鐵路GSM-R系統電磁環境測試探討

摘要：隨著我國高鐵的飛速發展，GSM-R系統不僅承載了鐵路的語音數據通信需求，還承擔著列控系統的數據傳輸任務。電磁環境測試是保障鐵路GSM-R系統安全穩定運行的重要手段，隨著無線通信技術的發展，鐵路GSM-R系統電磁環境測試需要與時俱進。鑒于此，從頻譜測試、掃頻測試、定點測試三個方面對鐵路目前使用的幾種檢測手段進行了分析。

關鍵詞：鐵路;GSM-R系統;電磁環境;測試

0? ? 引言

我國鐵路無線通信采用GSM-R移動通信系統，近年來已在各條新建鐵路上廣泛應用。GSM-R系統運營以來達到了預期的功能要求，網絡質量基本穩定，在提高我國鐵路運輸效率、保證鐵路運輸安全方面起到了重要作用。但GSM-R為2G數字移動通信系統，抗干擾能力較差，與GSM網絡一樣在傳播過程中易受外界多種因素影響，同時由于GSM-R系統網絡中設備本身的非線性、設備故障等因素影響，GSM-R通信系統在實際開通和使用中經常會受到外部干擾，導致業務應用質量和網絡性能指標下降。電磁環境本身是看不見、摸不著的，只有通過適當的檢測手段才能發現，因此，進行GSM-R電磁環境測試是排查、解決干擾問題的一個重要手段。

目前GSM-R系統存在的干擾主要包括兩個方面：外網基站信號干擾和GSM-R網內干擾。過去我們用的較多的是頻譜檢測，這在模擬通信時代還可以，到了數字通信時代有些信息也很難發現或不能發現與確認。下面根據鐵路目前使用的幾種檢測手段來說明鐵路GSM-R網電磁環境測試情況。

1? ? 頻譜測試

目前GSM-R電磁環境測試主要分為兩個階段：第一個階段是在新建線路調試開通前對鐵路沿線的電磁環境進行定點檢測，摸排全線電磁環境使用情況，記錄每個新建基站附近的頻譜使用情況，此階段主要用于申請頻率許可及臺站設置工作。第二個階段是在線路開通之后，傳統的頻譜儀已經不適用于高速移動的列車，應使用掃描速度更高的實時頻譜儀進行測試。

實時頻譜儀2010年開始進入中國，但很快就被西方國家禁運，2012年美國解禁后開始正式在鐵路市場應用。實時頻譜儀的檢測速度為納秒級，因此可以發現很多突發或短時間的電波干擾，通過出現時間概率用不同顏色在屏幕上顯示頻譜波形，如圖1所示。而普通頻譜儀頻譜圖如圖2所示。

圖3是對某條線路利用實時頻譜儀進行的電磁環境測試情況，過去在該區間進行服務質量測試時有時會出現7級通信質量。

在實時頻譜儀看到的頻譜有很多脈沖干擾，如使用傳統頻譜儀只能看到整體電平抬高，不會知道具體原因。通過向鐵路局了解，該處附近有一個軍用機場，故判斷這個脈沖干擾應該是雷達輻射造成的。

GSM-R系統是GSM技術在鐵路系統的延伸與發展，故GSM-R系統的頻譜波形和GSM一樣為200 kHz的帶寬。GSM技術是時分多址系統，除了BCCH信道，其他信道出現電平的時間概率最多也就百分之十幾，對于出現時間很短的信號傳統頻譜儀很難抓住。

在GSM-G網絡剛開始建設的時候，中國鐵路和中國移動是按區域共用GSM-R網絡的4 MHz頻段，早些年由于移動運營商未根據新建鐵路的區域調整自己的頻段，經常會發現運營商占用鐵路4 MHz頻點的情況。如果直接占用BCCH或TCH，利用傳統頻譜儀很容易就能發現。但移動運營商的GSM信號很多時候采用跳頻方式，電平出現時間只有幾十毫秒，使用傳統頻譜儀可能看不到或看不全，即使能夠記錄下頻譜圖也很難查到信號來源。圖4是用實時頻譜儀在鐵路線上檢測到的曲線展示，其中非常淺色的波形就是GSM跳頻頻譜（出現的時間短）。

2013年某高鐵就發現了圖4的跳頻頻譜，使用便攜頻譜儀查找未發現干擾存在，采用實時頻譜儀發現了該問題，通過與移動運營商交涉該處干擾得到消除。除了使用實時頻譜儀發現跳頻干擾外，還可采用掃頻檢測確認具體的小區號，更有效地要求違規單位與個人及時進行處理，保障鐵路運行安全。

近年來，隨著高鐵的大力發展，加上移動運營商逐步縮小2G業務范圍，目前很少再發現移動運營商GSM系統占用鐵路GSM-R頻段的情況。但是隨著通信技術的發展，4G技術開始在全國應用，鐵路沿線的公網覆蓋也是移動運營商的重點。由于是新技術，有些地區的運營商做了一些試驗性的組網，甚至有些地區出現過違規占用鐵路GSM-R網絡頻點進行試驗的情況。

圖5反映了某C2線路在切換前突然出現400 m的C/I（載干比）下降和通信質量惡化。

對該線路進行了實時頻譜測試，發現在這個區間，在鐵路GSM-R頻段內整體存在較高的電平展現，對鐵路GSM-R網絡造成了干擾，如圖6所示。

從頻譜圖上根據4G寬帶頻譜進行判斷，基本考慮為運營商LTE信號的干擾。由于占用了鐵路GSM-R網絡的全頻段，該線路區段的GSM-R信號只要覆蓋電平值稍弱都會受到干擾。

