鐵路GSM-R干擾模型及快速干擾識(shí)別與判定方法

劉 瑞，賽景波

(北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京 100124)

GSM－R是一種基于GSM技術(shù)的鐵路專用通信系統(tǒng)［1］，其與傳統(tǒng)的GSM技術(shù)相比最突出的特點(diǎn)是，除了能提供一系列鐵路語音通信業(yè)務(wù)外，還要能夠傳輸與列車操作、控制和保護(hù)相關(guān)的指令［2］，并且保證列車在500 km/h的情況下仍能夠進(jìn)行高可靠性、高接通率、高傳輸質(zhì)量的通信［3］。由此可以看出，GSM－R網(wǎng)絡(luò)是保證鐵路安全運(yùn)輸?shù)闹匾到y(tǒng)［4］。其通信的安全性和可靠性直接影響到我國鐵路、甚至整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。與此同時(shí)，隨著我國無線電通信的飛速發(fā)展，鐵路沿線的電磁環(huán)境已經(jīng)變得非常復(fù)雜，存在著多種通信的干擾。隨著我國高速鐵路的建設(shè)，傳統(tǒng)的依靠電務(wù)試驗(yàn)車的人工發(fā)現(xiàn)干擾的方法普遍存在著監(jiān)測時(shí)間長、反應(yīng)速度慢等弊端，已經(jīng)不能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)鐵路上的通信干擾，無法滿足高速鐵路模式下干擾監(jiān)測對于實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求。另一方面，GSM－R系統(tǒng)工作場景種類多樣，現(xiàn)場測試受人力物力影響較大［5］，所以提出一種新的方法用來補(bǔ)充和替代傳統(tǒng)的運(yùn)用人工來識(shí)別干擾的工作，以實(shí)現(xiàn)對于干擾的快速反應(yīng)與判定。

1 GSM－R的干擾源

根據(jù)中國無線電管理委員會(huì)的規(guī)定，GSM－R的使用頻率范圍為上行885～889 MHz，下行 930～934 MHz，而實(shí)際通信中，有很多因素可以干擾到相應(yīng)的頻帶。

1.1 CDMA帶外干擾

我國CDMA系統(tǒng)的下行頻段為870～880 MHz，與GSM－R系統(tǒng)的上行頻段之間只有5 MHz的保護(hù)帶。CDMA采用的是擴(kuò)頻通信技術(shù)，即把信號(hào)的頻譜擴(kuò)展到一個(gè)更寬的頻帶中去［6］，所以，CDMA系統(tǒng)的帶外信號(hào)有可能會(huì)落在GSM－R通帶范圍內(nèi)，當(dāng)其幅值達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)干擾到GSM－R通信，影響GSM－R的通話質(zhì)量。

1.2 GSM互調(diào)干擾

我國GSM 900M頻段的下行頻段為935～960 MHz，上行頻段為890～915 MHz，與GSM－R頻段非常接近，如果這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)布網(wǎng)不夠理想，導(dǎo)致兩個(gè)或多個(gè)GSM信號(hào)作為干擾信號(hào)同時(shí)加到GSM－R接收機(jī)時(shí)，由于非線性的作用，這些干擾信號(hào)的組合頻率有時(shí)會(huì)恰好等于或接近GSM－R信號(hào)頻率，當(dāng)其幅值達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)形成GSM互調(diào)干擾，影響GSM－R通信。目前中國移動(dòng)通信公司(CMCC)的GSM系統(tǒng)與鐵路 GSM－R系統(tǒng)之間的干擾已經(jīng)逐漸突顯出來［7］，其中三階互調(diào)最為嚴(yán)重。

1.3 高斯白噪聲干擾

高斯白噪聲是一種包含從負(fù)無窮到正無窮之間的所有頻率分量，且各頻率分量在信號(hào)中的權(quán)值相同的時(shí)變信號(hào)，當(dāng)高斯白噪聲的功率超過接收機(jī)的靈敏度時(shí)，會(huì)抬高接收機(jī)底噪，嚴(yán)重時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響GSM－R的正常通信。

1.4 其他干擾

實(shí)際通信中，還會(huì)存在由不理想布網(wǎng)造成的GSM－R同頻干擾、相鄰信道間的鄰頻干擾、非法運(yùn)營基站及大功率天線造成的非法干擾等影響GSM－R正常通信的干擾存在。

2 GSM－R監(jiān)測系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)硬件由天線、高頻接收模塊、第一級(jí)變頻器、中頻濾波器、第二級(jí)變頻器、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP處理器組成，其組成框圖如圖1所示。

