鐵路站場外來同頻干擾監測系統設計

王嘯陽

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

車地無線通信系統是構成鐵路綜合通信網絡的重要組成部分，也是保障列車和地面系統之間信息交互的重要手段。隨著中國鐵路建設的高速發展，鐵路信息化水平越來越高，大量的車地交互數據需要通過車地無線通信系統進行傳輸，其中涉及許多鐵路安全保障業務，如列車臨時限速，列車運行狀態監測，鐵路隧道、橋梁等基礎設施的安全監測，列車視頻監控等。因此，在建設車地無線通信網絡時，需要著重考慮如何提高車地無線通信系統的穩定性和信道質量。

為提高系統的穩定性，通常會對車地無線通信系統的關鍵設備進行冗余配置，即熱備冗余機制。默認情況下，主設備處于工作狀態，從設備處于監聽或者休眠狀態。當主設備發生故障時，從設備才開始介入并承擔主設備的工作。熱備冗余機制有利于縮短系統中斷時間，提高系統穩定性。然而，這種傳統的熱備冗余機制會導致系統從設備的利用率較低。

另外，車地無線通信系統尤其是窄帶無線通信系統的性能易受到外來同頻干擾的影響。為改善通信信道質量，期望降低站場環境中的干擾水平，尤其是外來同頻干擾水平。一般來說，外來同頻干擾的監測、定位和消除方式主要有兩種：1）定期使用干擾定位測試儀檢查鐵路站場環境中的干擾水平。然而，該方法僅適合應對長期固定的外來同頻干擾，無法有效應對短期的或突發的外來同頻干擾；2）單獨搭建一套干擾監測系統，長期監控站場環境中的外來同頻干擾水平，但是這將增加車地無線通信系統的建網成本。

因此，為了在不增加建網成本的前提下，提高對外來同頻干擾信號的管控能力，系統從設備的利用率，本文設計了一種基于車地無線通信系統從設備的外來同頻干擾監測系統方案。該方案利用車地無線通信系統的從設備搭建一套外來同頻干擾監測系統，能夠實現站場環境中的外來同頻干擾的監測、定位及消除。

2 系統描述

目前國內鐵路正線的車地無線通信系統主要采用的是第二代移動通信技術，即 GSM-R（Global System for Mobile Communications-Railways），未來將計劃演進到第四代移動通信技術或第五代移動通信技術，即 LTE-R (Long Term Evolution-Railways)或5G-R（5G-Railways）。現階段，國內已經完成LTE-R 通信技術的理論研究和試驗線驗證，并大力推進5G-R通信技術的理論研究和實驗室驗證。然而，無論是采用 GSM-R 通信技術還是 LTE-R或5G-R 通信技術，鐵路車地無線通信系統的關鍵設備都會進行冗余配置，以提高車地數據交互的穩定性。

車地無線通信系統主要由核心網（Evolved Packet Core network，EPC）、基帶單元（Baseband Unit，BBU）、射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）和天饋系統組成。EPC的功能是實現網絡接入控制、數據路由和轉發、移動性管理、無線資源管理、安全管理等。BBU的功能是實現信道編解碼、基帶信號調制解調、協議處理等，并提供與上層網元的接口。RRU的功能是在接收信號時，負責將天線傳來的射頻信號經濾波、低噪聲放大、轉化成光信號，傳輸給BBU；在發送信號時，負責將從BBU傳來的光信號轉成射頻信號，通過天線放大發送出去。天饋系統的功能是實現基站設備與終端用戶之間的信息能量轉換，完成無線信號的發送和接收。

通常車地無線通信系統地面側的網絡架構如圖1所示。該地面側系統中的關鍵設備，如BBU、RRU和天饋系統，都進行了冗余配置。主（從）基帶單元、主（從）射頻拉遠單元和主（從）天饋系統構成主（從）基站系統。主基站系統和從基站系統共用一個核心網，當主基站系統故障時，從基站系統自動運行并接替主基站系統的工作。

圖1 網絡架構Fig.1 Network architecture

在本方案中，將利用車地無線通信系統的從基站系統搭建一套外來同頻干擾監測系統，用于監測和管控與本地基站發射頻率相同的外來干擾。然而，由于主基站天線和從基站天線的間距較小，主基站天線的發射信號會對從基站天線接收端產生干擾，稱之為本地自干擾，類似于同時同頻全雙工通信中的自干擾概念。因此，基于從基站系統搭建的外來同頻干擾監測系統的關鍵任務是消除本地自干擾。

本地自干擾的消除方式主要有3種：空域消除、射頻域消除和數字域消除。空域消除的原理是在空口處為發射天線和接收天線設置隔離，降低發射機信號對接收機信號的干擾，常用隔離手段有：1）增大發射天線和接收天線之間的距離；2）在發射天線和接收天線之間設置微波屏蔽板；3）配置多發射天線，通過調整多個發射天線到接收天線的距離，使發射信號在接收天線處形成反相抵消。射頻域消除的原理是在模擬域通過射頻電路以相位反轉的形式實現干擾抵消。數字域消除的原理是在數字域通過信道估計和自適應濾波等方式實現干擾抵消。

在實際應用時，聯合使用這3種消除方式一般能夠實現110 dB左右的本地自干擾功率衰減，但具體的抑制效果與本地自干擾帶寬負相關。

3 信號流程

外來同頻干擾的監測功能主要由從基站系統完成，其信號流程框如圖2所示。

圖2 信號流程框圖Fig.2 Signal flow diagram

外來同頻干擾監測系統的算法思想描述如下。

1）從基站天線實時接收空口信號，并將接收信號傳遞給從基站系統進行處理。從基站天線接收的空口信號由主基站發送信號和外來同頻干擾組成。

2）從基站系統利用射頻域消除和數字域消除方法，將從基站接收信號中的本地主基站發送信號消除，獲得實時的外來同頻干擾信號。

3）從基站系統將實時的外來同頻干擾信號傳遞給本地干擾監測系統，記錄每次強干擾的發生時間、持續時間和信號強度，并統計指定時間內強干擾信號的發生頻率。外來同頻干擾強度閾值預設為-50 dBm，持續時間閾值預設為10 s，發生頻率閾值預設為10次/min，具體閾值大小可根據現場情況進行調整。如果外來同頻干擾的強度大于-50 dBm，則將其視為強干擾；反之，則為弱干擾。

4）根據強干擾信號的持續時間和發生頻率，判斷站場環境中是否存在強干擾源。

5）如果強干擾信號的單次持續時間大于持續時間閾值或發生頻率大于發生頻率閾值，則判斷站場附近很可能存在強干擾源，本地干擾監測系統發出強干擾告警指示。現場人員利用干擾定位測試儀復查、定位及消除強干擾源。

6）如果強干擾信號的單次持續時間小于持續時間閾值且發生頻率小于發生頻率閾值，則判斷站場附近沒有強干擾源，無需人工介入。

4 結論

在不改動原有系統結構和熱備冗余機制的前提下，本文重新設計了車地無線通信系統方案，以車地無線通信系統的從設備為基礎，構建外來同頻干擾監測系統，用于監管鐵路站場環境中的外來同頻干擾。該方案在滿足車地無線通信系統的穩定性要求的同時，既提高了系統從設備的利用率，又節約了用于搭建干擾監測系統的硬件成本，在軌道交通領域具有一定潛在應用價值。