方式，掃描帶寬一般設定為100kHz。該測試方式采樣頻率高，測試結果清晰直觀。然而GSM-R在線電磁環境測試采用頻譜掃描模式會存在一定缺陷。當基站信號較強時，反映到頻譜圖上基站信號頻譜很可能會略微覆蓋相鄰頻道頻譜，造成相鄰頻道上干擾信號識別困難。采用接收機模式下的掃頻方式可以很好地解決該問題。設定930 MHz～934 MHz的掃頻范圍，200 kHz的掃描帶寬，一個掃描周期內可以得到信道號為1000～1018共19個GSM-R樣本點頻率的采樣電平值，該方法可以更精確定位干擾信號。

3 鐵路全網GSM-R頻率配置建議

從在線電磁環境測試的角度考慮，鐵路設計單位應對BCH信道和TCH信道進行分隔頻帶設計，比如對于配置普遍的雙載頻基站，可以考慮將上頻帶930 MHz～932 MHz和下頻帶932 MHz～934 MHz分別配置為BCH頻段和TCH頻段。分頻帶設計對于簡化京滬、京廣及哈大等高鐵線路的日常在線電磁環境維護測試具有重要意義。

4 結束語

關閉基站的常規GSM-R電磁環境測試方案，只適用于GSM-R網絡建設投入運營前的聯調聯試摸底測試，只有在線GSM-R電磁環境測試方案具有簡單可重復性和測試完整性。相比常規測試方案，在線GSM-R電磁環境測試方案增加了測試工作量，以往單程即可完成的電磁環境測試，在理想情況下也至少需要2個單程才能完成測試，同時在測試前后還增加倒換基站BCCH工作載頻、測試結果對比分析、甚至臨時頻率調整的工作量。在線GSM-R電磁環境測試方案目前主要適用于鐵路線路區間測試，對于頻率配置復雜的鐵路GSM-R樞紐區域還有一定的局限性，還需要進一步研究解決方案。

［1］信部無函［2007］136號.關于鐵道部和中國移動共用900MHz移動通信網頻率資源問題的函［S］.2007．

［2］盧爾瑞，孫孺石等．移動通信工程［M］．北京:人民郵電出版社，1988．

Not only all the base stations along the test railway line but also relevant base stations along the neighboring railway lines should be shut down in a conventional electromagnetic environment test．As for long line and increasingly dense cross-district GSM-R region，it becomesmore and more difficult to perform electromagnetic environment measurement．Therefore，it is urgent to seek a simple repeatable measurement solution under the conditions of GSM-R working online．

GSM-R;Online;Electromagnetic Environment;Measurement

張寶軍:中國鐵道科學研究院鐵道科學技術研究發展中心副研究員100081北京

張東升:中國鐵道科學研究院鐵道科學技術研究發展中心助理研究員100081北京

張鵬:中國鐵道科學研究院鐵道科學技術研究發展中心助理研究員100081北京

2014-01-09

(責任編輯:諸紅)