基于GSM-R的鐵路移動通信頻譜特性及干擾分析

摘要：GSM-R是在鐵路通信領域廣泛應用的鐵路數字通信系統，也是鐵路通信的專用平臺，同時也是鐵路運行的神經中樞。我國于2000年底將GSM-R鐵路移動通信系統作為鐵路運輸的專用通信方式，GSM-R鐵路移動通信保障了列車的安全運行。近年來，隨著各類無線通信設備的增多和鐵路沿線周邊電磁環境的日益復雜，基于GSM-R的鐵路移動通信所面臨的干擾問題也日趨嚴重，對列車運行造成了重大安全隱患。針對這一問題，本文結合鐵路移動通信應用中的電磁環境，從GSM-R通信頻譜特性的角度入手，研究了GSM-R的通信頻譜特性，并重點對GSM-R鐵路移動通信過程進行了干擾分析，包括干擾源分析、干擾檢測技術的改進以及抗干擾技術的優化，致力于解決鐵路移動通信中的干擾問題。

關鍵字：GSM-R；鐵路移動通信頻譜；GSM-R干擾分析；干擾檢測技術

隨著我國高速鐵路建設的不斷發展，對于GSM-R網絡基站的需求也日益增長。然而，由于各種干擾因素的存在，GSM-R通信網絡的正常運行受到了一定程度的影響。因此，如何有效地處理干擾問題，提高通信系統的穩定性和實時性，成為無線電管理部門亟須解決的重要問題。

本文旨在通過對GSM-R鐵路通信系統的頻譜特性進行分析，探討干擾源對通信系統傳輸性能的影響，并提出相應的抗干擾措施。首先，需要了解GSM-R網絡基站的需求量與高速鐵路建設規模的關系，以及干擾對通信質量的影響。其次，將分析各種干擾源對GSM-R通信系統的干擾特點，并針對不同的干擾源提出相應的處理方法。最后，總結所提出的抗干擾措施，并展望未來在這一領域的研究方向。

一、研究背景及現狀

綜合來看，GSM-R鐵路移動通信系統在目前國內外的高速和普速鐵路中廣泛使用，并在國內外主流的鐵路移動通信平臺中發揮主要作用。相比傳統的鐵路移動通信技術，GSM-R能夠以面向乘客的形式，幫助乘客通過鐵路移動通信系統接入互聯網，提供更穩定、可靠和高速的通信服務。

隨著我國無線電技術的快速發展，鐵路沿線電磁環境也越來越復雜，給通信系統帶來了一定程度的干擾。同時，隨著各類無線通信設備的增多，鐵路通信干擾問題也日益嚴重[1]。目前，GSM-R鐵路移動通信中的干擾源主要包括CDMA帶外干擾、GSM互調干擾、高斯白噪聲以及其他同頻和鄰頻干擾。這些干擾源嚴重影響了列車通信質量，如果處理不當，將對列車運行的安全性造成嚴重破壞。自2009年以來，隨著高速鐵路運行速度的提升，高鐵逐漸成為人們出行的首選交通工具。在鐵路安全領域中，高鐵的安全運行也成為各鐵路部門和單位關注的重點。通信調度是安全運行的重要環節之一[1]。目前，國內外的研究主要著重于GSM-R鐵路移動通信系統的干擾源問題，而對于頻譜特性方面的研究較少。本文針對移動通信中的干擾源問題進行了研究，并對鐵路沿線的特定環境進行了抗干擾分析。這兩部分內容在文章的第三章詳細介紹。

在英國鐵路公司Network Rail通過對倫敦附近鐵路終端設備的測試中，發現經常發生通信掉話的問題。通過改善接收機性能，能夠降低附近基站對鐵路通信造成的干擾[2]。借鑒發達國家高速鐵路建設的相關經驗，同時結合我國鐵路建設的情況，我國研制了先進的檢測設備，用于周期性動態檢測鐵路基礎設施。

全球鐵路通信系統的建設使中國能夠充分利用國外成功的鐵路建設優勢，整合自己的技術結構，擴大規模，并促進現代化發展[1]。正在短期內積極實現變革。當前，我國的主要設施已達到或接近國際水平，以更好地滿足社會和國家經濟發展的需求，讓我國的主要設施達到甚至超越國際水平。

二、GSM-R鐵路移動通信系統

GSM-R鐵路移動通信技術最初應用于歐洲，其工作核心是2G無線通信。在2000年底，我國將GSM-R鐵路無線通信系統正式確定為鐵路專用通信的重點研究方向。隨著我國鐵路通信里程的進一步增加，鐵路運輸將呈現高運輸密度和高復雜度的特點。未來，GSM-R在鐵路通信領域將迎來更廣闊的發展。

（一）GSM-R網絡系統總體結構

GSM-R系統是鐵路信息化的數字交互平臺，為鐵路安全運輸提供保障。GSM-R系統核心部分包括平臺系統和終端設備。平臺系統包括網絡子系統（NSS）、基站子系統（BSS）及運行和業務支撐子系統（OSS/BSS）。終端設備主要包括鐵路各管理機構、安裝在鐵路沿線的通信接收設備，以及區間電話和接收機等。

三、GSM-R鐵路移動通信頻譜特性和干擾分析

（一）GSM-R網絡的頻譜特性

在GSM-R鐵路移動通信系統的1000-1018的頻道序號中，實際可用的頻道數量為19個，頻道序號999和1019被用作通信中的隔離保護而不可用。因此，GSM-R系統將按照等間隔的方式在4MHz的帶寬上配置頻道進行傳輸工作[3]。GSM-R系統的鄰頻間隔為0～200KHz，并設置了收發頻率間隔為45MHz，以增加鄰近區段的保護區間。頻道編號和頻道中心頻率的關系如下式所示：

