GSM-R 車載模塊接收機抗干擾性能分析及對策研究

尹 鵬

1 背景介紹

目前國內鐵路無線通信系統主要采用了GSM-R 技 術，其 技 術 來 源 于GSM［1-2］。相 比GSM，GSM-R 只是多了一些集群、高速場景等應用內容，即鐵路移動通信系統和運營商的通信系統在底層技術上是相同的。國際電信聯盟分配給鐵路的R-GSM900 頻段為921.0 M～960.0 MHz（下行），分配給運營商的E-GSM 頻段為925.0 M～960.0 MHz（下行），顯然大部分是共頻段的。由于終端在體積、使用環境等方面的限制，其下行信號的抗干擾性能要低于基站，故本文只對下行，即終端的接收機抗干擾性能進行分析。

國內主要運營商移動和聯通公司的GSM900 下行頻段分別為934 M～954 MHz和954 M～960 MHz。GSM-R 模塊一般是按R-GSM900 規范的全頻段設計接收機帶寬的，這樣會造成運營商，尤其是下行信號可能落入GSM-R 模塊帶內，形成非常復雜的阻塞、互調等干擾，并且運營商鐵路沿線的基站有可能就在GSM-R 沿線基站的切換區附近，在這些區域運營商信號有可能要比GSM-R 信號強15 dB左右，詳見表1。

針對以上問題，從4 個方面進行分析，并提出對策。

1）ETSI 相關標準中關于接收機射頻指標的相關規范。

2）GSM-R 帶外信號的濾除。

3） GSM-R 車載模塊接收機帶內干擾抑制能力的檢測。

4）帶內干擾信號識別。

2 接收機射頻指標的相關規范

國內GSM-R 車載模塊主要用于CIR 設備和MT設備中，接收機射頻相關指標在TB/T 3370.1—2018中引用YD/T 1214 的標準，而YD/T 1214 部分指標引用ETSI 的3GPP TS 05.05［3］標準，故在表2中將接收機相關抗干擾性能指標匯總在一起進行分析（表2 中以MS 為8W 語音車載模塊，SmallMS 為2W 車載模塊為例）。

表1 運營商GSM900 與GSM-R 信號強度比較

表2 接收機抗干擾性能主要指標及優化建議

根據文獻［4］的故障案例分析數據，可看到在下行信號為-47 dBm 時，通話質量惡化到6 級或7 級。依 據3GPP TS 05.08 中8.2.4 條，6 級BER 大于6.4%，7 級BER 大 于12.8%［5］。

從表2 可看出，互調干擾是雙干擾信號源，其他都是單干擾源。按表2 中信號幅度，增加1 個或2 個干擾信號最多使誤碼率下降到2%，即通話質量下降到3～4 級（2.0%＜BER＜3.2%）；依據表1 的計算，文獻［4］中的故障原因可能是兩家運營商的934 M～960 MHz 信號落入了標準GSM-R模塊的接收機帶內，如果運營商的用戶較多時，這些頻率都會被同時使用，從而形成非常復雜的阻塞、互調、同頻等干擾，導致通話質量急劇下降。

3 GSM-R 帶外信號的濾除

在GSM-R 車載模塊中增加腔體濾波器，可濾除運營商934 M～960 MHz的信號，但由于濾波器的材質受溫度影響，會造成濾波器頻率漂移，如表3所示。鋁材質在-25 ℃和60 ℃時會分別偏移1.1 MHz和0.8 MHz，再考慮到干擾主要來源于GSM-R 帶寬的高頻部分、主要工作在高溫等因素，建議將該濾波器帶寬規范為929 M～935 MHz，帶外衰減25 dB 以上。

相應的國內GSM-R 車載模塊的帶內規范為929 M～935 MHz（以下文中的GSM-R 帶內指這一6 MHz 頻段，GSM-R 帶外指6 MHz 頻段帶外信號），并將此濾波器和車載GSM-R 模塊一起進行接收機指標優化，優化建議見表2。

