現(xiàn)有鐵路GSM-R電磁環(huán)境測試方法的不足與分析

姜 毅

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

近年來鐵路GSM-R網(wǎng)絡隨著中國高速鐵路的建設飛速發(fā)展，為鐵路行車調度指揮、公務移動、車－地信息傳輸及列車控制一體化提供了智能化和高效綜合的服務。

隨著GSM-R網(wǎng)絡的發(fā)展，遇到的電磁環(huán)境干擾問題也越來越多，為保障GSM-R網(wǎng)絡的可靠運行，必須經(jīng)常對鐵路沿線的電磁環(huán)境進行測試，查找干擾源，現(xiàn)有的測試方法和手段存在一些不足。

1 現(xiàn)有的電磁環(huán)境測試方法

電磁環(huán)境測試的目的是掌握電磁環(huán)境及信道占用情況，發(fā)現(xiàn)干擾信號和查找干擾源。現(xiàn)在常用的鐵路GSM-R電磁環(huán)境測試的方法分兩部分。

1.1 實驗車上的測試

在實驗車上的測試用來定位存在干擾的區(qū)域。測試用的主要設備有GSM-R頻段天線及饋線、GPS天線及饋線、場強接收機/頻譜分析儀、計距設備、速度傳感器、UPS電源、測試用電腦及相關測試軟件。測試系統(tǒng)組成如圖1所示。

測試步驟如下。

1）在電磁環(huán)境測試前收集沿線的線路數(shù)據(jù)，包括基站位置、公里標、經(jīng)緯度等信息。

2）關閉待測線路沿線所有GSM-R基站和直放站。

3）當實驗車在待測線路上行駛時，使用車載的頻譜儀或場強接收機對GSM-R全頻段掃描。如果發(fā)現(xiàn)有干擾信號，就同時記錄下當前的公里標、經(jīng)緯度和頻譜圖等信息。

4）測試完成后整理數(shù)據(jù)，統(tǒng)計存在干擾的區(qū)域。地面測試人員再根據(jù)這些信息查找干擾源。

在測試過程中，需要根據(jù)沿線一些標志物的公里標或經(jīng)緯度信息定期對計距設備的公里標進行校正。

1.2 地面測試

在地面的測試用來作網(wǎng)絡開通前的電磁環(huán)境測試，開通后干擾源的查找和定位。測試用的主要設備有GSM-R頻段全向天線、天線支架、GSM-R頻段定向天線、饋線、便攜式場強接收機、便攜式頻譜分析儀、測試手機、筆記本電腦、便攜式GPS接收機、指南針及車輛。測試系統(tǒng)組成如圖2所示。

測試步驟如下。

1）首先在測試點附近選擇四周開闊、有一定高度的地方搭建測試系統(tǒng)，記錄經(jīng)緯度、公里標、天線距軌面和地面的高度等信息。

2）使用便攜式頻譜儀和全向天線，對GSM-R的上下行進行全頻段掃描，觀察各信道的情況。

3）用場強接收機對GSM-R的上下行各信道進行掃描采樣，每信道至少1?s采樣一次，測試時間不小于15?min，記錄每次采樣的電平值，全頻段掃描結束后，對記錄的各信道電平值進行統(tǒng)計（包括時間概率大于5%和小于5%的頻點），計算其均值和方差，最大值、最小值及電平超過最大允許干擾信號電平的測試次數(shù)占總測試次數(shù)的百分比(信道占用度)，并繪制表格。根據(jù)各信道頻率占用度初步判定是否存在同頻干擾及未知信號。

4）根據(jù)頻譜圖、信道占用度結合GSM-R網(wǎng)絡的頻率分配表進行分析，找出干擾信號的頻率和電平。

5）測試中如果懷疑中國移動對GSM-R網(wǎng)絡存在干擾，那么就給測試手機分別裝上GSM-R和中國移動的SIM卡，把測試手機強制注冊到當前小區(qū)和附近的所有鄰小區(qū)進行撥打測試，記錄呼叫時網(wǎng)絡分配給測試手機的所有信道號，查看中國移動是否使用了鐵路GSM-R的信道。

6）用定向天線和頻譜儀對已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的干擾信號測向，逐步逼近干擾源，最后確定干擾源的位置。

