GSM-R網絡頻率干擾監測研究

■ 王買智

GSM-R網絡頻率干擾監測研究

■ 王買智

GSM-R移動通信系統作為高速鐵路調度指揮、列車運行控制的主要通信手段，為提高運輸效率、保障行車安全發揮了越來越重要的作用。然而，GSM-R網絡頻率經常受到各種無線電干擾，影響系統通信質量，嚴重時造成語音或數據業務中斷。為排查無線電干擾，保護鐵路專用頻率安全，在此對GSM-R頻率干擾監測、排查及頻率保護等方面進行研究。

1 無線電干擾

1.1 定義

無線電干擾是指無線電通信過程中發生的，導致有用信號接收質量下降、損害或者阻礙的狀態及事實。無線電干擾信號主要是指通過直接耦合或間接耦合方式進入接收設備信道或系統的電磁能量，對無線電通信接收信號產生影響，導致性能下降，質量惡化，信息誤差或丟失，甚至阻斷通信的正常進行。

1.2 類型

無線電干擾按照頻率劃分一般包括同頻干擾、鄰頻干擾、互調干擾、帶外干擾、阻塞干擾5種類型。

（1）同頻干擾：是指無用信號的載頻與有用信號的載頻相同，并對接收同頻有用信號造成影響的干擾，亦稱同信道干擾。

（2）鄰頻干擾：是指干擾臺鄰頻道功率落入接收臺鄰頻道接收機通帶內造成的干擾。在GSM-R移動通信系統中，由于頻率規劃等原因造成的鄰近小區中存在與本小區工作頻道相鄰的頻道，或由于某種原因致使基站小區的覆蓋范圍超出設計范圍，均會引起鄰頻干擾。當鄰頻道的載波干擾比小于某個特定值時，會直接影響到移動終端的通話質量，造成掉話或無法建立正常的呼叫。

（3）互調干擾：是指當有兩個或多個干擾信號同時加到接收機時，由于非線性作用，干擾信號的組合頻率可能等于或接近有用信號頻率而順利通過接收機形成的干擾。

（4）帶外干擾：是指其他無線電臺站發射機的諧波或雜散輻射，對接收機有用信號的通帶內造成的干擾。

（5）阻塞干擾：是指強的干擾信號與有用信號同時進入接收機時，強干擾信號使接收機鏈路的非線性器件飽和，產生非線性失真形成的干擾。即使僅有有用信號進入接收機，在信號強度過大時，也會產生振幅壓縮現象，嚴重時造成接收機阻塞。阻塞會導致接收機無法正常工作，長時間的阻塞還可能造成接收機的永久性性能下降。

1.3 無線電干擾對GSM-R系統的影響

（1）影響用戶間的通話，降低語音通話質量，嚴重時造成通信中斷；（2） 使數據通信出現誤碼或丟包，造成傳輸質量下降，嚴重時造成數據業務中斷；（3）導致移動通信連接建立失敗、連接丟失、切換失敗、掉話等故障，影響通信可靠性；（4）導致通信系統阻塞、中斷或其他問題。

2 GSM-R網絡頻率干擾監測

2.1 GSM-R網絡頻率使用要求

原信息產業部2003年發布的信部無函［2003］394號《關于鐵路專用GSM-R移動通信系統使用頻率及相關問題的函》和2007年發布的信部無函［2007］136號《關于鐵道部和中國移動公用900 MHz移動通信網頻率資源問題的函》對鐵路GSM-R無線通信網絡使用的頻率做出明確要求。確定GSM-R上行頻率為885 MHz～889 MHz、下行頻率為930 MHz～934 MHz；規定EGSM頻段的GSM/GPRS移動通信系統的信號電平在鐵路軌道上方4.5 m處的最大值不應大于-105 dBm。