表3 腔體濾波器溫度變化引起的頻率漂移

4 降低GSM-R 車載模塊接收機帶內干擾

加裝濾波器只是濾除了GSM-R 帶外的干擾，針對帶內存在的干擾要從外部和內部因素兩方面分析并采取措施。

1） 從外部因素來說，GSM-R 帶內有一部分干擾是運營商的934 M～935 MHz 合法頻譜，通過電磁環境測試，要求相關運營商優化頻率，建議其在鐵路沿線無線覆蓋基站盡量避免使用這些頻率，或盡可能減小運營商基站覆蓋距離等。

2）從內部因素來說，要定期測試這些模塊接收機的抗干擾指標，發現惡化情況，立刻進行維修或更換。另外，因3GPP TS 05.05 定義的指標和3GPP TS 51.010-1［6］定義的測量方法是通用規則，應根據國內的實際情況進行部分調整，可依據表2 的建議，修改相關指標，并完善、優化測量方法。

5 帶內干擾信號識別

GSM-R 帶內干擾主要來自運營商的934 M～935 MHz 信號頻段，其基站和直放站等信源設備產生的互調信號，也有GSM-R 網內多徑干擾信號等。如果這些信號形成異頻干擾，依靠接收機的抗干擾性能可以保證誤碼率惡化在可控范圍內。但如果落在同頻內，根據表2 中C/Ic@同頻=9 dB，當有用信號電平為-85 dBm 時，只能承受-85-9=-94 dBm 及以下的同頻干擾信號。這種帶內同頻干擾信號，如果與有用電平信號幅度差值在6 dB內，且時延差值超過4 TA 時，會導致終端的接收靈敏度急劇惡化。使用常規的掃頻儀及信令方式無法找出干擾源，且同頻干擾具有隨機性，因此需在濾波器內增加同頻干擾監測模塊，在線常態監測GSM-R 帶內的干擾信號，及時捕獲同頻干擾信號，為解決這些干擾提供有效的數據支撐。

另外，由于車載天線故障率也較高，在同頻干擾監測模塊內增加天饋線監測模塊，可同時實現對天饋線的實時監測，以及GSM-R 車載模塊時隙功率的監測。

6 驗證試驗

利用無線檢修測試工區直放站設備里既有的2 個雙工器部件，將其H 端（高頻段）和L 端（低頻段）分別對接后，作為一個簡易的帶通濾波器。在模擬現場運用環境條件下，準備1 臺射頻信號源、1 臺GSM 測試儀、電橋及GSM-R 車載模塊，按圖1 方式連接，進行試驗測試。

圖1 濾波試驗連接示意圖

首先，關閉RF 信號源輸出，不串接簡易濾波器，依據文獻［5］ 調整GSM 測試儀信號，測試出車載模塊的接收靈敏度為-108 dBm；開啟RF信號源，頻率調整為954 MHz、幅度為-23 dBm（相當于模擬某運營商GSM 網絡的干擾信號），則測試出模塊靈敏度惡化到-73 dBm；串接簡易濾波器后再進行靈敏度測試，模塊的接收靈敏度恢復到-108 dBm，基本上控制了干擾信號的影響，有效提升了車載無線設備的接收電平，滿足了車載設備的正常運用。

從上述試驗可看出，加裝濾波器后，非常明顯地抑制了較強的運營商信號對GSM-R 無線信號的干擾，保證了行車設備無線信號的可靠接收。

7 結論

通過對鐵路GSM-R 車載模塊的技術運用及指標分析，結合運營商基站下行信號對鐵路GSM-R網絡存在的帶內和帶外干擾等問題，利用外加的腔體濾波器，重新定義了GSM-R 帶寬，通過優化參數配置、修改抗干擾指標、完善模塊性能等方式，提出了減小或消除干擾的解決方法。同時，根據實際運用情況，為準確定位帶內干擾源，建議同步增加同頻干擾監測和天饋線監測模塊，為GSM-R 車載模塊提高抗干擾性能提供了一個整體解決方案，尤其對C3 線路車載無線設備抗干擾能力的提升具有一定的參考價值。