鐵路GSM-R干擾模型及快速干擾識別與判定方法

劉 瑞，賽景波

(北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院，北京 100124)

GSM－R是一種基于GSM技術(shù)的鐵路專用通信系統(tǒng)［1］，其與傳統(tǒng)的GSM技術(shù)相比最突出的特點是，除了能提供一系列鐵路語音通信業(yè)務外，還要能夠傳輸與列車操作、控制和保護相關(guān)的指令［2］，并且保證列車在500 km/h的情況下仍能夠進行高可靠性、高接通率、高傳輸質(zhì)量的通信［3］。由此可以看出，GSM－R網(wǎng)絡(luò)是保證鐵路安全運輸?shù)闹匾到y(tǒng)［4］。其通信的安全性和可靠性直接影響到我國鐵路、甚至整個國民經(jīng)濟的發(fā)展。與此同時，隨著我國無線電通信的飛速發(fā)展，鐵路沿線的電磁環(huán)境已經(jīng)變得非常復雜，存在著多種通信的干擾。隨著我國高速鐵路的建設(shè)，傳統(tǒng)的依靠電務試驗車的人工發(fā)現(xiàn)干擾的方法普遍存在著監(jiān)測時間長、反應速度慢等弊端，已經(jīng)不能夠及時地發(fā)現(xiàn)鐵路上的通信干擾，無法滿足高速鐵路模式下干擾監(jiān)測對于實時性和準確性的要求。另一方面，GSM－R系統(tǒng)工作場景種類多樣，現(xiàn)場測試受人力物力影響較大［5］，所以提出一種新的方法用來補充和替代傳統(tǒng)的運用人工來識別干擾的工作，以實現(xiàn)對于干擾的快速反應與判定。

1 GSM－R的干擾源

根據(jù)中國無線電管理委員會的規(guī)定，GSM－R的使用頻率范圍為上行885～889 MHz，下行 930～934 MHz，而實際通信中，有很多因素可以干擾到相應的頻帶。

1.1 CDMA帶外干擾

我國CDMA系統(tǒng)的下行頻段為870～880 MHz，與GSM－R系統(tǒng)的上行頻段之間只有5 MHz的保護帶。CDMA采用的是擴頻通信技術(shù)，即把信號的頻譜擴展到一個更寬的頻帶中去［6］，所以，CDMA系統(tǒng)的帶外信號有可能會落在GSM－R通帶范圍內(nèi)，當其幅值達到一定值時，就會干擾到GSM－R通信，影響GSM－R的通話質(zhì)量。

1.2 GSM互調(diào)干擾

我國GSM 900M頻段的下行頻段為935～960 MHz，上行頻段為890～915 MHz，與GSM－R頻段非常接近，如果這兩個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)布網(wǎng)不夠理想，導致兩個或多個GSM信號作為干擾信號同時加到GSM－R接收機時，由于非線性的作用，這些干擾信號的組合頻率有時會恰好等于或接近GSM－R信號頻率，當其幅值達到一定值時，就會形成GSM互調(diào)干擾，影響GSM－R通信。目前中國移動通信公司(CMCC)的GSM系統(tǒng)與鐵路 GSM－R系統(tǒng)之間的干擾已經(jīng)逐漸突顯出來［7］，其中三階互調(diào)最為嚴重。

1.3 高斯白噪聲干擾

高斯白噪聲是一種包含從負無窮到正無窮之間的所有頻率分量，且各頻率分量在信號中的權(quán)值相同的時變信號，當高斯白噪聲的功率超過接收機的靈敏度時，會抬高接收機底噪，嚴重時會嚴重影響GSM－R的正常通信。

1.4 其他干擾

實際通信中，還會存在由不理想布網(wǎng)造成的GSM－R同頻干擾、相鄰信道間的鄰頻干擾、非法運營基站及大功率天線造成的非法干擾等影響GSM－R正常通信的干擾存在。

2 GSM－R監(jiān)測系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)硬件由天線、高頻接收模塊、第一級變頻器、中頻濾波器、第二級變頻器、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP處理器組成，其組成框圖如圖1所示。