隨著4G的發展以及900 MHz頻段的重耕，今后類似干擾可能會更多，必須改善檢測和解決的手段。

圖7是一個外網基站頻率特性不好的案例。從實時頻譜上看移動運營商的基站輻射特性出現很大問題，帶外抑制太差，影響到了GSM-R通信服務質量。

從實時頻譜數據不僅看到了移動運營商設備的特性劣化，而且也看到對鐵路GSM-R網絡的影響程度，如果單單采用傳統頻譜儀則只能看到一段高電平頻譜，無法直觀反映出運營商設備的故障。該問題在向當地運營商提出后很快得到解決。

同樣，該手段也可以發現鐵路自身GSM-R網基站的特性變化，圖8就是某條線路基站的頻譜圖，也是帶外抑制惡化。

本網的帶外特性惡化對本網只是影響小區附近的通信質量，這在實際的網絡測試曲線中也得到了證實，C/I（載干比）不滿足要求，通信質量大約有4～5級質差，如圖9所示。

近年來鐵路沿線造成影響最多的干擾不是外網違規占用頻點造成的，主要是鐵路GSM-R設備自身缺陷以及鐵路沿線部分區段存在弱場覆蓋等情況造成了外網信號干擾，包括大信號阻塞和三階互調，這類干擾都可以通過實時頻譜測試來發現。

2? ? 掃頻測試

GSM-R系統電磁環境測試方法目前常用的還有掃頻測試，特別是在查找外網占用和本網頻率設置問題上比較有效。前面提到對于外網占用鐵路G網的干擾從頻譜上不能很快分出來，需要結合基站數據庫對照判斷，如使用掃頻方式即可明確地知道干擾網絡屬性。

圖10是對某一條普速鐵路的掃頻檢測數據，可以看到在這個位置有多個頻點被中國移動的網絡占用（MNC=0），盡管有些頻點電平不高，但這些都是違規占用，必須要求違規單位關閉。

圖11是某C3線路掃頻測試結果。從檢測數據中看到，中國移動的網絡（MNC=0）違規占用了鐵路GSM-R網絡頻點，同樣一個小區的信號（CI=28354）在鐵路沿線延續了近100 km，什么小區要覆蓋這么遠？不論出于什么目的，移動運營商占用了鐵路的網絡頻點肯定是違規的，需要向當地運營商和無線電管理機構反映并解決。

目前中國移動公司基本已退出GSM-R頻段，但在某些地區出現了中國聯通大量占用鐵路GSM-R頻點的現象。

圖12的檢測數據反映了MNC=1的聯通小區也占用了鐵路頻點，在全國的鐵路線這樣的占用曾多次被發現，大部分是在普速線路（高鐵線路也有，但較少）。

由以上數據可以看到，移動運營商占用鐵路GSM-R頻點不是個別現象，鐵路相關部門要引起重視，在日常運營中對電磁環境進行廣泛性、經常性的測試。

目前一般的掃頻儀表只能發現運營商占用BCCH頻點，對于占用鐵路GSM-R網絡的TCH頻點需要定制掃頻設備來測試。根據GSM網絡的要求，在空閑狀態下基站BCCH信道定期傳送系統消息，其中消息類型1包括小區信道描述，包含了該小區的所有頻點。圖13就是通過定制設備在移動運營商的網絡中發現占用了鐵路1010頻點。

綜上所述，通過采用有效的檢測手段，可以發現其他運營商違規占用鐵路頻點的現象，有利于相關運營維護人員分析解決GSM-R網絡質量出現的相關問題。

3? ? 定點測試

以上提到的電磁環境檢測基本是在線路開通后通過動態監測實現的，目前在線路開通前也會進行定點測試，也有一些鐵路局在日常維護中進行過地面定點的電磁環境測試，但具體效果不是十分理想。雖然國家無線電管理機構在全國都開展了地面棋盤式的電磁環境監測，但鐵路與其他部門不一樣，全線開展大規模的定點監測不太現實，可以根據具體情況在需要的區間進行定點監測。

定點監測主要是采用傳統頻譜儀進行測試，也可輔以掃頻儀、定向天線，共同準確定位。該種手段為傳統的測試方法，前文已有描述，不再贅述。

目前對鐵路影響很大的還有一種干擾——多徑干擾，如圖14所示，主要是多徑干擾的上行路徑即基站處受到的影響最大，因此可以利用傳統頻譜儀測試手段開展多徑干擾問題區間的地面監測。軟件無線電技術和大數據分析可以采集無線系統底層信息，從這些信息中解出同一信號經過不同路徑到達監測點的時延和電平幅度，根據多徑干擾的風險門限（如時延大于12 μs，電平差大于9 dB）提出告警。

由于技術限制，非專業人員很難實現這些功能，而電磁環境監測的專業人員對鐵路的特殊情況了解不夠，經常是付出了勞動，效果卻不明顯。由于解決問題的針對性不強，得不到維護單位的支持，有技術也不能實施。因此，鐵路沿線地面定點監測的技術手段和相關設備還需持續改進。

目前很多鐵路局已經逐步在地面安裝空口監測設備，主要安裝在人口密集或容易受干擾的特定區段。通過技術手段的提升，爭取把空口監測與電磁環境監測結合起來，就不僅可以分清責任還能確定問題的原因，幫助責任部門解決問題。

4? ? 結語

隨著無線通信技術的快速發展，4G、5G系統也準備逐步應用于鐵路行業，鐵路運營對無線通信系統的依賴也越來越大。無線通信的電磁環境問題應得到鐵路管理部門高度重視，建議鐵路的無線電管理部門盡快針對鐵路GSM-R系統制定詳細的電磁環境測試方案和管理辦法，盡早發現存在的問題，并及時解決，保證鐵路運輸安全。

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收稿日期：2020-05-13

作者簡介：顧仁杰（1981—），男，江蘇南通人，工程師，研究方向：無線通信。