高鐵無線通信干擾檢測及識別技術研究

馬良德，左自輝，彭博，韓春明

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所，北京 100081）

0 引言

隨著我國高速鐵路數字移動通信系統（GSM-R）網絡運用日益成熟，高鐵樞紐、并線、交叉線等區域場景日益增多，公眾電信網絡覆蓋不斷增強，無線干擾在高鐵無線通信運維中已逐步成為主要被關注問題。據2017年全國高速鐵路GSM-R網絡服務質量動態檢測結果統計，超過60%的服務質量問題與網絡無線干擾有關，且這一比例在2018年有所增長。目前解決無線干擾問題已成為鐵路無線通信維護部門的重點工作之一。

1 無線干擾類型及影響

無線干擾是移動通信領域中永恒的話題，隨著無線電頻譜這種戰略資源被越來越廣泛的開發和利用，各頻段間的相互干擾顯得愈發不可避免。無線干擾是指在無線通信過程中發生的、無用的無線電信號引起的、導致有用信號接收質量下降或者損害的狀態及事實[1]。

移動通信系統從頻率的角度劃分，主要存在3種類型的干擾：同頻干擾、鄰頻干擾和互調干擾。從被干擾的頻段鏈路角度劃分，分為上行鏈路干擾和下行鏈路干擾。從干擾來源角度劃分，分為網內干擾和網外干擾。另外，無線通信系統所處環境及其本身還存在噪聲干擾[2]，包括自然噪聲、人為噪聲及系統設備本身產生的內部噪聲，干擾類型見圖1。

鐵路GSM-R無線通信系統為干擾受限系統，無線鏈路的性能主要受限于干擾而不是受限于噪聲[3]。干擾檢測主要從頻率和功率的角度對GSM-R無線干擾進行分析，干擾類型主要包括同頻干擾、鄰頻干擾、互調干擾、大信號阻塞干擾以及由直放站引起的多徑干擾等。

CTCS-3 級列控系統是基于GSM-R網絡車地雙向無線通信的列車運行控制系統，無線超時是C3線路中影響列車運行效率的重要因素之一[4]。特別是部分高鐵運行速度達到350 km/h之后，無線超時在導致ATP設備降級為C2模式的同時，還會使車速降至300 km/h以下，這將給高鐵運行帶來直接影響。通過大量的檢測數據分析及總結，無線干擾對GSM-R系統造成的影響[5]主要表現在3個方面：（1）影響移動用戶間的通話，使語音通話質量下降，嚴重時會造成通信中斷。（2）影響車地間的數據傳輸業務，給系統帶來誤碼、丟包，使數據傳輸質量下降，嚴重時會造成數據傳輸中斷。（3）影響通信系統的可靠性，使正常的移動通信業務流程連接建立失敗、切換失敗、連接丟失或掉話等故障，嚴重時會造成通信系統阻塞或業務中斷。

圖1 移動通信系統無線干擾類型

2 無線干擾檢測方法及對比分析

我國鐵路GSM-R系統的工作頻段為885～889 MHz（上行）、930～934 MHz（下行）共4 MHz帶寬，該頻段可能會受到中國移動、中國聯通等公共電信網絡或其他無線電波的干擾，樞紐、交叉線或并線區域也可能產生網內干擾，這些無線干擾將會影響高鐵的運營安全。通過對線路周邊無線干擾的定期檢測，可以查找影響鐵路的干擾源并及時排除干擾，確保無線信道的安全暢通。

2.1 傳統頻譜干擾檢測

傳統頻譜干擾檢測系統一般包括天線單元、測量接收機或頻譜分析儀、綜合同步定位或GPS單元、測試控制及數據處理單元等，系統結構見圖2。

圖2 傳統頻譜干擾檢測系統結構

測量接收機或頻譜分析儀主要通過對無線信號進行變頻、濾波、放大等處理，實現對所接收信號的頻率、電平的測量。信令識別單元在通話或空閑狀態下，通過采集和分析的網絡參數，檢測識別出主小區和其所有鄰小區的廣播控制信道BCCH、業務信道TCH、接收電平RxLev、載干比C/I等信息[6]。測試控制及數據處理單元主要通過檢測軟件實現對所測量數據的實時存儲、分析、展示，并實現干擾識別和數據導出功能。