2.2 GSM-R頻率干擾監測情況

鐵路有關部門在2011年、2012年對25條鐵路沿線963處進行了頻率干擾監測，共發現各類干擾107處，占監測點總數的11.1%。其中：運營商GSM網絡信號對GSM-R頻率直接形成干擾42處，占干擾總數的39.2%；全頻段底噪干擾52處，占干擾總數的48.6%；其他干擾（干擾器及其他無線電設備干擾）13處，占干擾總數的12.1%。各線路具體監測情況見表1。

表1 各線路具體監測情況 處

2.3 GSM-R頻率干擾的主要問題

通過對GSM-R網絡頻率干擾監測結果分析，發現對鐵路專用頻段的主要干擾問題如下：

（1）個別電信運營商使用GSM-R專用頻點，直接對鐵路無線電專用頻率形成干擾，影響GSM-R網絡的正常使用。

（2）電信運營商GSM基站或直放站發射信號帶外抑制不好，使GSM-R下行全頻段（930 MHz～934 MHz）底噪抬升，影響范圍大、頻帶寬。電信運營商為了改善自身信號覆蓋，大量安裝大功率寬頻直放站，部分設備性能指標劣化，底噪很高，使GSM-R信號被淹沒，出現連接失敗、掉話現象，造成GSM-R網無法正常使用。

（3）鐵路沿線電信運營商CDMA基站強大信號對GSM-R上行頻段（885 MHz～889 MHz）的干擾。在鐵路沿線的CDMA下行信號（870 MHz～880 MHz）由于帶外抑制不好，對GSM-R上行信號形成干擾，特別是在鐵路兩基站中間切換的弱場區域，這種干擾尤為嚴重。

（4）個別單位使用無線電發射設備占用鐵路專用頻段內的頻率；有的單位使用無線電干擾設備等，對GSM-R頻率造成一定影響。

（5）GSM-R網絡內部存在同頻、鄰頻干擾。在鐵路樞紐、并行線路、開闊地段，因頻率規劃不良形成內部互相影響。

3 GSM-R網絡頻率干擾典型案例

3.1 GSM基站性能不良使GSM-R頻段底噪抬升

（1）測試頻譜圖。某年某月2日19：30：00，在某高鐵K144+800處對下行頻段進行測試。圖1為線路旁測試到的頻譜圖；圖2為干擾基站旁測試到的頻譜圖；圖3為干擾基站關閉后測試到的頻譜圖。上行頻段測試全部合格（頻譜圖略）。

（2）頻譜圖數據分析。由圖1、圖2可以看出，測試點的下行頻段存在全頻段干擾信號，強度達-50 dBm，GSM-R信號完全淹沒在干擾信號中。在關閉GSM基站后，底噪信號降到-100 dBm以下（見圖3）。

（3）測試手機數據見表2。

（4）分析結論。根據以上頻譜圖及測試手機數據，通過現場測試及運營商開關基站試驗證明該基站對GSM-R系統產生干擾，關閉該小區（460-00-10135-4663）后干擾信號明顯降低。所以確認該GSM基站對GSM-R網絡產生干擾。

（5）干擾排查。鐵路維護單位經與當地運營商協調，反復試驗，運營商對基站設備加裝了濾波器、更換了饋線、耦合器、3 db電橋，調整了天線方位角和俯仰角等，使干擾信號降到-95 dBm，但干擾仍未完全消除，估計基站本身性能不良，需繼續處理。

3.2 GSM基站占用GSM-R頻點

（1）測試頻譜圖：某年某月19日12：34，在某高鐵K697+213線路旁便道上進行測試。圖4為下行頻段930 MHz～934 MHz頻譜圖。

（2）頻譜圖數據分析見表3。

（3）測試手機數據見表4。

圖1 鐵路旁測試到的頻譜（某高鐵K144+800）

圖2 干擾基站旁測試到的頻譜（某高鐵K144+800）

圖3 干擾基站關閉后測試到的頻譜（某高鐵K144+800）

（4）結論及排查。根據以上頻譜圖及測試手機數據分析，在測試點（K697+213）附近發現GSM網絡干擾信號，頻點1016和1019，其LAI為460-00-14186和460-00-14266。鐵路維護單位及時向當地無線電管理部門匯報，經協調電信運營商對占用的鐵路頻點進行了清理。后經過復測GSM-R質量得到改善。