圖1 GSM－R監(jiān)測系統(tǒng)硬件框圖

其中，高頻接收模塊用于接收GSM－R信號并對信號進行放大處理，第一級變頻器用于對信號進行變頻操作，輸出頻率為70 MHz的中頻信號，中頻濾波器用于對信號進行濾波和調(diào)理，第二級變頻器用于對信號進行二次變頻，輸出當前GSM－R信號的零中頻IQ信號，A/D轉(zhuǎn)換器對信號進行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，并將輸出的數(shù)字信號送入DSP處理器，DSP調(diào)用存儲器中的信號頻域模板進行干擾識別與判定。

3 GSM－R干擾的識別方法

3.1 GSM－R的信號模板

GSM－R時域信號是隨著調(diào)制信息的不同而變化的，發(fā)送不同的信息，其時域信號是不同的，所以GSM－R的時域信號不能夠作為信號模板來進行比對。而GSM－R的頻譜是相對穩(wěn)定的，當發(fā)送不同信息時，其頻譜包絡(luò)近乎恒定，所以可以視其頻域波形為GSM－R的信號模板。

GSM－R的信號頻域模板可以通過多次實際測量后進行數(shù)據(jù)修正來生成模板，也可以通過MATLAB/Simulink來模擬生成模板，本文采用后者。由于GSM－R是基于GSM的一種通信方式，而GSM的調(diào)制方法為GMSK，所以，可以通過用Simulink來搭建一個標準的GMSK調(diào)制模型來生成和模擬GSM－R信號。

3.2 GMSK調(diào)制模型的搭建

本模型如圖2所示，選用 Bernoulli Binary Generator(伯努利二進制序列發(fā)生器)模塊產(chǎn)生原始輸入信號;選用GMSK Modulator Baseband(基帶GMSK調(diào)制器)模塊對原始輸入信號進行GMSK調(diào)制;選用Spectrum Scope(頻譜儀)來顯示GMSK調(diào)制后信號的頻譜;選用Complex to Real-Imag(復數(shù)轉(zhuǎn)實部－虛部)模塊將復數(shù)輸入轉(zhuǎn)為實部和虛部輸出，以便于對GMSK調(diào)制信號進行觀察;選用To Workspace(輸出至工作變量窗口)模塊將GMSK數(shù)據(jù)導出到Workspace。

圖2 GMSK的調(diào)制模型

模擬生成的GMSK時域波形如圖3所示，模擬生成的GMSK頻域波形如圖4所示。通過進一步的數(shù)據(jù)修正即可生成GMSK模板。

圖3 GMSK時域波形

圖4 GMSK頻域波形

3.3 GSM－R干擾的識別方法

對于GSM－R的干擾識別，主要采用最基本的減法操作，處理效率高，識別速度快，其流程如圖5所示。

圖5 GSM－R干擾識別流程

對應圖5中的步驟，具體流程如下。

(1)取N(本文中N=512)個GSM－R采樣數(shù)據(jù)組成的信號序列V，對V進行快速傅里葉變換，得到N點頻域數(shù)據(jù)序列F，公式如下

其中，F(xiàn)k為頻域數(shù)據(jù)序列F的第k個數(shù)據(jù)，k=0，1，2，…，N－1;Vi為信號序列 V 的第 i個數(shù)據(jù)，i=0，1，2，…，N－1。

(2)將頻域數(shù)據(jù)序列F分成通信信號S和底部噪聲D兩個序列，分離原則如下

當Fk＜C1時，F(xiàn)k存入底部噪聲序列D

當Fk＞C1時，F(xiàn)k存入通信信號序列S

其中:數(shù)值C1為根據(jù)實際電磁情況設(shè)置的通信信號與底部噪聲的分離閾值，通常取值為無業(yè)務信道在沒有干擾情況下的底部噪聲最大值;D和S為固定大小序列，體積均為，超出部分舍棄，不足部分補零。