F移動臺=885+（N-999）×0.2MHz（上行）

F基站=930+（N-999）×0.2MHz（下行）

（其中，1000≤N≤1018）

圖2、圖3是GSM-R上行和下行頻段頻譜特性圖。

從頻譜掃描圖中可以看出，GSM-R系統采用的無線頻段為下行930MHZ至934MHZ，上行885MHZ至889MHZ。GSM-R系統上行頻段的頻譜波動性較低且頻率較低。一般來說，基站的功率要遠高于接收機的功率，因此當遠離基站時，只有增強接收機的上行功率才能對信號進行解析。然而，在鐵路專網中仍然面臨著專網頻譜利用率低的問題，目前的解決方式是通過CRN的方式實現。

（二）GSM-R鐵路移動通信抗干擾分析

作為鐵路專用通信系統，GSM-R不可避免地會遇到干擾的問題。干擾問題對通信網絡造成極大的影響，會導致傳輸質量下降，進而影響到列控業務和語音通信，甚至可能對列車的安全運行產生重大影響。GSM-R系統主要遇到的信號干擾包括同頻干擾和鄰頻干擾等問題[8]。

1.干擾源分析

工作頻率900MHz的頻段主要適用于時速達到500KM/H的GSM-R通信系統，能有效抵抗一些較低頻率的干擾，例如在隧道等場景中的通信，能有效保證高速列車的通信質量[1]。GSM-R系統信號干擾來自系統內部以及電信、移動等運營商的信號干擾?？梢允褂脪哳l儀或者TEMS對GSM-R信號頻段進行清頻測試，如果發現底噪異常升高的路段，及時進行排查，并對干擾源進行處理[4]。

CDMA作為一種擴頻通信技術，其通信信號（85～935MHz）可能會與GSM-R通信頻段重疊。當CDMA基站功率較大或者信號幅值達到一定程度時，會對GSM-R通信造成干擾，導致通信中斷甚至對列車的安全構成隱患。

互調干擾也嚴重影響著鐵路通信。對于鐵路移動通信而言，三階互調是主要的干擾形式，其中又以兩信號的三階互調的影響最大。接收機的互調干擾，可折算為同頻道干擾來估算其對通信的影響，即為了保證一定的接收信號質量，應當滿足：

PIM=2A+3B+C2，3-60lg（1/?f）

式中A和B分別為在接收機輸入端收到的來自各干擾發射機的功能，1/?f是GSM-R系統中干擾頻率和同步接收機頻率偏離程度的平均值（單位為MHz），C2，3是兩兩通信信號中的三階互調常數，其值大約為-10dB。

要對GSM-R鐵路移動通信系統進行干擾分析，首先需要明確不同的干擾源以及系統對不同干擾源的應對方法。目前，各電信運營商正在針對工作頻率約為900MHz的頻段進行清理工作，因此GSM-R系統同頻干擾較少。監測重點主要集中在阻塞干擾和互調干擾[6]。

2.干擾檢測

針對GSM-R通信系統進行分析時，應該優先考慮同頻干擾。在對干擾源進行定位時，常用的檢測技術包括底噪分析和信令查詢。各種檢測技術依據使用環境的不同各有優劣。雖然互調干擾檢測方法準確性高，但存在著檢測復雜度高和成本較高的問題[7]。造成GSM-R通信系統內部同頻干擾的主要原因是其頻點資源較少，同時在鐵路的設計和施工過程中，不同的建設單位和人員也會導致頻率復用不合理的現象。因此，首先應建立起GSM-R頻率的保護長效機制，然后通過建立針對其頻率資源的監測專用網絡，來進行快速的響應和分析。

3.GSM-R網絡干擾數據分析

GSM-R網絡數據干擾數據的提取，首先應當建立干擾數據模型。然后，通常通過頻譜儀和掃描儀對數據進行特征提取[8]。具體的措施包括對通信系統接口數據的檢測，基站和公里標的關聯等。獲取的數據需要進一步提取特征值，并與訓練數據一起用于模型和算法的訓練。同時，應將數據的一部分作為對比數據集，通過調整模型的參數來達到預期的效果。在訓練模型時，采用決策樹算法可以最大程度上對模型進行訓練[9]。最后，根據GSM-R網絡自動檢測模型，可以粗略計算出干擾的數據量，從而進行準確的數據分析。根據分析結果，可以選擇適合的干擾檢測方法[10]。

四、結束語

隨著我國高速列車的建設規模越來越大，對GSM-R網絡基站的需求也越來越大，因此需要建設更多的基站。為了保證GSM-R通信的正常運行，無線電管理部門的任務也越來越艱巨[8]。干擾是影響GSM-R通信網絡正常運行的重要因素之一，主要原因是其他信號頻率的占用，導致有用信號接收質量下降[7]。通過制定解決GSM-R干擾的方法，提高處理干擾的響應速度，縮短對干擾的處理時間，不僅能保證通信質量，還能提高移動通信的實時性。通過對GSM-R頻譜特性進行分析，在不同干擾源和復雜環境下采用GSM-R干擾處理方法，有效提升鐵路GSM-R通信的穩定性和實時性。本文研究了GSM-R鐵路通信系統的頻譜特性、分析了抗干擾性能，并重點研究了不同干擾源對通信系統傳輸性能的影響，同時給出了GSM-R鐵路移動通信中的抗干擾措施。

作者單位：王東 李華夏 高興昌 甘肅省無線電監測站

參考文獻

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