鐵路站場外來同頻干擾監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王嘯陽

(北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

車地?zé)o線通信系統(tǒng)是構(gòu)成鐵路綜合通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，也是保障列車和地面系統(tǒng)之間信息交互的重要手段。隨著中國鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，鐵路信息化水平越來越高，大量的車地交互數(shù)據(jù)需要通過車地?zé)o線通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，其中涉及許多鐵路安全保障業(yè)務(wù)，如列車臨時(shí)限速，列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，鐵路隧道、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測，列車視頻監(jiān)控等。因此，在建設(shè)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要著重考慮如何提高車地?zé)o線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和信道質(zhì)量。

為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通常會(huì)對車地?zé)o線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行冗余配置，即熱備冗余機(jī)制。默認(rèn)情況下，主設(shè)備處于工作狀態(tài)，從設(shè)備處于監(jiān)聽或者休眠狀態(tài)。當(dāng)主設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，從設(shè)備才開始介入并承擔(dān)主設(shè)備的工作。熱備冗余機(jī)制有利于縮短系統(tǒng)中斷時(shí)間，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。然而，這種傳統(tǒng)的熱備冗余機(jī)制會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)從設(shè)備的利用率較低。

另外，車地?zé)o線通信系統(tǒng)尤其是窄帶無線通信系統(tǒng)的性能易受到外來同頻干擾的影響。為改善通信信道質(zhì)量，期望降低站場環(huán)境中的干擾水平，尤其是外來同頻干擾水平。一般來說，外來同頻干擾的監(jiān)測、定位和消除方式主要有兩種：1）定期使用干擾定位測試儀檢查鐵路站場環(huán)境中的干擾水平。然而，該方法僅適合應(yīng)對長期固定的外來同頻干擾，無法有效應(yīng)對短期的或突發(fā)的外來同頻干擾；2）單獨(dú)搭建一套干擾監(jiān)測系統(tǒng)，長期監(jiān)控站場環(huán)境中的外來同頻干擾水平，但是這將增加車地?zé)o線通信系統(tǒng)的建網(wǎng)成本。

因此，為了在不增加建網(wǎng)成本的前提下，提高對外來同頻干擾信號的管控能力，系統(tǒng)從設(shè)備的利用率，本文設(shè)計(jì)了一種基于車地?zé)o線通信系統(tǒng)從設(shè)備的外來同頻干擾監(jiān)測系統(tǒng)方案。該方案利用車地?zé)o線通信系統(tǒng)的從設(shè)備搭建一套外來同頻干擾監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)站場環(huán)境中的外來同頻干擾的監(jiān)測、定位及消除。

2 系統(tǒng)描述

目前國內(nèi)鐵路正線的車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要采用的是第二代移動(dòng)通信技術(shù)，即 GSM-R（Global System for Mobile Communications-Railways），未來將計(jì)劃演進(jìn)到第四代移動(dòng)通信技術(shù)或第五代移動(dòng)通信技術(shù)，即 LTE-R (Long Term Evolution-Railways)或5G-R（5G-Railways）。現(xiàn)階段，國內(nèi)已經(jīng)完成LTE-R 通信技術(shù)的理論研究和試驗(yàn)線驗(yàn)證，并大力推進(jìn)5G-R通信技術(shù)的理論研究和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。然而，無論是采用 GSM-R 通信技術(shù)還是 LTE-R或5G-R 通信技術(shù)，鐵路車地?zé)o線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備都會(huì)進(jìn)行冗余配置，以提高車地?cái)?shù)據(jù)交互的穩(wěn)定性。

車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要由核心網(wǎng)（Evolved Packet Core network，EPC）、基帶單元（Baseband Unit，BBU）、射頻拉遠(yuǎn)單元（Remote Radio Unit，RRU）和天饋系統(tǒng)組成。EPC的功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入控制、數(shù)據(jù)路由和轉(zhuǎn)發(fā)、移動(dòng)性管理、無線資源管理、安全管理等。BBU的功能是實(shí)現(xiàn)信道編解碼、基帶信號調(diào)制解調(diào)、協(xié)議處理等，并提供與上層網(wǎng)元的接口。RRU的功能是在接收信號時(shí)，負(fù)責(zé)將天線傳來的射頻信號經(jīng)濾波、低噪聲放大、轉(zhuǎn)化成光信號，傳輸給BBU；在發(fā)送信號時(shí)，負(fù)責(zé)將從BBU傳來的光信號轉(zhuǎn)成射頻信號，通過天線放大發(fā)送出去。天饋系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)基站設(shè)備與終端用戶之間的信息能量轉(zhuǎn)換，完成無線信號的發(fā)送和接收。

通常車地?zé)o線通信系統(tǒng)地面?zhèn)鹊木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。該地面?zhèn)认到y(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，如BBU、RRU和天饋系統(tǒng)，都進(jìn)行了冗余配置。主（從）基帶單元、主（從）射頻拉遠(yuǎn)單元和主（從）天饋系統(tǒng)構(gòu)成主（從）基站系統(tǒng)。主基站系統(tǒng)和從基站系統(tǒng)共用一個(gè)核心網(wǎng)，當(dāng)主基站系統(tǒng)故障時(shí)，從基站系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行并接替主基站系統(tǒng)的工作。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Network architecture