(3)計算底部噪聲序列D的平均值DAVR，判斷當前底部噪聲是否有干擾。

當DAVR≤C2時，說明當前底部噪聲沒有被干擾

當DAVR＞C2時，說明當前底部噪聲受到干擾

其中，數(shù)值C2為根據(jù)實際電磁情況，設(shè)置的底部噪聲干擾識別閾值，通常取值為無業(yè)務信道在沒有干擾情況下的底部噪聲的平均值。

(5)將歸一化的通信信號序列～S與標準信號頻域模板序列Std的對應數(shù)據(jù)相減后取絕對值，得到N 2點信號差值數(shù)據(jù)序列Sub1，公式如下

其中，Sub1k表示所述差值數(shù)據(jù)序列的第k個數(shù)據(jù)，k=0，1，2，…，1。

(6)將標準信號頻域模板序列Std與歸一化的通信信號序列～S做互相關(guān)計算，結(jié)果序列為COV。對標準信號頻域模板Std做自相關(guān)，得到Std的自相關(guān)結(jié)果序列AUT。

(7)將所述的自相關(guān)結(jié)果序列AUT的每一個數(shù)據(jù)與所述的互相關(guān)結(jié)果序列COV的每一個數(shù)據(jù)相減后取絕對值，得到N點相關(guān)差值數(shù)據(jù)序列Sub2，公式如下

其中，Sub2m為相關(guān)差值數(shù)據(jù)序列Sub2的第m個數(shù)據(jù)，m=0，1，2，…，N－1。

(8)分別求取 Sub1和 Sub2的最大值 MS1和MS2，綜合考察MS1和MS2，判斷有沒有干擾。

①當MS1＜C3且MS2＜C4時，則表明當前信號沒有受到干擾。

②其他情況，則表明當前信號受到干擾。

其中，數(shù)值C3、C4為根據(jù)實際電磁情況設(shè)置的閾值，C3、C4的取值直接關(guān)系到干擾識別的靈敏度，，其中A為標準信號頻域模板Std的最大值;B為標準信號頻域模板Std的平均值;C3、C4的取值越小，靈敏度越高。

4 GSM－R干擾的判定方法

對于GSM－R干擾的干擾類型判定，分為對底部噪聲部分干擾類型的判定和對通信信號部分的判定。

4.1 CDMA帶外干擾的判定

由于CDMA的滾降特性強于GMSK，所以一般只是CDMA的帶外成分會對GSM－R信號造成干擾，本文只討論這種一般情況。

當GSM－R信號受到CDMA帶外頻率成分造成的干擾時，其頻譜波形如圖6所示。

圖6 CDMA帶外頻率成分干擾GSM－R時的情況

通過分析可以得知，由于CDMA頻段距GSM－R頻段有一定距離，其幅值已經(jīng)很微弱，所以其帶外頻率成分對GSM－R的通信信號造成的干擾不是很明顯，而對于更加微弱的底部噪聲造成的干擾則比較嚴重，底部噪聲被抬高。此種情況下的底部噪聲呈現(xiàn)出明顯的衰減特性，這是由于CDMA的頻段要低于GSM－R的頻段，在GSM－R接收機中濾波器的作用下，越遠離中心頻率的信號，其幅值衰減越大，所以呈現(xiàn)出了圖6中的這種頻譜波形。

對于此種情況，對底部噪聲的判定需要考慮到整體的衰減特性，而對于通信信號部分，僅靠單純的與標準信號頻域模板序列Std做差值比對并不能準確的判定為是CDMA干擾，需要進行進一步的處理。

由圖6中可以看出，GSM－R通信信號受干擾情況并不嚴重，通過分析可以看出，將其與標準信號頻域模板序列Std做互相關(guān)，所得出的結(jié)果會與標準信號頻域模板序列Std的自相關(guān)結(jié)果類似。綜上，可以得出對于CDMA帶外干擾的識別方法，當同時滿足以下條件時，可以認為是CDMA帶外頻率成分在對當前通信系統(tǒng)進行干擾:

