敘畢鐵路GSM-R系統干擾排查案例分析

衛(wèi) 磊

（中鐵十二局集團電氣化工程有限公司，天津 300308）

1 概述

中國鐵路客運專線、城際鐵路、長大干線的無線通信系統采用GSM-R 技術體制，GSM-R 網絡主要提供列調、貨調、電調等調度通信服務，并提供列車控制和運營維護相關的車-地信息傳送業(yè)務。根據中國無線電管理委員會的規(guī)定，國內900 MHz頻段中運行的通信系統有中國移動（GSM905 ～910/950 ～955 MHz）、 中 國 聯 通（GSM910 ～915/955 ～960 MHz）、中 國 電 信（CDMA825 ～840/870 ～885 MHz）和鐵路GSM-R 系統（885 ～889/930 ～934 MHz）。網絡規(guī)劃參數設置不當時，極易產生外網干擾影響GSM-R 系統的運用。因此，如何有效快速地解決多無線通信系統間的電磁兼容問題，是保障GSM-R 可用性和可靠性的重要因素。下面將對敘畢鐵路GSM-R 系統建設過程中出現的干擾典型案例進行討論分析，提出GSM-R 區(qū)段鐵路線路重點區(qū)域開展常態(tài)化干擾監(jiān)控的技術建議，為工程實踐提供參考。

2 GSM-R外網上行、下行干擾概況

GSM-R 系統的工作頻段分為上行和下行頻段，其中上行頻段指的是GSM-R 移動終端使用該頻段發(fā)射信號、GSM-R 基站（BTS）在該頻段接收信號；下行頻段指的是GSM-R 基站（BTS）發(fā)射信號、GSM-R 移動終端在該頻段接收信號。GSM-R 系統的上行頻段為885 ～889 MHz、下行頻段為 930 ～934 MHz，劃分為20 個頻點，頻點號為1 000 ～1 019，每個頻點號代表一個帶寬為200 kHz、上、下行間隔45 MHz 的無線信道資源。

上行干擾指的是在某個區(qū)域，GSM-R 系統收到來自其他無線電系統發(fā)射的無線電波信號，對GSM-R 基站接收到的上行信號質量造成了干擾。通常GSM-R 系統受到的上行干擾包括來自干擾器、微波設備、雷達等非常發(fā)干擾。

下行干擾指的是在某個區(qū)域，GSM-R 系統收到來自其他無線電系統發(fā)射的無線電波信號，對GSM-R 移動終端接收的GSM-R 基站發(fā)射的下行信號質量造成了干擾。通常GSM-R 外部下行干擾來自干擾器、微波設備、雷達等非常發(fā)干擾；以及來自中國移動900 MHz 頻段GSM 系統的雜散、三階互調常發(fā)干擾，并且后者更常見。

三階互調是指當2 個信號在一個線性系統中，一個信號的二次諧波與另一個信號的基波混頻后所產生的寄生信號。例如：f1的二次諧波是2f1，它與f2產生了寄生信號2f1–f2。當一個信號是二次諧波（二階信號），另一個信號是基波信號（一階信號），它們合成為三階信號，其中2f1–f2被稱為三階互調信號，它是在調制過程中產生的，因此被稱為三階互調信號。

中國鐵路GSM-R 系統與中國移動900 MHz 頻段的GSM 系統之間的頻譜間隔為400 kHz，因此，中國移動的頻率規(guī)劃不合理，就容易對GSM-R 系統構成三階互調干擾。由于中國移動GSM 系統的上行頻段范圍為880 ～915 MHz，將該頻段代入三階互調信號公式中進行簡單計算，得到三階互調信號范圍為845 ～950 MHz（105 MHz 帶寬），如強度達到一定程度，就會對GSM-R 系統構成干擾。

3 GSM-R上行干擾處置措施

通常，GSM-R 系統受到的上行干擾，主要來自于中國電信CDMA 系統的干擾。由于中國電信CDMA 系統采用800 MHz 的下行頻段與GSM-R上行頻段的間隔只有5 MHz，如圖1 所示，如果在濾波器性能方面存在問題，站址臨近GSM-R 基站，天線方位角指向GSM-R 接收天線，則很容易造成GSM-R 上行信號質量惡化，或者性能下降。

圖1 中國電信CDMA對GSM-R構成上行干擾示意Fig.1 Schematic diagram of uplink interference caused by China Telecom's CDMA system to the GSM-R network

3.1 CDMA系統對GSM-R系統的干擾分析

中國電信CDMA 系統對GSM-R 系統構成干擾的主要有3 種類型：邊帶雜散信號落入GSM-R 基站接收機帶內構成雜散干擾、CDMA 交調信號落入GSM-R 基站接收帶內構成交調干擾、CDMA 發(fā)射信號造成GSM-R 基站接收機靈敏度下降形成阻塞干擾。

