無線干擾信號對CTCS—3列控的影響

劉慶新

摘要：通過對承載CTCS-3級列控信息的GSM-R系統無線信號受到干擾的原因分析，闡述了GSM-R系統設備的穩定對于CTCS-3 級列控系統傳輸的重要性。

關鍵詞：GSM-R系統；CTCS-3 系統；無線信號干擾

ABSTRACT：Through the analysis of the reasons for the interference of wireless signals of GSM-R system carrying CTCS-3 level train control information，the importance of the stability of GSM-R system equipment for the transmission of CTCS-3 level train control system is expounded.

Key words：GSM-R system，CTCS-3 system，wireless signal interference

1 GSM-R系統與CTCS系統簡介

1.1 GSM-R系統簡介

GSM-R（GSM for Railway）是基于GSM技術，專為鐵路通信設計的數字移動通信系統，為鐵路應用提供綜合通信服務的平臺，不僅實現無線列車調度、鐵路區間移動通信等語音功能，同時還承擔了車次號校核信息、調度命令、列控信息傳送等無線數據通信任務，在鐵路安全生產中發揮著重要作用。作為承載CTCS系統傳輸的無線通信網絡，可在CTCS系統中連續傳送列車控制命令信息實現車地之間雙向、大容量的數據通信，體現通信信號一體化的特點，

GSM-R系統包括網絡子系統（NSS）、基站子系統（BSS）、運行和業務支撐子系統（OSS /BSS）和終端設備四個部分。其中，網絡子系統包括移動交換子系統（SSS）、移動智能網（IN）子系統和通用分組無線業務（GPRS）子系統。其中位于基站子系統（BSS）中的BTS（Base Transceiver Station基站發射接收機）是發射和接收GSM-R系統的無線信號的核心設備。

1.2 CTCS系統簡介

CTCS是（Chinese Train Control System）的英文縮寫，為中國列車運行控制系統。CTCS系統有兩個子系統，即車載子系統和地面子系統。CTCS根據功能要求和配置劃分應用等級，分為0～4級。CTCS-3級列控系統是基于GSM-R無線通信實現車-地信息雙向傳輸，無線閉塞中心（RBC）生成行車許可，軌道電路實現列車占用檢查，應答器實現列車定位，并具備CTCS-2級功能的列車運行控制系統。

CTCS-3系統分兩個子系統，即車載子系統和地面子系統。車載子系統包括無線通信（GSM-R）車載設備、測速模塊、設備維護記錄單元和車載安全計算機。地面子系統由以下部分組成：應答器、軌道電路、GSM-R無線通信網絡（不屬于CTCS設備，但是是重要組成部分）及無線閉塞中心（RBC）。其中RBC 系統是基于故障-安全計算機平臺的信號控制系統。系統能根據所控制列車的狀態及其控制范圍內的軌道占用、列車進路狀態、臨時限速命令、災害防護和線路參數等信息，產生針對所控列車的行車許可（MA）控制信息，并通過 GSM-R 無線通信系統傳輸給車載子系統，保證其管轄范圍內列車的運行安全。

2 GSM-R系統與CTCS-3系統的關系

由于GSM-R系統承載著地面無線閉塞中心RBC向車載列控設備（OBU）發送行車許可 MA、列車限速信息、線路坡度、軌道條件、進路適宜性等參數信息以及 OBU 通過 GSM-R系統向 RBC發送列車位置和列車狀態等信息的重要業務。所以當GSM-R系統無線通信傳輸質量下降、設備故障以及無線信號受到外界干擾而導致的列控信息通信中斷時長超出了 CTCS-3 級系統中車-地通信中斷定時器所能允許的最大時長約18秒時，列控系統由CTCS-3 級降到 CTCS-2 級，從由GSM-R網絡控車到傳統的軌道控車，列車速度由原來的350Km/h降到300Km/h以下，造成列車晚點，打亂了正常的行車順序，影響鐵路系統運行效率甚至威脅列車行車安全。鑒于GSM-R系統不良造成列控信息的通信中斷屬于嚴重的故障，因此維護好設備質量，克服外界干擾是保證GSM-R系統正常運行的關鍵。

3 無線干擾信號對CTCS-3的級列控影響

3.1 各種干擾信號對CTCS-3 級列控的影響

1）來自基站設備BTS內部的干擾

基站設備中主振器、振蕩器、調制器、倍頻器、放大器等部件在工作時都會產生熱噪聲，這些噪聲一旦被調制就會形成干擾信號發射出去會對基站的覆蓋效果帶來影響。

2）外部信號干擾

（1）強信號干擾：這種干擾是指合法的信號占用合法的頻率，由于功率過強造成鄰近頻段接收設備阻塞。通過GSM-R系統的工作頻段可以看出，由于中國聯通 800MHz的 CDMA 系統基站發射頻段為 870-880MHz，鐵路GSM-R 系統基站接收頻段為885-889MHz，兩系統之間只有 5 MHz保護帶，會發生CDMA系統基站和 直放站的發射造成對GSM-R系統基站和直放站的接收產生有害干擾。