4.2 GSM互調(diào)干擾的判定

當GSM－R信號受到GSM互調(diào)成分造成的干擾時，其頻譜波形如圖7所示。由圖7可以看出，有一組GSM的頻率互調(diào)產(chǎn)物落到了距離當前GSM－R載波200 kHz的地方，對當前GSM－R造成了嚴重的干擾。

圖7 GSM互調(diào)成分干擾GSM－R時的情況

通過分析可以看出，由于GMSK信號在的頻譜帶寬為200 kHz，所以距離GSM－R載波的0～400 kHz的GSM－R信號均受到了干擾，而由于互調(diào)產(chǎn)物帶外頻率成分的影響，正常的GSM－R信號的底部噪聲也受到了干擾。

此種情況下，GSM－R通信信號受干擾情況非常嚴重，通過分析可以看出，將其與標準信號頻域模板序列Std做互相關(guān)，所得出的結(jié)果與標準信號頻域模板序列Std的自相關(guān)結(jié)果會存在較大差異。綜上，可以得出對于GSM互調(diào)干擾的識別方法，當同時滿足以下條件時，可以認為是GSM的互調(diào)產(chǎn)物在對當前通信系統(tǒng)進行干擾:

4.3 高斯白噪聲干擾的判定

當GSM－R信號受到高斯白噪聲造成的干擾時，其頻譜波形如圖8所示。由圖8可以看出，高斯白噪聲對于GSM－R通信信號的干擾比較弱，但是對于底部噪聲的干擾很強，可以看出底部噪聲被明顯抬高，于是對于底部噪聲的判定，可以看做是高斯白噪聲干擾識別的突破口。

圖8 高斯白噪聲干擾GSM－R時的情況

當同時滿足以下兩個條件時，可以認為是高斯白噪聲在對當前通信系統(tǒng)進行干擾:

4.4 其他干擾

當識別出有干擾時，通過判定，若均不滿足CDMA帶外干擾、GSM互調(diào)干擾、高斯白噪聲干擾的條件，則判定為其他干擾。下面舉例說明，如圖9所示情況。

圖9 單一頻率干擾GSM－R時的情況

圖9所示是一個釋放在距 GSM－R當前載波100 kHz處的單頻干擾，由圖9可以看出，此時底部噪聲正常，通信信號部分有很明顯的干擾。通過比對實際通信信號S與標準信號頻域模板序列Std，可以準確表現(xiàn)出干擾的存在，而由于干擾信號帶寬較窄，所以通過比對自相關(guān)結(jié)果序列AUT與互相關(guān)結(jié)果序列COV并不能準確描述出此種干擾，于是此種干擾并不能被準確的劃分為是CDMA帶外干擾、GSM互調(diào)干擾、高斯白噪聲干擾中的某一種，所以，將以上三種干擾以外的干擾，統(tǒng)一識別為其他干擾。

5 結(jié)論

本文在分析了常見GSM－R干擾類型的基礎(chǔ)上，提出了3種GSM－R干擾的典型模型，并基于最基本的減法運算，創(chuàng)新性地提出了一種快速地GSM－R干擾識別與判定的方法，且該方法可以根據(jù)實際電磁情況靈活地設(shè)置閾值，以達到所需的靈敏度，相對于固定閾值的方法，適應性較好。該方法可對GSM－R系統(tǒng)的常見干擾進行快速的識別與判定，但對于CDMA系統(tǒng)干擾GSM－R系統(tǒng)的情況，目前本文所述方法只能識別出CDMA帶外干擾這一種情況。

同時，將鐵路GSM－R干擾的識別擴展到了通信信號和底部噪聲兩個層次，相對于只看重通信信號層次進行干擾識別來說，無疑會使干擾判定更加準確。對于DSP這種專用于高速運算的芯片來說，基本的減法運算有效地降低了識別流程的復雜度，計算更加迅速，使得干擾的快速識別與判定更加容易實現(xiàn)，也更加有益于進一步的定位干擾與消除干擾。同時，由于采用可編程處理芯片完成干擾識別與判定的功能，極大地降低了硬件成本，經(jīng)濟效果突出。

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