在本方案中，將利用車地?zé)o線通信系統(tǒng)的從基站系統(tǒng)搭建一套外來同頻干擾監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測和管控與本地基站發(fā)射頻率相同的外來干擾。然而，由于主基站天線和從基站天線的間距較小，主基站天線的發(fā)射信號會(huì)對從基站天線接收端產(chǎn)生干擾，稱之為本地自干擾，類似于同時(shí)同頻全雙工通信中的自干擾概念。因此，基于從基站系統(tǒng)搭建的外來同頻干擾監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)是消除本地自干擾。

本地自干擾的消除方式主要有3種：空域消除、射頻域消除和數(shù)字域消除。空域消除的原理是在空口處為發(fā)射天線和接收天線設(shè)置隔離，降低發(fā)射機(jī)信號對接收機(jī)信號的干擾，常用隔離手段有：1）增大發(fā)射天線和接收天線之間的距離；2）在發(fā)射天線和接收天線之間設(shè)置微波屏蔽板；3）配置多發(fā)射天線，通過調(diào)整多個(gè)發(fā)射天線到接收天線的距離，使發(fā)射信號在接收天線處形成反相抵消。射頻域消除的原理是在模擬域通過射頻電路以相位反轉(zhuǎn)的形式實(shí)現(xiàn)干擾抵消。數(shù)字域消除的原理是在數(shù)字域通過信道估計(jì)和自適應(yīng)濾波等方式實(shí)現(xiàn)干擾抵消。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，聯(lián)合使用這3種消除方式一般能夠?qū)崿F(xiàn)110 dB左右的本地自干擾功率衰減，但具體的抑制效果與本地自干擾帶寬負(fù)相關(guān)。

3 信號流程

外來同頻干擾的監(jiān)測功能主要由從基站系統(tǒng)完成，其信號流程框如圖2所示。

圖2 信號流程框圖Fig.2 Signal flow diagram

外來同頻干擾監(jiān)測系統(tǒng)的算法思想描述如下。

1）從基站天線實(shí)時(shí)接收空口信號，并將接收信號傳遞給從基站系統(tǒng)進(jìn)行處理。從基站天線接收的空口信號由主基站發(fā)送信號和外來同頻干擾組成。

2）從基站系統(tǒng)利用射頻域消除和數(shù)字域消除方法，將從基站接收信號中的本地主基站發(fā)送信號消除，獲得實(shí)時(shí)的外來同頻干擾信號。

3）從基站系統(tǒng)將實(shí)時(shí)的外來同頻干擾信號傳遞給本地干擾監(jiān)測系統(tǒng)，記錄每次強(qiáng)干擾的發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和信號強(qiáng)度，并統(tǒng)計(jì)指定時(shí)間內(nèi)強(qiáng)干擾信號的發(fā)生頻率。外來同頻干擾強(qiáng)度閾值預(yù)設(shè)為-50 dBm，持續(xù)時(shí)間閾值預(yù)設(shè)為10 s，發(fā)生頻率閾值預(yù)設(shè)為10次/min，具體閾值大小可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整。如果外來同頻干擾的強(qiáng)度大于-50 dBm，則將其視為強(qiáng)干擾；反之，則為弱干擾。

4）根據(jù)強(qiáng)干擾信號的持續(xù)時(shí)間和發(fā)生頻率，判斷站場環(huán)境中是否存在強(qiáng)干擾源。

5）如果強(qiáng)干擾信號的單次持續(xù)時(shí)間大于持續(xù)時(shí)間閾值或發(fā)生頻率大于發(fā)生頻率閾值，則判斷站場附近很可能存在強(qiáng)干擾源，本地干擾監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出強(qiáng)干擾告警指示。現(xiàn)場人員利用干擾定位測試儀復(fù)查、定位及消除強(qiáng)干擾源。

6）如果強(qiáng)干擾信號的單次持續(xù)時(shí)間小于持續(xù)時(shí)間閾值且發(fā)生頻率小于發(fā)生頻率閾值，則判斷站場附近沒有強(qiáng)干擾源，無需人工介入。

4 結(jié)論

在不改動(dòng)原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和熱備冗余機(jī)制的前提下，本文重新設(shè)計(jì)了車地?zé)o線通信系統(tǒng)方案，以車地?zé)o線通信系統(tǒng)的從設(shè)備為基礎(chǔ)，構(gòu)建外來同頻干擾監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)管鐵路站場環(huán)境中的外來同頻干擾。該方案在滿足車地?zé)o線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求的同時(shí)，既提高了系統(tǒng)從設(shè)備的利用率，又節(jié)約了用于搭建干擾監(jiān)測系統(tǒng)的硬件成本，在軌道交通領(lǐng)域具有一定潛在應(yīng)用價(jià)值。