（2）固定頻率的干擾：這種干擾頻率幾乎不變，或小范圍抖動，上下行都可能存在。其干擾信號呈現出穩定和頻譜干凈的特性，具有固定頻率的干擾源工作于GSM-R移動通信頻段。由于中國鐵路GSM-R 頻段與中國移動 900MHz增補頻段公用，所以中國移動900MHz增補頻段的信號源是主要干擾之一。

3）不可預測信號干擾：目前在900MHz頻段的GSM系統中存在射頻直放 站轉發信號干擾、有線電視倍增器漏泄雜波干擾、微波及對講機系統雜波干擾等三種常見類型的不可預測干擾。由于移動通信運營商大量采用寬頻段射頻轉發直放站系統，會接收到不 同移動通信 網絡基站的射頻信號，并經過放大后轉發，有可能將 與GSM-R網絡相 同或相鄰的射頻信號放大后，造成對GSM-R 網絡的干擾。

4）非法信號的干擾：也稱為人為干擾是指非法運營者在沒有得到許可的情況下，違反國家無線電管理條例，私自使用與GSM-R相同的頻段造成的干擾。

5）來自互調信號的干擾

指當有多個不同頻率的信號加到非線性器件上時，非線性變換將產生許多組合頻率信號，其中一部分可能落到接收機通帶內，成為對有用信號的干擾。產生互調干擾的原因很多，主要有以下3個方面：

（1）在非線性部件，各輸入信號混頻產生互調成分。

（2）輸入信號頻率必須滿足其組合頻率能落到接收機通帶之內。

（3）輸入信號功率足夠大，由此產生幅度較大的互調干擾成分。

6）來自鄰頻信號的干擾

鄰頻干擾是來自相鄰的或相近的頻道干擾，相近頻道可以是相隔幾個或幾十個頻道。包括2方面：一是由于工作頻帶緊隨的若干頻道的寄生邊帶功率、寬帶噪聲、雜散輻射等產生的干擾；二是指移動通信網內，一組空間離散的鄰近工作頻道引入的干擾，如果鄰信道載波功率過大，就會對有用信號產生干擾。因為GSM-R系統使用的頻率有限，所以采用在4MHz帶寬內分成20個信道，每個信道占用200kHz。根據規定GSM-R系統的200kHz鄰道干擾保護比要求為C/I≥-6dB。400kHz鄰道干擾保護比為C/I≥-38dB。但是由于設備硬件質量的原因，相鄰信道之間可能相互干擾，形成鄰頻干擾。

7）來自同頻信號的干擾

為了提高GSM-R系統的頻率利用率，鐵路沿線多個不相鄰的小區使用相同的頻率，當兩個使用相同信道頻率的小區距離過近時，一個小區的通信信號就可能會對另一個小區的信號產生干擾，這就是同頻干擾。這些無用信號與有用信號一樣在超外差接收機中經放大變頻而落入中頻通帶內，因此只要在接收機輸入端存在同頻干擾，接收系統就無法濾除和抑制。存在同頻干擾的頻率范圍為f±B /2，f為有用信號載波頻率，B為接收機中頻帶寬。

8）多徑干擾

無線射頻信號的傳輸由于路徑的不同，接收機接收到的信號是經各種傳播路徑的直射波、反射波、繞射波和散射波等的向量和。由于GSM-R信號的波長很小，所以，較小的傳播時延就會產生較大的相位變化，形成多徑干擾。

3.2 下列原因造成信號對CTCS-3 級列控干擾

1）越區切換對CTCS-3 級列控的干擾

由于GSM-R系統無線信號在傳播的過程中存在著反射、繞射和散射等現象以及路徑損耗、多徑效應、陰影效應及多普勒效應等而引起的信號衰減。為保證無線傳輸信號質量，哈大高鐵GSM-R無線系統采用了單網交織覆蓋方式，鐵路沿線每隔3km便安裝一個高度為35米左右的BTS無線鐵塔，滿足兩個小區重疊區內的信號電平大于-90dBm的要求。由于小區距離近，時速300千米以上的動車車載臺在多徑環境中接收信號瞬時會出現多普勒擴展現象，在重疊區容易產生越區切換時延大、頻繁切換、切換前后鏈路中斷率、接收信號信噪比和誤碼率高的問題，這些都會影響CTCS-3 級列控信息傳輸的穩定性。包括降低 RBC 和 OBU 之間列控信息傳輸實時性，降低CTCS-3 級系統運行效率和控制精度。經過研究表明，在兩小區的重疊區內，列控信息傳輸質量較差，會造成較高的列控系統故障發生幾率和更為嚴重的列控系統故障，嚴重降低了 CTCS-3 級系統安全性能。所以保證GSM-R網絡正常，特別是提高重疊區內信號傳輸質量，對保證列控系統的可靠性、安全性、工作效率有著決定性的作用。

