基于GSM-R的鐵路移動(dòng)通信頻譜特性及干擾分析

摘要：GSM-R是在鐵路通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的鐵路數(shù)字通信系統(tǒng)，也是鐵路通信的專用平臺，同時(shí)也是鐵路運(yùn)行的神經(jīng)中樞。我國于2000年底將GSM-R鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)作為鐵路運(yùn)輸?shù)膶Ｓ猛ㄐ欧绞剑珿SM-R鐵路移動(dòng)通信保障了列車的安全運(yùn)行。近年來，隨著各類無線通信設(shè)備的增多和鐵路沿線周邊電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，基于GSM-R的鐵路移動(dòng)通信所面臨的干擾問題也日趨嚴(yán)重，對列車運(yùn)行造成了重大安全隱患。針對這一問題，本文結(jié)合鐵路移動(dòng)通信應(yīng)用中的電磁環(huán)境，從GSM-R通信頻譜特性的角度入手，研究了GSM-R的通信頻譜特性，并重點(diǎn)對GSM-R鐵路移動(dòng)通信過程進(jìn)行了干擾分析，包括干擾源分析、干擾檢測技術(shù)的改進(jìn)以及抗干擾技術(shù)的優(yōu)化，致力于解決鐵路移動(dòng)通信中的干擾問題。

關(guān)鍵字：GSM-R；鐵路移動(dòng)通信頻譜；GSM-R干擾分析；干擾檢測技術(shù)

隨著我國高速鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，對于GSM-R網(wǎng)絡(luò)基站的需求也日益增長。然而，由于各種干擾因素的存在，GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行受到了一定程度的影響。因此，如何有效地處理干擾問題，提高通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，成為無線電管理部門亟須解決的重要問題。

本文旨在通過對GSM-R鐵路通信系統(tǒng)的頻譜特性進(jìn)行分析，探討干擾源對通信系統(tǒng)傳輸性能的影響，并提出相應(yīng)的抗干擾措施。首先，需要了解GSM-R網(wǎng)絡(luò)基站的需求量與高速鐵路建設(shè)規(guī)模的關(guān)系，以及干擾對通信質(zhì)量的影響。其次，將分析各種干擾源對GSM-R通信系統(tǒng)的干擾特點(diǎn)，并針對不同的干擾源提出相應(yīng)的處理方法。最后，總結(jié)所提出的抗干擾措施，并展望未來在這一領(lǐng)域的研究方向。

一、研究背景及現(xiàn)狀

綜合來看，GSM-R鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)在目前國內(nèi)外的高速和普速鐵路中廣泛使用，并在國內(nèi)外主流的鐵路移動(dòng)通信平臺中發(fā)揮主要作用。相比傳統(tǒng)的鐵路移動(dòng)通信技術(shù)，GSM-R能夠以面向乘客的形式，幫助乘客通過鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)，提供更穩(wěn)定、可靠和高速的通信服務(wù)。

隨著我國無線電技術(shù)的快速發(fā)展，鐵路沿線電磁環(huán)境也越來越復(fù)雜，給通信系統(tǒng)帶來了一定程度的干擾。同時(shí)，隨著各類無線通信設(shè)備的增多，鐵路通信干擾問題也日益嚴(yán)重[1]。目前，GSM-R鐵路移動(dòng)通信中的干擾源主要包括CDMA帶外干擾、GSM互調(diào)干擾、高斯白噪聲以及其他同頻和鄰頻干擾。這些干擾源嚴(yán)重影響了列車通信質(zhì)量，如果處理不當(dāng)，將對列車運(yùn)行的安全性造成嚴(yán)重破壞。自2009年以來，隨著高速鐵路運(yùn)行速度的提升，高鐵逐漸成為人們出行的首選交通工具。在鐵路安全領(lǐng)域中，高鐵的安全運(yùn)行也成為各鐵路部門和單位關(guān)注的重點(diǎn)。通信調(diào)度是安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)之一[1]。目前，國內(nèi)外的研究主要著重于GSM-R鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的干擾源問題，而對于頻譜特性方面的研究較少。本文針對移動(dòng)通信中的干擾源問題進(jìn)行了研究，并對鐵路沿線的特定環(huán)境進(jìn)行了抗干擾分析。這兩部分內(nèi)容在文章的第三章詳細(xì)介紹。

在英國鐵路公司Network Rail通過對倫敦附近鐵路終端設(shè)備的測試中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)常發(fā)生通信掉話的問題。通過改善接收機(jī)性能，能夠降低附近基站對鐵路通信造成的干擾[2]。借鑒發(fā)達(dá)國家高速鐵路建設(shè)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合我國鐵路建設(shè)的情況，我國研制了先進(jìn)的檢測設(shè)備，用于周期性動(dòng)態(tài)檢測鐵路基礎(chǔ)設(shè)施。