4 GSM-R網絡頻率干擾監測排查基本方法

4.1 干擾監測系統構成

干擾監測系統有車載式、便攜式、固定式等方式，一般主要由測量接收機（或頻譜儀）、信令識別單元（或測試手機）、GPS接收機、測試處理單元（電腦及軟件）、測試天線（全向、定向）等組成，并按照圖5搭建測試系統。

4.2 GSM-R干擾監測地點選擇原則

（1）根據GSM-R系統開通前測試的電磁環境報告，對電平底噪超過-105 dBm或存在明顯信號包絡的區段；

表2 測試手機數據（某高鐵K144+800）

圖4 某高鐵K697+213頻譜

表3 頻譜圖數據分析（某高鐵K697+213）

表4 測試手機數據（某高鐵K697+213）

圖5 干擾監測系統

（2）日常行車過程中具有地域特征的列控降級、通信中斷、通信連接失敗的區段；

（3）根據GSM-R網管統計的基站干擾帶等級和出現乒乓切換、越區切換、存在頻繁異常信令區段判斷存在干擾的區段；

（4）綜合檢測車對服務質量（QoS）、場強覆蓋測試，發現網絡質量問題、指標劣化、出現異常現象的區段。

4.3 GSM-R干擾監測方法步驟

按照以上原則選定測試區段，到達預定的測試點，首先對儀器儀表進行校核及初始設置。一般按照下列步驟進行測試：

（1）在鐵路沿線可能存在干擾的區域，選擇開闊無遮擋的地點進行現場定點測試。首先記錄測試時間，測試點的緯度、經度、溫度、濕度及天氣情況；掌握測試點周邊環境（遮擋情況、通信基站情況）、測試天線距離鐵路軌面及地面高度等基本信息。

（2）采用全向天線對GSM-R頻段進行全頻段、全方位掃描，頻譜儀檢波方式選用峰值檢波，trace采用最大保持、平均、實時等方式，記錄被測頻段信號，測試10～20 min，存儲頻譜圖。若瞬間全頻段底噪明顯抬升，則重新設置儀表參數進行測試。

（3）當測試發現有異常信號時，換成測向天線，頻譜儀檢波方式選用峰值檢波，trace采用最大保持、平均、實時等方式，對不同方向進行詳細掃描測試，并仔細觀察各方向上的信號變化情況并存儲頻譜圖。

（4）分析測試頻譜圖各頻點信號是否為本線路GSM-R基站信號，如為本線路GSM-R信號，利用測試手機測試各頻點的C/I，分析各信道的影響程度，并測試、分析是否為系統內其他基站的同頻信號。根據信號特征適當擴展頻率掃描范圍，進一步分析信號類型及與其他大信號的關系。

（5）根據測試的信號特征初步判斷是否為GSM信號，利用信令識別單元（測試手機）測試，必要時可用多個手機同時進行撥打測試，判斷當前基站區是否有TCH使用GSM-R頻點；同時利用頻譜儀、測試手機掃描監測該處頻譜。發現跳頻的小區，還需使用測試手機監測參與跳頻的頻點。使用信令識別單元的強制功能（FORCING FUNCTION）中鎖定BCCH（SET BCCH）功能測試各小區的TCH信道進行撥打測試。并記錄LAI、BSIC、小區全球識別碼（CGI）、BCCH、TCH等信令數據，結合信令數據分析測試頻譜圖各頻點信號，判斷信號類型。

（6）當干擾信號具有GSM頻譜特征且無信令時，根據信號特征適當擴展頻率掃描范圍，進一步分析與其他信號的關系，計算測試點周邊各小區信道的互調信號是否落在GSM-R頻段內，如干擾信號為互調信號，可利用頻譜儀、測向天線進一步跟蹤該小區BCCH信道、信號方向，逼近該基站，在逼近過程中持續判斷該基站是否存在對GSM-R的干擾。