2）數據幀重傳對CTCS-3 級列控的干擾

為了保證列控信息傳輸可靠性，數據鏈路層采用多選擇性重傳機制，以實現車載臺和基站對數據傳輸的差錯控制。數據重傳機制分為 2 個部分。

⑴ 若接收端接收到失序的數據幀，則向發送端發送選擇性拒絕幀，并請求重傳所有失序幀前未接收或發生錯誤的數據幀。發送端根據選擇性拒絕幀中失序幀的幀號，向接收端重傳數據幀，待確認接收端重傳數據幀接收完成后，再向其傳送下一個數據幀。

⑵ 發送端發送完一個數據幀后會啟動定時器T1，若超出 T1時間還未接收到接收端回饋的接收確認幀，則向接收端發送監控命令幀，接收端接收到監控命令幀后，會向發送端發送包括未接收數據幀序號等信息的監控命令幀，發送端根據監控命令幀中的信息發起重傳。所以列控信息的傳輸時延除了路徑傳輸時延以外，還有錯誤數據幀所帶來的數據幀重傳延遲。頻繁的重傳延遲會造成 RBC 和OBU之間列控信息交互中斷，導致列車緊急制動以及降級運行。

以上的各種對GSM-R系統無線信號的干擾，會導致 RBC和 OBU（車載列控設備）之間列控信息傳輸時延增加，降低了 CTCS-3級系統的實時性、效率、控制精度、可靠性和安全性。

4 結束語

綜上所述，我們意識到GSM-R系統是CTCS-3 級列控系統的基礎和關鍵，在GSM-R系統設備日常的維護中，應該綜合采用各種維修手段，通過實時的網絡監控，不斷地網絡優化，高質量的設備維修，精準的故障處理才能保障GSM-R系統設備和信號傳輸的穩定，杜絕或減少無線信號干擾，才能保障CTCS-3級系統的正常使用，從而保證高鐵列車的安全和正點。

參考文獻

[1]CTCS-3級列控系統GSM-R網絡需求規范（V1.0）鐵道部科技運[2008]168號Specification for GSM-R Network Requirements of CTCS-3 Train Control System（V1.0）. Ministry of Railways Science and Technology Transport [2008] 168。

[2]CTCS-3級列控系統功能需求規范（FRS）（V1.0）鐵道部科技運[2008]113號Functional Requirements Specification for CTCS-3 Train Control System（FRS）（V1.0）Ministry of Railway Science and Technology Transport [2008] 113。

[3]CTCS技術規范總則 鐵道部科技運[2004]14號General Principles of CTCS Technical Specification No. 14，Ministry of Railways Science and Technology Transport [2004] 14。

[4]鐵路GSM-R數字移動通信系統 北京：中國鐵道出版社，2007 Railway GSM-R Digital Mobile Communication System Beijing：China Railway Press，2007。

[5]GSM-R 通信技術與應用 北京：中國鐵道出版社，2010 GSM-R Communication Technology and Application Beijing：China Railway Publishing House，2010。

[6]高速鐵路通信技術-鐵路數字移動通信系統（GSM-R）北京：中國鐵道出版社，2014 High-speed Railway Communication Technology-Railway Digital Mobile Communication System（GSM-R）Beijing：China Railway Press，2014。

[7]鐵路數字移動通信系統（GSM-R）無線網絡規劃與優化 北京：清華大學出版社，2012 Railway Digital Mobile Communication System（GSM-R）Wireless Network Planning and Optimization Beijing：Tsinghua University Press，2012。

[8]中國鐵路總公司 TB10430-2014.鐵路數字移動通信系統（GSM-R）工程檢測規范，2014 China Railway Corporation TB10430-2014. Code for Engineering Testing of Railway Digital Mobile Communication System（GSM-R），2014。

[9]中國鐵路總公司 TB10761-2013.高速鐵路工程動態驗收技術規范，2013 China Railway Corporation TB10761-2013. Technical Specification for Dynamic Acceptance of High Speed Railway Projects，2013。

（作者單位：中國鐵路沈陽局集團有限公司科學技術研究所）