2 現(xiàn)有測試方法的不足

干擾信號的類型非常復雜，可能是突發(fā)的，也可能是持續(xù)的；可能是隨機出現(xiàn)，也可能是規(guī)律的。由于這種復雜性和不確定性導致現(xiàn)有的測試方法存在不足。

2.1 實驗車上的測試問題

2.1.1 監(jiān)測時間的不足

干擾信號分類（查資料），所以作電磁環(huán)境測試一般都需要在待測地點作長時間、不同時間段的監(jiān)測，以盡可能地捕獲到干擾信號。測試時實驗車在線路上快速行駛，分攤到各點的測試時間都非常短，只能測試到各點在實驗車行駛過這一瞬間的電磁環(huán)境，不能反映沿線各點在不同時間段的電磁環(huán)境。

2.1.2 測試時間和測試車很難協(xié)調

作測試需要關閉沿線所有的基站和直放站，只有在線路檢修的天窗點才有可能進行，而且需要安排專門的測試車，所以很難協(xié)調到測試時間和測試車。即使協(xié)調到時間和測試車，往往也只有一兩天時間，甚至只有幾個小時。如果干擾信號是突發(fā)、隨機出現(xiàn)的，這么有限的測試時間再加上2.1.1提到的問題造成發(fā)現(xiàn)它們的概率會大大降低。

2.2 地面測試的問題

2.2.1 測試天線架設高度不夠

高速鐵路一般都建在十幾米的高架上，在地面測試如果要達到這樣的安裝高度，需要十多米的天線支架，這樣的支架體積笨重、安裝費時費力，攜帶不便。所以一般測試時，使用高度2?m左右的天線支架，測試點選在有一定高度、四周開闊的地方。有的測試點附近可能找不到開闊的高點，測試天線的高度小于機車天線的高度，原本會對GSM-R網(wǎng)絡造成干擾的信號，在地面測試中的結果可能不會超過最大允許干擾電平值。

2.2.2 信號的識別能力不夠

頻譜儀和接收機只能反映頻譜和信道的占用情況，信號的識別能力很差。尤其當有用信號與干擾信號混雜在一起時，就很難把它們分辨出來。在進行既有線的電磁環(huán)境測試和干擾查找時，為了不影響運營，往往不能關閉鐵路沿線GSM-R基站和直放站，該問題更為突出，給測試帶來很大的困難。

圖3是某GSM-R基站附近的頻譜圖，測試時GSM-R基站處于工作狀態(tài)。圖中MARK點M6標注是在933.4?MHz測到的電平為-93.3?dBm。在試驗車上的測試反映該頻點有干擾信號，由于GSM-R網(wǎng)絡也分配了這個頻點，在頻譜圖中無法分辨出該信號究竟是正常信號還是干擾信號。

為了彌補頻譜儀和接收機信號識別能力的不足，測試中還使用測試手機反復撥打電話同時記錄TCH信道號的方法來輔助判斷干擾信號的類型。但是這種方法的前提條件是干擾由中國移動使用了鐵路GSM-R頻點引起的，如果是其他運營商的信號或是其他類型的信號，這種方法就無能為力了。在實際測試中這種方法的效果不理想。筆者曾經(jīng)開發(fā)過以這種方法為基礎的干擾測試軟件，并在大秦線GSM-R干擾測試中使用，發(fā)現(xiàn)在鐵路沿線只有很小一部分中國移動造成的干擾能用這種方法識別。有一個移動基站甚至到了離它只有幾十米的地方，才能夠記錄到該基站使用了GSM-R頻點，此時距離鐵路的直線距離已經(jīng)有3?km左右。后來分析出原因：在很多地區(qū)，中國移動網(wǎng)絡的小區(qū)半徑已經(jīng)很小了，往往只有500?m左右，但是發(fā)射信號的強度仍然足以影響到數(shù)公里以外的GSM-R網(wǎng)絡。在鐵路沿線即使強制注冊到當前小區(qū)和附近的所有鄰小區(qū)，可能也沒有包含造成干擾的小區(qū)，自然記錄不到該小區(qū)分配的信道號。