圖1 GSM－R監(jiān)測系統(tǒng)硬件框圖

其中，高頻接收模塊用于接收GSM－R信號(hào)并對信號(hào)進(jìn)行放大處理，第一級(jí)變頻器用于對信號(hào)進(jìn)行變頻操作，輸出頻率為70 MHz的中頻信號(hào)，中頻濾波器用于對信號(hào)進(jìn)行濾波和調(diào)理，第二級(jí)變頻器用于對信號(hào)進(jìn)行二次變頻，輸出當(dāng)前GSM－R信號(hào)的零中頻IQ信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器對信號(hào)進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，并將輸出的數(shù)字信號(hào)送入DSP處理器，DSP調(diào)用存儲(chǔ)器中的信號(hào)頻域模板進(jìn)行干擾識(shí)別與判定。

3 GSM－R干擾的識(shí)別方法

3.1 GSM－R的信號(hào)模板

GSM－R時(shí)域信號(hào)是隨著調(diào)制信息的不同而變化的，發(fā)送不同的信息，其時(shí)域信號(hào)是不同的，所以GSM－R的時(shí)域信號(hào)不能夠作為信號(hào)模板來進(jìn)行比對。而GSM－R的頻譜是相對穩(wěn)定的，當(dāng)發(fā)送不同信息時(shí)，其頻譜包絡(luò)近乎恒定，所以可以視其頻域波形為GSM－R的信號(hào)模板。

GSM－R的信號(hào)頻域模板可以通過多次實(shí)際測量后進(jìn)行數(shù)據(jù)修正來生成模板，也可以通過MATLAB/Simulink來模擬生成模板，本文采用后者。由于GSM－R是基于GSM的一種通信方式，而GSM的調(diào)制方法為GMSK，所以，可以通過用Simulink來搭建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的GMSK調(diào)制模型來生成和模擬GSM－R信號(hào)。

3.2 GMSK調(diào)制模型的搭建

本模型如圖2所示，選用 Bernoulli Binary Generator(伯努利二進(jìn)制序列發(fā)生器)模塊產(chǎn)生原始輸入信號(hào);選用GMSK Modulator Baseband(基帶GMSK調(diào)制器)模塊對原始輸入信號(hào)進(jìn)行GMSK調(diào)制;選用Spectrum Scope(頻譜儀)來顯示GMSK調(diào)制后信號(hào)的頻譜;選用Complex to Real-Imag(復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)實(shí)部－虛部)模塊將復(fù)數(shù)輸入轉(zhuǎn)為實(shí)部和虛部輸出，以便于對GMSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行觀察;選用To Workspace(輸出至工作變量窗口)模塊將GMSK數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Workspace。

圖2 GMSK的調(diào)制模型

模擬生成的GMSK時(shí)域波形如圖3所示，模擬生成的GMSK頻域波形如圖4所示。通過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)修正即可生成GMSK模板。

圖3 GMSK時(shí)域波形

圖4 GMSK頻域波形

3.3 GSM－R干擾的識(shí)別方法

對于GSM－R的干擾識(shí)別，主要采用最基本的減法操作，處理效率高，識(shí)別速度快，其流程如圖5所示。

圖5 GSM－R干擾識(shí)別流程

對應(yīng)圖5中的步驟，具體流程如下。

(1)取N(本文中N=512)個(gè)GSM－R采樣數(shù)據(jù)組成的信號(hào)序列V，對V進(jìn)行快速傅里葉變換，得到N點(diǎn)頻域數(shù)據(jù)序列F，公式如下

其中，F(xiàn)k為頻域數(shù)據(jù)序列F的第k個(gè)數(shù)據(jù)，k=0，1，2，…，N－1;Vi為信號(hào)序列 V 的第 i個(gè)數(shù)據(jù)，i=0，1，2，…，N－1。

(2)將頻域數(shù)據(jù)序列F分成通信信號(hào)S和底部噪聲D兩個(gè)序列，分離原則如下

當(dāng)Fk＜C1時(shí)，F(xiàn)k存入底部噪聲序列D

當(dāng)Fk＞C1時(shí)，F(xiàn)k存入通信信號(hào)序列S

其中:數(shù)值C1為根據(jù)實(shí)際電磁情況設(shè)置的通信信號(hào)與底部噪聲的分離閾值，通常取值為無業(yè)務(wù)信道在沒有干擾情況下的底部噪聲最大值;D和S為固定大小序列，體積均為，超出部分舍棄，不足部分補(bǔ)零。