GSM-R電磁環境檢測時利用頻譜分析儀對GSM-R上、下行頻段進行掃描，一般設置掃描周期為100 ms，分辨率帶寬30 kHz，最大峰值檢波方式，分別記錄頻譜掃描范圍內接收電平的最大值、最小值和當前值。頻譜掃描最大值用于表征在測試區間被測頻帶內出現過的電平最大值，可以反映被測區間GSM-R頻段內的干擾分布和強度。同時啟動GPS定位子系統，存儲定位信息，定位信息包括經緯度、行駛速度，并計算出移動距離，利用綜合同步定位系統使每個時段的頻譜掃描數據與檢測列車行經地點相對應。利用傳統頻譜分析儀進行GSM-R干擾檢測，可以直觀地看到無線信號的頻譜特征，另外頻譜儀操作簡單、實時性強、易于存儲，因此在網絡優化中有著重要作用。

但在實時檢測過程中會發現，在線檢測時帶寬內的信號大部分是GSM-R本網的信號，即使出現了其他網絡的信號，也很難區分出來，尤其是無法分辨出同頻干擾。因此傳統頻譜檢測方式不適用于GSM-R網絡在線干擾檢測，這類系統大多在新線開通之前的無線清頻和聯調聯試中應用，即在本網絡不運行的狀態下，對鐵路線路周圍的電磁環境進行檢測。

2.2 實時頻譜干擾檢測

由于復雜電磁環境的實時變化，使得對于頻域參數的測量需要進行實時觀測和統計，需要實時頻譜觀測技術來進行頻域參數的測量。尤其是如果多個信號的頻譜有重疊，傳統頻譜儀只能利用包絡測量已知頻譜的有無，而無法對同頻信號和多個信號進行統計分析。與傳統頻譜分析儀相比，實時頻譜儀的優勢主要有2個方面：一是由于信號處理速度大大提升，可實現對幾乎所有（持續時間微秒級以上）瞬態干擾信號的捕捉。二是實時頻譜特有的數字熒光頻譜展示技術[7]（見圖3）。

圖3 某線路實時頻譜干擾檢測截圖

實時頻譜分析儀的實時頻譜檢測功能及其硬件構架，可以實現對GSM跳頻信號的實時監測，其信號處理采用并行處理的方式，可以把信號的頻譜顯示處理和信號的捕獲、分析處理分成兩條線路并行同時處理。

2.3 掃頻干擾檢測

掃頻干擾檢測系統通過掃頻儀的射頻前端和內置DSP處理器來快速準確地對空口進行掃描，從而實現對頻帶內所有可解調的空口信號的檢測。掃頻儀可以對各種通信標準信號進行測量，與測試手機相比，它不存在處理速度與測量精度方面的局限。系統進行動態檢測的過程是被動接收的, 因此掃頻儀在網絡測量中不會對GSM-R網絡造成影響。掃頻儀不需要安裝SIM卡，不受參數、鄰區甚至網絡的影響。

掃頻干擾檢測系統由天線單元、掃頻儀、綜合同步定位或GPS定位單元、測試控制及數據處理單元等組成。掃頻儀通過檢測車車頂天線對GSM-R頻段（Channel Number = 1 000～1 019）的信道進行色碼掃描，采集結果通過測試控制及數據處理單元進行保存，軟件同時采集GPS的經緯度數據，記錄測試軌跡并顯示路徑上的相關信息。掃頻干擾檢測截圖見圖4。

圖4 某線路掃頻干擾檢測截圖

通過對鐵路GSM-R網絡的上行或下行頻段信號進行掃頻檢測來分析GSM-R網絡頻點是否被公網運營商所占用，并通過MCC、MNC、LAC、BSIC等參數分析出干擾信號來源于哪個網絡，通過C/I分析得到占用頻點的質量情況，進而通過基站數據庫可以定位出干擾信號來自哪個基站、與線路的距離關系等信息。

