GSM－R 網(wǎng)絡(luò)互調(diào)干擾分析及處理

馬良德 王衛(wèi)東 王惠生

隨著中國鐵路特別是高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng) （GSM－R）作為車－地語音通信、調(diào)度命令及列車控制信息的傳輸通道，越來越多的在鐵路中得以運(yùn)用。在鐵路建設(shè)過程中，公網(wǎng)電信運(yùn)營商也將他們各自的無線通信系統(tǒng)引入鐵路沿線，給廣大鐵路旅客提供公眾無線通信服務(wù)。鐵路GSM－R系統(tǒng)的基本原理和制式與目前中國移動(dòng)和中國聯(lián)通的GSM系統(tǒng)是一致的，因此當(dāng)公網(wǎng)GSM系統(tǒng)在鐵路沿線進(jìn)行覆蓋時(shí)，會(huì)給鐵路GSM－R系統(tǒng)帶來無線干擾。

無線干擾從頻率的角度可分為同頻干擾、鄰頻干擾和互調(diào)干擾，本文通過對(duì)鐵路沿線的電磁環(huán)境及服務(wù)質(zhì)量的測(cè)試，了解目前鐵路GSM－R網(wǎng)絡(luò)互調(diào)干擾狀況，并提出解決互調(diào)干擾的處理方案。

1 無線通信互調(diào)干擾

在無線通信系統(tǒng)中，當(dāng)多個(gè)不同頻率的信號(hào)疊加到非線性器件時(shí)，經(jīng)過非線性變換將產(chǎn)生許多新的組合頻率信號(hào)，其中一部分可能恰好落到接收機(jī)的通帶內(nèi)，對(duì)有用信號(hào)造成干擾，稱為互調(diào)干擾。互調(diào)干擾不僅能降低有用信號(hào)的功率，引起信號(hào)失真，降低系統(tǒng)選擇性，還可能破壞鄰近信道的性能。

非線性器件的輸出電流ic與輸入電壓u之間的關(guān)系如下：

ic＝a0＋a1u＋a2u2＋a3u3＋…

式中ai為比例常數(shù)。假設(shè)有2個(gè)信號(hào)同時(shí)作用于非線性器件，即

u＝AcosωAt＋BcosωBt

則失真項(xiàng)表示為：

Σan（AcosωAt＋BcosωBt）nn＝2，3，4…

各失真項(xiàng)都含有ωA和ωB的高次諧波分量，當(dāng)n≥2，會(huì)出現(xiàn)各種頻率的組合，特別是n＝3時(shí)，會(huì)出現(xiàn)ωA和ωB都接近于有用信號(hào)的頻率ω0，很容易滿足以下條件：

2ωA－ωB≈ω0

2ωB－ωA≈ω0

同理，當(dāng)有3個(gè)信號(hào)同時(shí)作用時(shí)，則會(huì)有：

ωA＋ωB－ωC≈ω0

ωA＋ωC－ωB≈ω0

ωB＋ωC－ωA≈ω0

以上頻率組合不僅可以落入接收機(jī)的通頻帶之內(nèi)，而且可以在ωA、ωB和ωC都靠近ω0的情況下發(fā)生。接收機(jī)的輸入電路對(duì)頻率靠近其工作頻率的干擾信號(hào)不會(huì)有很大的抑制作用，因而這類組合頻率的干擾對(duì)接收機(jī)的危害比較大，通常把這類組合頻率的干擾稱為三階互調(diào)干擾。

雖然 鐵 路 GSM－R 系 統(tǒng) （上 行：885～889MHz，下行：930～934MHz）和中國移動(dòng)900MHz頻段 （上行890～909MHz，下行935～954MHz）存在頻率間隔，但它們之間眾多頻點(diǎn)組合產(chǎn)生的三階互調(diào)產(chǎn)物很容易給GSM－R系統(tǒng)帶來干擾，且查找困難，影響嚴(yán)重。

2 GSM－R互調(diào)干擾測(cè)試及分析

互調(diào)干擾信號(hào)不是正常通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，采用普通頻譜掃描檢測(cè)的方式不容易被發(fā)現(xiàn)，即使使用帶有信令解析的掃頻儀，也很難確定干擾信號(hào)的類型。本文根據(jù)互調(diào)的形成機(jī)理，對(duì)部分高鐵線路進(jìn)行了加裝特定濾波器的對(duì)比測(cè)試，通過對(duì)比話音質(zhì)量Rxqual指標(biāo)，判斷目前高鐵線路GSM－R網(wǎng)絡(luò)接收機(jī)互調(diào)干擾現(xiàn)狀。選用的濾波器為帶通濾波器，帶通濾波器頻率特性曲線如圖1所示。接收GSM－R的上下行信號(hào)并濾除其他信號(hào)，使進(jìn)入到測(cè)試設(shè)備的信號(hào)都是GSM－R頻點(diǎn)內(nèi)的信號(hào)，消除產(chǎn)生互調(diào)干擾的外部條件。