(3)計(jì)算底部噪聲序列D的平均值DAVR，判斷當(dāng)前底部噪聲是否有干擾。

當(dāng)DAVR≤C2時(shí)，說明當(dāng)前底部噪聲沒有被干擾

當(dāng)DAVR＞C2時(shí)，說明當(dāng)前底部噪聲受到干擾

其中，數(shù)值C2為根據(jù)實(shí)際電磁情況，設(shè)置的底部噪聲干擾識(shí)別閾值，通常取值為無業(yè)務(wù)信道在沒有干擾情況下的底部噪聲的平均值。

(5)將歸一化的通信信號(hào)序列～S與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻域模板序列Std的對應(yīng)數(shù)據(jù)相減后取絕對值，得到N 2點(diǎn)信號(hào)差值數(shù)據(jù)序列Sub1，公式如下

其中，Sub1k表示所述差值數(shù)據(jù)序列的第k個(gè)數(shù)據(jù)，k=0，1，2，…，1。

(6)將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻域模板序列Std與歸一化的通信信號(hào)序列～S做互相關(guān)計(jì)算，結(jié)果序列為COV。對標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻域模板Std做自相關(guān)，得到Std的自相關(guān)結(jié)果序列AUT。

(7)將所述的自相關(guān)結(jié)果序列AUT的每一個(gè)數(shù)據(jù)與所述的互相關(guān)結(jié)果序列COV的每一個(gè)數(shù)據(jù)相減后取絕對值，得到N點(diǎn)相關(guān)差值數(shù)據(jù)序列Sub2，公式如下

其中，Sub2m為相關(guān)差值數(shù)據(jù)序列Sub2的第m個(gè)數(shù)據(jù)，m=0，1，2，…，N－1。

(8)分別求取 Sub1和 Sub2的最大值 MS1和MS2，綜合考察MS1和MS2，判斷有沒有干擾。

①當(dāng)MS1＜C3且MS2＜C4時(shí)，則表明當(dāng)前信號(hào)沒有受到干擾。

②其他情況，則表明當(dāng)前信號(hào)受到干擾。

其中，數(shù)值C3、C4為根據(jù)實(shí)際電磁情況設(shè)置的閾值，C3、C4的取值直接關(guān)系到干擾識(shí)別的靈敏度，，其中A為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻域模板Std的最大值;B為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻域模板Std的平均值;C3、C4的取值越小，靈敏度越高。

4 GSM－R干擾的判定方法

對于GSM－R干擾的干擾類型判定，分為對底部噪聲部分干擾類型的判定和對通信信號(hào)部分的判定。

4.1 CDMA帶外干擾的判定

由于CDMA的滾降特性強(qiáng)于GMSK，所以一般只是CDMA的帶外成分會(huì)對GSM－R信號(hào)造成干擾，本文只討論這種一般情況。

當(dāng)GSM－R信號(hào)受到CDMA帶外頻率成分造成的干擾時(shí)，其頻譜波形如圖6所示。

圖6 CDMA帶外頻率成分干擾GSM－R時(shí)的情況

通過分析可以得知，由于CDMA頻段距GSM－R頻段有一定距離，其幅值已經(jīng)很微弱，所以其帶外頻率成分對GSM－R的通信信號(hào)造成的干擾不是很明顯，而對于更加微弱的底部噪聲造成的干擾則比較嚴(yán)重，底部噪聲被抬高。此種情況下的底部噪聲呈現(xiàn)出明顯的衰減特性，這是由于CDMA的頻段要低于GSM－R的頻段，在GSM－R接收機(jī)中濾波器的作用下，越遠(yuǎn)離中心頻率的信號(hào)，其幅值衰減越大，所以呈現(xiàn)出了圖6中的這種頻譜波形。

對于此種情況，對底部噪聲的判定需要考慮到整體的衰減特性，而對于通信信號(hào)部分，僅靠單純的與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻域模板序列Std做差值比對并不能準(zhǔn)確的判定為是CDMA干擾，需要進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

由圖6中可以看出，GSM－R通信信號(hào)受干擾情況并不嚴(yán)重，通過分析可以看出，將其與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻域模板序列Std做互相關(guān)，所得出的結(jié)果會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻域模板序列Std的自相關(guān)結(jié)果類似。綜上，可以得出對于CDMA帶外干擾的識(shí)別方法，當(dāng)同時(shí)滿足以下條件時(shí)，可以認(rèn)為是CDMA帶外頻率成分在對當(dāng)前通信系統(tǒng)進(jìn)行干擾:

4.2 GSM互調(diào)干擾的判定

當(dāng)GSM－R信號(hào)受到GSM互調(diào)成分造成的干擾時(shí)，其頻譜波形如圖7所示。由圖7可以看出，有一組GSM的頻率互調(diào)產(chǎn)物落到了距離當(dāng)前GSM－R載波200 kHz的地方，對當(dāng)前GSM－R造成了嚴(yán)重的干擾。