全球鐵路通信系統(tǒng)的建設(shè)使中國能夠充分利用國外成功的鐵路建設(shè)優(yōu)勢，整合自己的技術(shù)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大規(guī)模，并促進(jìn)現(xiàn)代化發(fā)展[1]。正在短期內(nèi)積極實(shí)現(xiàn)變革。當(dāng)前，我國的主要設(shè)施已達(dá)到或接近國際水平，以更好地滿足社會(huì)和國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，讓我國的主要設(shè)施達(dá)到甚至超越國際水平。

二、GSM-R鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)

GSM-R鐵路移動(dòng)通信技術(shù)最初應(yīng)用于歐洲，其工作核心是2G無線通信。在2000年底，我國將GSM-R鐵路無線通信系統(tǒng)正式確定為鐵路專用通信的重點(diǎn)研究方向。隨著我國鐵路通信里程的進(jìn)一步增加，鐵路運(yùn)輸將呈現(xiàn)高運(yùn)輸密度和高復(fù)雜度的特點(diǎn)。未來，GSM-R在鐵路通信領(lǐng)域?qū)⒂瓉砀鼜V闊的發(fā)展。

（一）GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

GSM-R系統(tǒng)是鐵路信息化的數(shù)字交互平臺，為鐵路安全運(yùn)輸提供保障。GSM-R系統(tǒng)核心部分包括平臺系統(tǒng)和終端設(shè)備。平臺系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）及運(yùn)行和業(yè)務(wù)支撐子系統(tǒng)（OSS/BSS）。終端設(shè)備主要包括鐵路各管理機(jī)構(gòu)、安裝在鐵路沿線的通信接收設(shè)備，以及區(qū)間電話和接收機(jī)等。

三、GSM-R鐵路移動(dòng)通信頻譜特性和干擾分析

（一）GSM-R網(wǎng)絡(luò)的頻譜特性

在GSM-R鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的1000-1018的頻道序號中，實(shí)際可用的頻道數(shù)量為19個(gè)，頻道序號999和1019被用作通信中的隔離保護(hù)而不可用。因此，GSM-R系統(tǒng)將按照等間隔的方式在4MHz的帶寬上配置頻道進(jìn)行傳輸工作[3]。GSM-R系統(tǒng)的鄰頻間隔為0～200KHz，并設(shè)置了收發(fā)頻率間隔為45MHz，以增加鄰近區(qū)段的保護(hù)區(qū)間。頻道編號和頻道中心頻率的關(guān)系如下式所示：

F移動(dòng)臺=885+（N-999）×0.2MHz（上行）

F基站=930+（N-999）×0.2MHz（下行）

（其中，1000≤N≤1018）

圖2、圖3是GSM-R上行和下行頻段頻譜特性圖。

從頻譜掃描圖中可以看出，GSM-R系統(tǒng)采用的無線頻段為下行930MHZ至934MHZ，上行885MHZ至889MHZ。GSM-R系統(tǒng)上行頻段的頻譜波動(dòng)性較低且頻率較低。一般來說，基站的功率要遠(yuǎn)高于接收機(jī)的功率，因此當(dāng)遠(yuǎn)離基站時(shí)，只有增強(qiáng)接收機(jī)的上行功率才能對信號進(jìn)行解析。然而，在鐵路專網(wǎng)中仍然面臨著專網(wǎng)頻譜利用率低的問題，目前的解決方式是通過CRN的方式實(shí)現(xiàn)。

（二）GSM-R鐵路移動(dòng)通信抗干擾分析

作為鐵路專用通信系統(tǒng)，GSM-R不可避免地會(huì)遇到干擾的問題。干擾問題對通信網(wǎng)絡(luò)造成極大的影響，會(huì)導(dǎo)致傳輸質(zhì)量下降，進(jìn)而影響到列控業(yè)務(wù)和語音通信，甚至可能對列車的安全運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。GSM-R系統(tǒng)主要遇到的信號干擾包括同頻干擾和鄰頻干擾等問題[8]。

1.干擾源分析

工作頻率900MHz的頻段主要適用于時(shí)速達(dá)到500KM/H的GSM-R通信系統(tǒng)，能有效抵抗一些較低頻率的干擾，例如在隧道等場景中的通信，能有效保證高速列車的通信質(zhì)量[1]。GSM-R系統(tǒng)信號干擾來自系統(tǒng)內(nèi)部以及電信、移動(dòng)等運(yùn)營商的信號干擾?？梢允褂脪哳l儀或者TEMS對GSM-R信號頻段進(jìn)行清頻測試，如果發(fā)現(xiàn)底噪異常升高的路段，及時(shí)進(jìn)行排查，并對干擾源進(jìn)行處理[4]。