雜散干擾是指由于發(fā)射濾波器的滾降特性導致系統外存在一定的帶外輻射。帶外輻射的主要能量來源是寬帶噪音、諧波與互調產物、寄生輻射及雜散輻射，統稱為雜散輻射。現場測試結果表明，CDMA 系統在885 MHz 附近的發(fā)射雜散正好落入GSM-R 系統的接收頻段范圍內，當干擾信號的電平足夠大時，會導致GSM-R 系統基站的接收靈敏度下降、接入困難等現象。

阻塞干擾是指當較強功率加于接收機端時可能導致接收機過載，使它的增益下降或者被抑制。產生這種現象的原因是接收放大器有一定的線性動態(tài)范圍，在此范圍內放大器的輸出功率隨輸入功率線性放大。如果接收濾波器對外部干擾信號的抑制能力不夠，即使干擾系統不產生任何帶外雜散，也將因接收到強干擾信號導致接收機飽和，從而引發(fā)阻塞干擾。

3.2 CDMA系統干擾GSM-R系統案例分析

3.2.1 干擾現象

敘畢鐵路威信站附近，聯調聯試期間，動態(tài)測試發(fā)現該處出現多次GSM-R 移動終端瞬時掉話現象，信令分析結果如圖2 所示，信令分析掉話的直接原因為無線鏈路失敗（radio link failure）。

圖2 威信站GSM-R移動終端掉話信令分析Fig.2 Dropped call signaling analysis of GSM-R mobile terminal of Weixin Station

3.2.2 問題分析及處置

現場排查發(fā)現，該處存在1 處中國電信CDMA基站，如圖3 所示。經現場掃頻測試發(fā)現該處中國電信CDMA 基站啟用879.7 MHz 頻點（窄帶物聯網載波）時，其雜散信號和互調信號會對GSM-R網上行頻段885 ～889 MHz 形成干擾。初步判定原因可能是該處CDMA 基站與GSM-R 基站信號水平隔離度不夠，對該區(qū)域GSM-R 系統造成干擾。

圖3 威信站通信設備布局Fig.3 Communication equipment layout of Weixin Station

為了進一步確定問題原因，進行下述試驗工作：1）在CDMA 基站發(fā)射端口增加帶外雜散抑制濾波器，然后觀察GSM-R 網絡信號接收。通過現場觀察發(fā)現，問題依然存在。因此判斷此處問題并非CDMA 基站雜散信號過強導致，故拆除CDMA 濾波器，恢復原狀；2）在GSM-R 基站天饋處增加抗CDMA 阻塞干擾濾波器，然后觀察GSM-R 網絡信號接收。通過信令分析，發(fā)現MS 接收信號質量達到1-2 級，干擾問題解決。因此，最終確定問題原因為，該處中國電信CDMA 基站對該區(qū)域GSM-R系統造成了阻塞干擾，采取了在GSM-R 基站天饋處增加抗CDMA 阻塞干擾濾波器的方式，解決了該問題。

3.2.3 上行干擾的處置流程

綜上所述，外部上行干擾的判斷可采用以下步驟。

1）查看GSM-R 基站網管（OMC-R）的話務統計中表征上行干擾的信號服務質量（QoS）的Band 值，如果出現大量質差分布，基本可以判斷存在上行干擾；

2）在受干擾GSM-R 基站附近進行現場檢查，勘查是否存在中國電信CDMA 基站在GSM-R 基站150 m 范圍內，且天線主瓣指向GSM-R 基站；

3）如發(fā)現存在中國電信CDMA 基站，首先在中國電信CDMA 基站發(fā)射路插入帶外雜散抑制濾波器，查看GSM-R 網管側的上行干擾服務質量QoS 是否恢復正常，如故障現象消除，則判定為該處CDMA 基站設備帶外雜散發(fā)射異常，對該區(qū)域GSM-R 系統造成了雜散干擾；

4）如果不是雜散干擾，則通過在受干擾的GSM-R 基站天饋處增加抗CDMA 阻塞干擾濾波器的方式，通過撥打測試，判斷干擾現象是否消除。如果消除，則判定為該區(qū)域受到了該中國電信CDMA 基站的阻塞干擾，可以通過降低CDMA 基站發(fā)射功率、調整中國電信CDMA 基站天線方向、修改中國電信CDMA 基站頻點配置或改用低頻點等方式減少該處CDMA 基站對GSM-R 系統的干擾強度。除了降低外部干擾外，推薦在該區(qū)域GSM-R基站天饋處增加抗CDMA 阻塞干擾濾波器的方式解決該問題。

4 GSM-R下行干擾處置措施

下行干擾是干擾源對GSM-R 移動終端造成干擾，因此，較上行干擾而言，由于網管OMC-R 中沒有下行干擾的統計，現實工作中的只能通過其他關聯指標推測，排查整治難度更大。通常，主要采用到受干擾區(qū)域進行路測、利用三接口監(jiān)測系統、基站空口監(jiān)測系統、固定干擾監(jiān)測系統等抓取的數據進行分析，綜合確定原因。通常，采取3 種措施消除下行干擾：1）如果干擾源來自于公共移動網絡的基站，可以通過降低該處移動基站發(fā)射功率的方式解決；2）GSM-R 移動終端加裝帶通濾波器、濾除GSM-R 基站工作頻段外的干擾信號的方式提高抗干擾能力；3）通過優(yōu)化公網GSM 基站的頻率規(guī)劃，如GSM 基站避免使用0 ～50 號小頻點，避免對GSM-R 系統構成阻塞干擾或互調干擾。