（7）干擾為非GSM信號時，利用頻譜儀或測試接收機、測向天線、指南針、GPS等測試設備測試干擾源方位，利用交叉定位或逐步逼近的方法查找干擾源。如信號具有25 kHz信號特征時，若可解調該信號，系統自動播放并錄制解調內容。

（8）根據測量接收機（頻譜儀）和信令測試單元（測試手機）的測試結果，進行綜合分析確定干擾類型和干擾源位置，并編寫測試報告。

5 GSM-R網絡頻率保護的有效措施

為提高GSM-R無線通信網絡質量和可靠性，有效保護鐵路專用頻率安全，建議做好如下幾方面工作。

5.1 做好工程開通前的電磁環境監測和清頻工作

對于即將開通的網絡線路應反復測試沿線電磁環境，對于鐵路專用頻帶內有占用頻點及超過-105 dBm的電磁信號，都應進行清理和查找，直至滿足電磁環境要求，確保線路開通后電磁環境良好。

5.2 加強網絡運用質量的監測和檢測工作

鐵路運營維護單位要通過網管和信令監測手段，監視網絡運用質量，對于網絡出現掉話、連接丟失、切換失敗、數據接收失敗、C3通信超時、運用質量下降等現象，在排除設備問題后，分析判斷是否存在干擾，并初步確定干擾的區段。要定期對網絡質量進行動態檢測，綜合分析，及時發現網絡干擾問題。在確認存在干擾后，應及時組織技術力量，利用干擾監測車、便攜式干擾測試設備等進行測試，定位干擾源，明確干擾類型，迅速處理干擾問題。

5.3 積極采用技術手段，消除公網移動通信對鐵路專用頻率的干擾

一是依法堅決清理占用鐵路專用頻率；二是對底噪抬升的基站、直放站應建議其提高設備性能、選用選頻直放站或加裝濾波器，抑制帶外雜散對鐵路專用頻率的影響；三是協調運營商優化鐵路沿線頻率規劃，對鐵路專用頻段實行較寬的隔離頻帶。

5.4 改善鐵路自身的網絡性能質量，提高抑制干擾的能力

建議研究GSM-R無線網絡覆蓋指標，適當提高場強最低值，以提高載干比，減小被干擾機遇。同時，研究在機車終端接收側加裝930 MHz～934 MHz帶通濾波器，在基站接收側加裝885 MHz～889 MHz帶通濾波器，抑制帶外雜散對接收信號的影響，以改善網絡質量。

5.5 合理規劃頻率，優化網絡結構，減少網絡內部同頻、鄰頻干擾

樞紐地區進行頻率規劃應遵從高等級線路優先規劃，低等級線路遵從高等級線路頻率規劃，后建線路遵從先建線路；并行線路在3 km內應盡量使用同一基站，在6 km內保證不同頻率、不同BSIC碼，以避免相互干擾和乒乓切換。對于平原及開闊地段，基站設置距離可適當延長，合理設置天線俯仰角，減少基站互相干擾。

5.6 加強與地方無線電管理部門溝通，建立鐵路專用頻率保護長效機制

建議鐵路網絡維護部門加強與國家和地方無線電管理部門的溝通協調，切實建立鐵路專用頻率長效保護機制，定期召開協調會議。對監測出的干擾問題主動向地方無線電管理部門報告，及時協調處理干擾問題，為鐵路無線網絡營造良好的電磁環境。

[1] 信部無函［2003］394號 關于鐵路專用GSM-R移動通信系統使用頻率及相關問題的函[S].

[2] 信部無函［2007］136號 關于鐵道部和中國移動公用900 MHz移動通信網頻率資源問題的函[S].

[3] TJ/DW143—2012 鐵路無線電干擾監測系統技術條件[S].

王買智：北京鐵路通信技術中心，高級工程師，北京，100038

責任編輯 盧敏