2.4 檢測方法對比分析

傳統頻譜儀雖然操作簡單、實時性強、便于分析，但因其掃描速度慢且沒有信號出現的概率密度統計信息，基本不具備對瞬態干擾信號、跳頻信號和同頻干擾的檢測功能，不適合不關基站情況下的在線干擾檢測。另外鄰頻干擾和非調制信號干擾檢測功能也沒有實時頻譜分析儀的相關功能強。

掃頻儀能夠不受網絡限制，掃描出各類網絡信號的電平值，且可以通過接收空口信令并解析，解出信號載干比、MCC、MNC、LAC、BSIC等，通過這些信息可以判斷信號屬于哪個網絡，對干擾源的查找能提供有效的幫助。但掃頻儀不具備頻譜分析功能，不能通過頻譜判斷干擾信號和本網服務小區之間的信號關系。另外，掃頻儀只能對調制信號的BCCH進行解碼，無法實現對非規則干擾信號（如窄帶脈沖干擾等）的檢測功能。通過原理分析和實踐運用總結得出3類無線干擾檢測系統功能對比（見表1）。可見，3類檢測系統各有其特點和局限性。

表1 3類干擾檢測系統功能對比

3 基于服務質量的干擾檢測方法及應用

干擾對GSM-R網絡造成的影響包括話音質差（RxQual>4）、載干比C/I差、異常切換、切換失敗、掉話、CSD數據傳輸干擾時間和傳輸無差錯時間超標、CSD數據傳輸中斷[5]等。這些內容大部分是GSM-R網絡服務質量檢測的項目，因此干擾檢測不應該是一個孤立的系統，應首先站在網絡用戶的角度從服務質量參數的好壞來判斷網絡是否受到干擾。在此基礎上，結合上述幾種干擾檢測方法的功能對比分析，提出基于服務質量的干擾檢測方法，并利用該方法對部分高鐵線路開展干擾檢測工作。

3.1 基于服務質量的干擾檢測方法

基于服務質量的干擾檢測方法以檢測車為平臺，融合實時頻譜干擾檢測、信令掃頻檢測和服務質量檢測等功能，可在線完成對通信網絡的質量及狀態的綜合性檢測和網絡性能分析工作，用該方法研制的檢測系統創新地運用了以下鐵路無線干擾檢測功能。

3.1.1 聯動分析

基于服務質量的GSM-R干擾檢測系統融合服務質量、場強、無線干擾檢測等多項功能，檢測項目和參數較多，所以實現多窗口、事件聯動分析技術對數據綜合分析來說尤為重要。根據干擾檢測結果判定的特點，需要實現服務質量檢測結果與干擾檢測的聯動分析功能。

在進行數據分析時，不同視圖、列表、曲線圖之間可以根據公里標實現聯動分析，即單擊曲線圖的某一區域時或單擊列表中的某條記錄時，系統能夠提取當前操作所在的公里標和經緯度，將其他相關視圖、曲線圖和列表的選擇區域均定位到當前公里標；聯動分析有助于將各個指標的測試結果結合起來輔助問題查找、定位和分析。

3.1.2 阻塞干擾自動識別

GSM系統技術規范《數字蜂窩系統無線傳輸與接收》（GSM 05.05）中列出頻率間隔≤3 MHz時，當移動臺持續接收到 -23 dBm的信號，基站臺持續接收到-13 dBm的信號時，接收機將可能產生大信號阻塞。信號阻塞一般會導致全頻段底噪抬升，底噪超過觸發電平閾值時將會對服務質量造成影響。因此，阻塞干擾自動識別設置：距當前小區頻點的頻率間隔3 MHz帶寬內，強信號觸發電平設置為 -23 dBm；距當前小區頻點的頻率間隔在3～10 MHz帶寬范圍內，強信號觸發電平設置為 -15 dBm。根據不同的線路場景，可自定義設置觸發電平。

3.1.3 互調干擾自動識別

互調干擾自動識別首先從測量報告中讀取當前BCCH或TCH頻點和電平值，掃頻儀設置為寬帶掃描，通過掃頻數據得到臨近頻點的電平值，當某一信號的電平高于互調閾值（閾值可自定義，如設置為 -40 dBm）時，則記錄該信號的頻點，將各信號頻點統一放入緩存中，分別以當前占用BCCH和TCH為受干擾頻點，進行三階互調關系計算[9]。結合基礎數據庫信息，判斷互調產物是否落在該小區的頻點。如存在互調關系頻點，則自動輸出頻點號、電平值、MCC、MNC、BISC、C/I等信息。