圖1 帶通濾波器頻率特性曲線

對(duì)比測(cè)試時(shí)，在檢測(cè)車上搭建2套完全相同的GSM－R服務(wù)質(zhì)量測(cè)試系統(tǒng)，一套將車頂天線與車載QoS測(cè)試設(shè)備直接連接；另一套先與帶通濾波器連接，再連接至車載QoS測(cè)試設(shè)備。2套系統(tǒng)同時(shí)發(fā)起語音呼叫，并記錄相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試設(shè)備連接如圖2所示。

圖2 測(cè)試設(shè)備連接圖

通過對(duì)比各高鐵線路GSM－R網(wǎng)絡(luò)話音質(zhì)量Rxqual小于等于4級(jí)的統(tǒng)計(jì)百分比數(shù)據(jù)，來判斷互調(diào)干擾狀況，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。加濾波器的情況下測(cè)試話音質(zhì)量結(jié)果整體好于不加濾波器的測(cè)試結(jié)果，由此可以判斷移動(dòng)終端加裝帶通濾波器可以消除由于接收機(jī)互調(diào)干擾引起的話音質(zhì)量下降。同時(shí)得出，部分線路確實(shí)存在外部信號(hào)對(duì)GSM－R網(wǎng)絡(luò)的干擾影響，且對(duì)個(gè)別線路影響較大，如廣珠城際、滬昆高鐵等。而某些線路加裝與不加裝濾波器話音質(zhì)量都沒有出現(xiàn)大于4級(jí)的情況，說明在測(cè)試中基本沒有出現(xiàn)外部信號(hào)的互調(diào)干擾，如滬寧城際等。

圖4是某客專線路某GSM－R服務(wù)質(zhì)量測(cè)試曲線截圖，從服務(wù)質(zhì)量測(cè)試曲線分析，可以看到不加濾波器測(cè)試K1092附近出現(xiàn)多次7級(jí)話音，載干比也降至0dB以下。加裝濾波器后測(cè)試該小區(qū)載干比有了很大改善，且沒有發(fā)生4級(jí)以上話音質(zhì)量。鐵路維護(hù)部門組織現(xiàn)場(chǎng)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該位置附近存在中國移動(dòng)基站且發(fā)射信號(hào)較強(qiáng)，但沒有占用鐵路頻點(diǎn)。經(jīng)與地方無委聯(lián)系對(duì)該基站進(jìn)行暫時(shí)性關(guān)閉，再次對(duì)GSM－R網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)話音質(zhì)量及載干比指標(biāo)明顯改善。

圖3 接入濾波器話音質(zhì)量Rxqual測(cè)試結(jié)果對(duì)比

通過對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)可知高鐵線路GSM－R網(wǎng)絡(luò)存在外網(wǎng)信號(hào)導(dǎo)致的互調(diào)干擾，但分布并不均衡，大部分出現(xiàn)互調(diào)的線路被干擾小區(qū)的數(shù)量并不多，從圖3的對(duì)比結(jié)果看到，不加裝濾波器測(cè)試各線路話音質(zhì)量，不大于4級(jí)的統(tǒng)計(jì)值都在99%以上，且加與不加濾波器測(cè)試小區(qū)載干比和話音質(zhì)量，指標(biāo)都較差。由此說明GSM－R網(wǎng)絡(luò)除網(wǎng)外信號(hào)帶來的互調(diào)干擾外，還存在其他類型的干擾，可以躲過濾波器的過濾直接進(jìn)入接收機(jī)，如同頻干擾、鄰頻干擾等。

3 GSM－R互調(diào)干擾解決方案

圖4 某客專線路服務(wù)質(zhì)量對(duì)比測(cè)試曲線截圖

消除互調(diào)干擾影響的關(guān)鍵是提高有用信號(hào)的載干比，主要途徑：一是提高GSM－R網(wǎng)絡(luò)在干擾區(qū)域的電平覆蓋；二是降低或消除外界相關(guān)信號(hào)的輻射電平。降低外界信號(hào)電平可以通過與電信運(yùn)營商協(xié)調(diào)溝通，降低輻射功率或更換頻點(diǎn)；同時(shí)還可以采用提高GSM－R移動(dòng)終端接收機(jī)線性指標(biāo)、減少外界信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)等方案，來解決互調(diào)干擾。

3．1 提高接收機(jī)線性指標(biāo)

在運(yùn)營線路上通過接口監(jiān)測(cè)等手段監(jiān)測(cè)到某些移動(dòng)終端通信質(zhì)量較差，大部分都?xì)w結(jié)于網(wǎng)絡(luò)干擾，但有些質(zhì)差是移動(dòng)終端接收機(jī)本身特性指標(biāo)不良造成的。