CDMA作為一種擴(kuò)頻通信技術(shù)，其通信信號（85～935MHz）可能會(huì)與GSM-R通信頻段重疊。當(dāng)CDMA基站功率較大或者信號幅值達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)對GSM-R通信造成干擾，導(dǎo)致通信中斷甚至對列車的安全構(gòu)成隱患。

互調(diào)干擾也嚴(yán)重影響著鐵路通信。對于鐵路移動(dòng)通信而言，三階互調(diào)是主要的干擾形式，其中又以兩信號的三階互調(diào)的影響最大。接收機(jī)的互調(diào)干擾，可折算為同頻道干擾來估算其對通信的影響，即為了保證一定的接收信號質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)滿足：

PIM=2A+3B+C2，3-60lg（1/?f）

式中A和B分別為在接收機(jī)輸入端收到的來自各干擾發(fā)射機(jī)的功能，1/?f是GSM-R系統(tǒng)中干擾頻率和同步接收機(jī)頻率偏離程度的平均值（單位為MHz），C2，3是兩兩通信信號中的三階互調(diào)常數(shù)，其值大約為-10dB。

要對GSM-R鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)行干擾分析，首先需要明確不同的干擾源以及系統(tǒng)對不同干擾源的應(yīng)對方法。目前，各電信運(yùn)營商正在針對工作頻率約為900MHz的頻段進(jìn)行清理工作，因此GSM-R系統(tǒng)同頻干擾較少。監(jiān)測重點(diǎn)主要集中在阻塞干擾和互調(diào)干擾[6]。

2.干擾檢測

針對GSM-R通信系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先考慮同頻干擾。在對干擾源進(jìn)行定位時(shí)，常用的檢測技術(shù)包括底噪分析和信令查詢。各種檢測技術(shù)依據(jù)使用環(huán)境的不同各有優(yōu)劣。雖然互調(diào)干擾檢測方法準(zhǔn)確性高，但存在著檢測復(fù)雜度高和成本較高的問題[7]。造成GSM-R通信系統(tǒng)內(nèi)部同頻干擾的主要原因是其頻點(diǎn)資源較少，同時(shí)在鐵路的設(shè)計(jì)和施工過程中，不同的建設(shè)單位和人員也會(huì)導(dǎo)致頻率復(fù)用不合理的現(xiàn)象。因此，首先應(yīng)建立起GSM-R頻率的保護(hù)長效機(jī)制，然后通過建立針對其頻率資源的監(jiān)測專用網(wǎng)絡(luò)，來進(jìn)行快速的響應(yīng)和分析。

3.GSM-R網(wǎng)絡(luò)干擾數(shù)據(jù)分析

GSM-R網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)干擾數(shù)據(jù)的提取，首先應(yīng)當(dāng)建立干擾數(shù)據(jù)模型。然后，通常通過頻譜儀和掃描儀對數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取[8]。具體的措施包括對通信系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)的檢測，基站和公里標(biāo)的關(guān)聯(lián)等。獲取的數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步提取特征值，并與訓(xùn)練數(shù)據(jù)一起用于模型和算法的訓(xùn)練。同時(shí)，應(yīng)將數(shù)據(jù)的一部分作為對比數(shù)據(jù)集，通過調(diào)整模型的參數(shù)來達(dá)到預(yù)期的效果。在訓(xùn)練模型時(shí)，采用決策樹算法可以最大程度上對模型進(jìn)行訓(xùn)練[9]。最后，根據(jù)GSM-R網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)檢測模型，可以粗略計(jì)算出干擾的數(shù)據(jù)量，從而進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析。根據(jù)分析結(jié)果，可以選擇適合的干擾檢測方法[10]。

四、結(jié)束語

隨著我國高速列車的建設(shè)規(guī)模越來越大，對GSM-R網(wǎng)絡(luò)基站的需求也越來越大，因此需要建設(shè)更多的基站。為了保證GSM-R通信的正常運(yùn)行，無線電管理部門的任務(wù)也越來越艱巨[8]。干擾是影響GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的重要因素之一，主要原因是其他信號頻率的占用，導(dǎo)致有用信號接收質(zhì)量下降[7]。通過制定解決GSM-R干擾的方法，提高處理干擾的響應(yīng)速度，縮短對干擾的處理時(shí)間，不僅能保證通信質(zhì)量，還能提高移動(dòng)通信的實(shí)時(shí)性。通過對GSM-R頻譜特性進(jìn)行分析，在不同干擾源和復(fù)雜環(huán)境下采用GSM-R干擾處理方法，有效提升鐵路GSM-R通信的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。本文研究了GSM-R鐵路通信系統(tǒng)的頻譜特性、分析了抗干擾性能，并重點(diǎn)研究了不同干擾源對通信系統(tǒng)傳輸性能的影響，同時(shí)給出了GSM-R鐵路移動(dòng)通信中的抗干擾措施。

作者單位：王東 李華夏 高興昌 甘肅省無線電監(jiān)測站

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