3.1.4 頻譜模型識別

根據當前頻段信號頻譜特征，自動生成“頻譜模型”，模型包括標準頻譜和干擾頻譜，并可實現靈活修改。如設置GSM-R標準頻譜，并考慮檢測車移動、電平衰落等因素；同樣收集并設置寬頻信號、窄帶脈沖等非GSM信號和鐵路沿線港口碼頭、機場和煤礦等場景的干擾頻譜，并形成標準頻譜和干擾頻譜的數據庫。頻率觸發模板的設置功能在進行頻譜數據回放分析時，系統軟件將協助用戶高效、智能地完成干擾自動分析識別。

3.2 基于服務質量的干擾檢測技術驗證

3.2.1 檢測案例

檢測列車測試某高鐵線路GSM-R服務質量，發現K2238+200處連續幾個月都出現話音質量7級、載干比低于正常值、CSD數據干擾時間和數據無差錯時間超標。通過服務質量數據分析，該位置的質量惡化只在下行檢測過程中占用1001載頻時發生，檢測車上行方向運行時切換位置在 K2237+400處，在K2238+200處使用的是1006載頻，因此判斷該質量惡化問題與1001頻點被干擾有關，但干擾的原因無法判斷。

為了識別查找干擾源，利用基于服務質量的在線干擾檢測系統對該線路進行檢測，實時頻譜分析與服務質量檢測數據聯動分析，自動識別出中國移動GSM網絡強信號的互調產物落在GSM-R網絡所使用的1001頻點上，干擾識別結果見表2。

表2 互調干擾自動識別結果輸出

三角標記的2個公眾網絡GSM頻點f1=937.4 MHz、f2=944.4 MHz，滿足三階互調關系2f1-f2=930.4 MHz（QY-GZB08基站的BCCH頻點），對GSM-R網絡造成了干擾（見圖5）。分析出干擾原因后，鐵路局集團公司通信維護部門協調當地移動公司對相關頻點進行了調整，調整后檢測列車復測各指標恢復正常。

圖5 基于服務質量的GSM-R干擾檢測截圖

檢測列車在某高鐵試驗段上對LTE-R網絡進行測試時，發現某處經常出現RS-SINR值減小，數據傳輸速率下降。利用干擾檢測系統對該線路進行檢測，通過對服務質量與實時頻譜數據分析[10]，該位置LTE-R頻段內存在25 kHz的窄帶信號，且電平幅值高于本網信號（見圖6）。通過基礎數據和現場確認得知附近存在含450 MHz無線列調系統應用的既有線和貨場，基于服務質量的干擾檢測技術在LTE-R場景測試中得到了驗證。

圖6 基于服務質量的LTE-R干擾檢測截圖

3.2.2 應用成果

檢測列車搭載基于服務質量的GSM-R網絡干擾檢測系統，對16條高速鐵路進行了GSM-R網絡干擾在線檢測。檢測共發現干擾問題105處，其中外網大信號阻塞導致全頻段底噪抬升引起的干擾83處、互調干擾5處、本網基站功率過高和雜散導致的干擾6處、外網頻段占用干擾11處，干擾類型及占比見圖7。

圖7 干擾類型及占比

通過檢測試驗發現，基于服務質量的在線干擾檢測是高鐵無線通信干擾檢測的一種行之有效的手段。無線干擾檢測分析結果可以指導現場維護單位開展進一步的干擾源查找及排除，大大提高了高鐵無線干擾識別及干擾源排除工作的效率。

4 結束語

隨著高鐵通信網絡建設范圍的不斷擴大，無線干擾帶來的問題會更加多樣化。應不斷創新檢測監測技術手段，使動態在線干擾檢測成為鐵路無線干擾檢測監測體系的重要組成部分。通過加強無線干擾檢測以了解干擾特性并判斷干擾類型，根據不同無線干擾類型的特點采取有針對性的解決方案，用技術創新保證無線網絡環境的清潔，保障鐵路通信的暢通。