圖7 GSM互調(diào)成分干擾GSM－R時(shí)的情況

通過分析可以看出，由于GMSK信號(hào)在的頻譜帶寬為200 kHz，所以距離GSM－R載波的0～400 kHz的GSM－R信號(hào)均受到了干擾，而由于互調(diào)產(chǎn)物帶外頻率成分的影響，正常的GSM－R信號(hào)的底部噪聲也受到了干擾。

此種情況下，GSM－R通信信號(hào)受干擾情況非常嚴(yán)重，通過分析可以看出，將其與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻域模板序列Std做互相關(guān)，所得出的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻域模板序列Std的自相關(guān)結(jié)果會(huì)存在較大差異。綜上，可以得出對于GSM互調(diào)干擾的識(shí)別方法，當(dāng)同時(shí)滿足以下條件時(shí)，可以認(rèn)為是GSM的互調(diào)產(chǎn)物在對當(dāng)前通信系統(tǒng)進(jìn)行干擾:

4.3 高斯白噪聲干擾的判定

當(dāng)GSM－R信號(hào)受到高斯白噪聲造成的干擾時(shí)，其頻譜波形如圖8所示。由圖8可以看出，高斯白噪聲對于GSM－R通信信號(hào)的干擾比較弱，但是對于底部噪聲的干擾很強(qiáng)，可以看出底部噪聲被明顯抬高，于是對于底部噪聲的判定，可以看做是高斯白噪聲干擾識(shí)別的突破口。

圖8 高斯白噪聲干擾GSM－R時(shí)的情況

當(dāng)同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件時(shí)，可以認(rèn)為是高斯白噪聲在對當(dāng)前通信系統(tǒng)進(jìn)行干擾:

4.4 其他干擾

當(dāng)識(shí)別出有干擾時(shí)，通過判定，若均不滿足CDMA帶外干擾、GSM互調(diào)干擾、高斯白噪聲干擾的條件，則判定為其他干擾。下面舉例說明，如圖9所示情況。

圖9 單一頻率干擾GSM－R時(shí)的情況

圖9所示是一個(gè)釋放在距 GSM－R當(dāng)前載波100 kHz處的單頻干擾，由圖9可以看出，此時(shí)底部噪聲正常，通信信號(hào)部分有很明顯的干擾。通過比對實(shí)際通信信號(hào)S與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻域模板序列Std，可以準(zhǔn)確表現(xiàn)出干擾的存在，而由于干擾信號(hào)帶寬較窄，所以通過比對自相關(guān)結(jié)果序列AUT與互相關(guān)結(jié)果序列COV并不能準(zhǔn)確描述出此種干擾，于是此種干擾并不能被準(zhǔn)確的劃分為是CDMA帶外干擾、GSM互調(diào)干擾、高斯白噪聲干擾中的某一種，所以，將以上三種干擾以外的干擾，統(tǒng)一識(shí)別為其他干擾。

5 結(jié)論

本文在分析了常見GSM－R干擾類型的基礎(chǔ)上，提出了3種GSM－R干擾的典型模型，并基于最基本的減法運(yùn)算，創(chuàng)新性地提出了一種快速地GSM－R干擾識(shí)別與判定的方法，且該方法可以根據(jù)實(shí)際電磁情況靈活地設(shè)置閾值，以達(dá)到所需的靈敏度，相對于固定閾值的方法，適應(yīng)性較好。該方法可對GSM－R系統(tǒng)的常見干擾進(jìn)行快速的識(shí)別與判定，但對于CDMA系統(tǒng)干擾GSM－R系統(tǒng)的情況，目前本文所述方法只能識(shí)別出CDMA帶外干擾這一種情況。

同時(shí)，將鐵路GSM－R干擾的識(shí)別擴(kuò)展到了通信信號(hào)和底部噪聲兩個(gè)層次，相對于只看重通信信號(hào)層次進(jìn)行干擾識(shí)別來說，無疑會(huì)使干擾判定更加準(zhǔn)確。對于DSP這種專用于高速運(yùn)算的芯片來說，基本的減法運(yùn)算有效地降低了識(shí)別流程的復(fù)雜度，計(jì)算更加迅速，使得干擾的快速識(shí)別與判定更加容易實(shí)現(xiàn)，也更加有益于進(jìn)一步的定位干擾與消除干擾。同時(shí)，由于采用可編程處理芯片完成干擾識(shí)別與判定的功能，極大地降低了硬件成本，經(jīng)濟(jì)效果突出。

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