敘畢鐵路聯調聯試期間，電務檢測車檢測結果顯示，畢節(jié)站附近GSM-R 網絡服務質量出現5-6級，現場排查發(fā)現，畢節(jié)站附近存在一處中國移動GSM 基站，使用了33 號（941.6 MHz）和53 號（945.6 MHz）頻點，對畢節(jié)站GSM-R 基站造成三階互調干擾，畢節(jié)站GSM-R 基站使用的是1 007號（931.6 MHz）頻點；關閉畢節(jié)站GSM-R 基站后進行的掃頻測試結果顯示，931.6 MHz 處的底噪已經高達-73.69 dBm，如圖4 所示。為進一步確定問題原因，在路測用GSM-R 移動終端天饋處增加了濾波器，濾除非GSM-R 頻段的信號后，干擾現象消除、該區(qū)域服務質量0-3 級；通過協調中國移動，將該處中國移動GSM 基站所使用的頻點調整為頻點號大于70 的頻點，消除該處三階互調干擾，解決該問題。

圖4 畢節(jié)站GSM-R系統受到的三階互調干擾掃頻Fig.4 Chart for sweep frequency of third-order intermodulation interference of GSM-R of Bijie Station

5 強化對重點區(qū)域進行干擾實時監(jiān)測的建議

鐵路GSM-R 網絡運用過程中，網內干擾和網外干擾時有發(fā)生，通過技術手段實時監(jiān)測干擾問題，主動發(fā)現網絡運用問題，對于提升鐵路運營管理水平具有重要意義。目前，CTCS-3（簡稱C3）線路可以通過三接口監(jiān)測系統、基站空口監(jiān)測系統獲取的數據，對本線GSM-R 系統運用服務質量進行監(jiān)測，通過數據分析，可以實施判斷是否收到外部干擾。但是，對于CTCS-2（簡稱C2）級以下等級的鐵路線路，由于通常不裝備三接口監(jiān)測系統或基站空口監(jiān)測系統，對GSM-R 系統運用質量缺少實時監(jiān)測的數據獲取手段，特別是由于C2 線路缺少像C3 線路那樣的CSD 長呼業(yè)務，主要承載3 ～5 min 的車機聯控等短時間呼叫業(yè)務，因此，實際維護工作中，往往只能被動地在出現干擾影響車機聯控的時候，用戶及維護單位才有所感知，或者需要月度電務測試車的動態(tài)工作才能發(fā)現問題，排障的時效性很低。

因此，為了提高C2 級線路的干擾排查處置效率，在車機聯控區(qū)段、車站等公網信號密集的站點裝配GSM-R 干擾監(jiān)測設備，實時監(jiān)控相關區(qū)域的無線電磁環(huán)境，發(fā)現干擾信號（特別是GSM-R 頻帶內出現了異常的非GSM-R 干擾信號），及時組織干擾清除工作，是提高GSM-R 網絡可用性和可靠性的重要技術手段。

由于敘畢鐵路是非C3 線路，并沒有配置接口監(jiān)控系統，電磁環(huán)境和干擾監(jiān)測手段不完備，因此，對畢節(jié)站等重點區(qū)段配置了同頻干擾監(jiān)測設備，對無線環(huán)境進行實時監(jiān)控。同頻干擾監(jiān)測設備具備了基本功能：1）具有多信道測量功能，可實時測量GSM-R上/下行所有通道的信號功率；2）具有頻譜測量分析功能；3）具備移動運營商身份識別功能； 4）具備場強覆蓋測量功能，實時記錄和顯示測試區(qū)段信號覆蓋情況；5）具備數據存儲、查詢、回放功能；6）功耗低，適用于長時間獨立工作或無人值守的應用環(huán)境。裝備投入使用后，在聯調聯試階段，主動發(fā)現多次公共運用商設備對GSM-R 系統構成的干擾，為干擾清除工作提供了有力的數據支撐。

6 小結

長期以來，GSM-R 系統與公共移動運營商的電磁兼容問題是鐵路通信部門日常運營維護管理的難點問題，干擾類型多樣、現象復雜多變，干擾排查難度較大；既有偶發(fā)瞬間干擾，也有常態(tài)化干擾存在；既與鐵路自身GSM-R 系統的無線網絡規(guī)劃設計相關，也與公共移動運營商的無線網絡設計規(guī)劃等相關聯。GSM-R 系統內部的網內干擾可以通過優(yōu)化網絡覆蓋、頻率資源調整等方式解決；外網干擾，需要不斷地總結經驗，在強化網管話務統計分析、路測等工作的條件下，合理配置信令監(jiān)測、業(yè)務監(jiān)測、干擾監(jiān)測等技術裝備，是提高干擾排查效率，保障鐵路GSM-R 系統運用維護質量的必要手段。