利用不同測(cè)試設(shè)備進(jìn)行相同環(huán)境下的服務(wù)質(zhì)量對(duì)比測(cè)試，通過數(shù)據(jù)分析判斷移動(dòng)終端特性對(duì)抗干擾能力的影響。測(cè)試使用S型號(hào)模塊和T型號(hào)模塊分別加裝濾波器，同時(shí)使用T型模塊不加濾波器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，某區(qū)間的話音質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

從測(cè)試數(shù)據(jù)得知，即使加裝了濾波器，S模塊的測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果也差于不加濾波器的T模塊的話音質(zhì)量。T模塊不加濾波器時(shí)出現(xiàn)了由互調(diào)干擾引起話音質(zhì)量7級(jí)，但S模塊在每個(gè)切換前總是出現(xiàn)5～7級(jí)話音，使整體質(zhì)量統(tǒng)計(jì)變差。同時(shí)查看本區(qū)間越區(qū)切換次數(shù)可知，S模塊發(fā)生的切換次數(shù)明顯多于T模塊，GSM－R網(wǎng)絡(luò)切換是BSC根據(jù)移動(dòng)終端測(cè)量報(bào)告進(jìn)行控制的，由此說明在相同環(huán)境下，S模塊的測(cè)量報(bào)告中體現(xiàn)了更多的質(zhì)量差的信息。

表1 話音質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比表

因此，提高接收機(jī)線性指標(biāo)，選擇抗干擾能力強(qiáng)的移動(dòng)終端是減少GSM－R網(wǎng)絡(luò)干擾的重要解決方案之一。

3．2 減少外界信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)

通過表1對(duì)比測(cè)試結(jié)果，還可以發(fā)現(xiàn)接收機(jī)前端加裝帶通濾波器可以阻止或減少外界信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)，從而減少互調(diào)干擾。

針對(duì)三階互調(diào)可知，如果參加互調(diào)的外界信號(hào)減少1dB，則互調(diào)產(chǎn)物可以減少約3dB。因此在不影響正常通信的前提下，加裝定值衰減器同樣可以減少外界信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)，從而提高有用信號(hào)的載干比。為不影響正常檢測(cè)指標(biāo)，采用2臺(tái)測(cè)試設(shè)備，測(cè)試設(shè)備1射頻前端接入1個(gè)6dB衰減器，與正常連接的測(cè)試設(shè)備2同時(shí)進(jìn)行測(cè)試。接入衰減器后，雖然干擾信號(hào)和有用信號(hào)都會(huì)有所降低，但與有用信號(hào)相比，互調(diào)產(chǎn)物減少的幅度會(huì)更大。測(cè)試數(shù)據(jù)見圖5，從中看到接入衰減器后各線路話音質(zhì)量指標(biāo)都有所提高。

圖6為某客專線路接入衰減器的服務(wù)質(zhì)量測(cè)試對(duì)比曲線截圖，可以看到圖6中K1091－K1111近20km的區(qū)段中，不加衰減器的測(cè)試終端共出現(xiàn)了3處7級(jí)話音質(zhì)量和2次切換失敗，而接入衰減器的測(cè)試終端僅出現(xiàn)了2次5級(jí)話音，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量改善效果非常明顯。

圖5 接入衰減器話音質(zhì)量Rxqual測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖6 接入衰減器后某客專線路服務(wù)質(zhì)量對(duì)比測(cè)試曲線截圖

4 結(jié)束語

隨著GSM－R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)范圍的不斷擴(kuò)大，無線干擾給GSM－R帶來的問題會(huì)越來越多。應(yīng)該通過加強(qiáng)無線干擾檢測(cè)來了解干擾特性并判斷干擾類型，根據(jù)不同無線干擾的特點(diǎn)，采取有針對(duì)性的解決方案。同時(shí)鐵路維護(hù)部門應(yīng)該加強(qiáng)與地方無委及電信運(yùn)營商的溝通協(xié)調(diào)，各方面共同努力才能保證GSM－R網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的清潔，保證鐵路無線通信的暢通。

［1］ 中華人民共和國鐵道部．科技運(yùn)［2008］170號(hào)．GSM－R無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和服務(wù)質(zhì)量（QoS）測(cè)試方法（V1．0）［S］．2008．

［2］ 王買智．GSM－R網(wǎng)絡(luò)頻率干擾監(jiān)測(cè)研究［J］．鐵路技術(shù)創(chuàng)新．2014（1）．

［3］ 韓斌杰．GSM原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

［4］ 張世全．無源互調(diào)導(dǎo)論［M］．北京：西安電子科技大學(xué)出版社，2014．