3 改進方案

現(xiàn)在電磁環(huán)境測試的發(fā)展趨勢是信息化和智能化。可以在公網(wǎng)現(xiàn)有的電磁環(huán)境監(jiān)測技術基礎上建立一套全路的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。同時加強和各地無線電管理委員會的合作，利用無線電管理委員會的優(yōu)勢資源，提高效率。

3.1 建立全路的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由車載系統(tǒng)、網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)測站、監(jiān)測車、綜合分析系統(tǒng)組成，各部分之間通過網(wǎng)絡連接起來。系統(tǒng)組成如圖4所示。

3.1.1 車載系統(tǒng)

車載系統(tǒng)包括車載接收機和車載QoS測試設備，安裝在普通的列車上。當列車在線路上行駛時自動進行測試。車載接收機監(jiān)測各點電磁環(huán)境頻譜及噪聲的變化情況，同時QoS測試設備對網(wǎng)絡的各項指標進行測試，測試結果通過GPRS方式定期傳送到綜合分析系統(tǒng)。這樣就克服了在實驗車上的測試時間不足和難以協(xié)調測試時間的問題，只要列車在運行，就可以對電磁環(huán)境和網(wǎng)絡作測試。

3.1.2 網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)

網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)安裝在核心網(wǎng)機房，與車載QoS測試設備配合使用。它實時記錄GSM-R網(wǎng)絡各接口的信令消息，同時把消息匯總給綜合分析系統(tǒng)。

3.1.3 監(jiān)測站

在樞紐站等重點地區(qū)可以設立監(jiān)測站，對鐵路無線電頻率作長期的電磁環(huán)境測試，以掌握電磁環(huán)境和信道占用情況。如果發(fā)現(xiàn)干擾，可以用監(jiān)測站的測向功能定位出干擾源的大概位置。

3.1.4 監(jiān)測車

對存在干擾或已經(jīng)定位出干擾源大概位置的區(qū)域用監(jiān)測車來查找干擾源。監(jiān)測車配備了高靈敏度的天線陣列、無線電信號監(jiān)測系統(tǒng)、便攜式頻譜儀和定向天線。使用天線陣列能夠精確的對干擾信號測向，再利用無線電信號監(jiān)測系統(tǒng)的信號分析識別功能對干擾信號的類型進行識別。在車輛無法到達的地方，測試人員可以帶著便攜式頻譜儀和定向天線測試。

3.1.5 綜合分析系統(tǒng)

綜合分析系統(tǒng)根據(jù)收集到的各種信息對網(wǎng)絡的干擾情況進行統(tǒng)計分析，如果某處有干擾信號影響到GSM-R網(wǎng)絡，車載系統(tǒng)可能會測到該處環(huán)境噪聲發(fā)生了變化、QoS指標變差，網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)測得信令異常，綜合分析系統(tǒng)根據(jù)這些信息分析出發(fā)生干擾的具體區(qū)域，同時發(fā)出警告。如果發(fā)生干擾的區(qū)域有監(jiān)測站，還可以利用監(jiān)測站的測向功能在電子地圖上定位出干擾源的大概位置。最后測試人員就可以根據(jù)這些信息開著監(jiān)測車去查找干擾源。

3.2 加強與無線電管理委員會的合作

無線電管理委員會主要負責編制無線電頻譜規(guī)劃；負責無線電頻率的劃分、分配與指配；依法監(jiān)督管理無線電臺（站）；負責衛(wèi)星軌道位置協(xié)調和管理；協(xié)調處理軍地間無線電管理相關事宜；負責無線電監(jiān)測、檢測、干擾查處，協(xié)調處理電磁干擾事宜，維護空中電波秩序；依法組織實施無線電管制；負責涉外無線電管理工作。

無線電管理委員會不僅建有監(jiān)測網(wǎng)絡，而且掌握各地的無線電臺站信息。如果能把鐵路的監(jiān)測網(wǎng)絡與無線電管理委員會的監(jiān)測網(wǎng)絡實現(xiàn)信息共享，與他們合作開展電磁環(huán)境測試和干擾查找工作能達到事半功倍的效果。

[1]鐘章隊，李旭，蔣文怡，等. 鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）[M].北京：中國鐵道出版社.2003.

[2]安捷倫科技有限公司. 信號監(jiān)測、頻率管理和無線電發(fā)射機地理定位的技術與趨勢——技術指南.2009.