鐵路GSM-R系統(tǒng)電磁環(huán)境測試探討

摘要：隨著我國高鐵的飛速發(fā)展，GSM-R系統(tǒng)不僅承載了鐵路的語音數(shù)據(jù)通信需求，還承擔(dān)著列控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。電磁環(huán)境測試是保障鐵路GSM-R系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，鐵路GSM-R系統(tǒng)電磁環(huán)境測試需要與時(shí)俱進(jìn)。鑒于此，從頻譜測試、掃頻測試、定點(diǎn)測試三個(gè)方面對(duì)鐵路目前使用的幾種檢測手段進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：鐵路;GSM-R系統(tǒng);電磁環(huán)境;測試

0? ? 引言

我國鐵路無線通信采用GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)，近年來已在各條新建鐵路上廣泛應(yīng)用。GSM-R系統(tǒng)運(yùn)營以來達(dá)到了預(yù)期的功能要求，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量基本穩(wěn)定，在提高我國鐵路運(yùn)輸效率、保證鐵路運(yùn)輸安全方面起到了重要作用。但GSM-R為2G數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，抗干擾能力較差，與GSM網(wǎng)絡(luò)一樣在傳播過程中易受外界多種因素影響，同時(shí)由于GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備本身的非線性、設(shè)備故障等因素影響，GSM-R通信系統(tǒng)在實(shí)際開通和使用中經(jīng)常會(huì)受到外部干擾，導(dǎo)致業(yè)務(wù)應(yīng)用質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)下降。電磁環(huán)境本身是看不見、摸不著的，只有通過適當(dāng)?shù)臋z測手段才能發(fā)現(xiàn)，因此，進(jìn)行GSM-R電磁環(huán)境測試是排查、解決干擾問題的一個(gè)重要手段。

目前GSM-R系統(tǒng)存在的干擾主要包括兩個(gè)方面：外網(wǎng)基站信號(hào)干擾和GSM-R網(wǎng)內(nèi)干擾。過去我們用的較多的是頻譜檢測，這在模擬通信時(shí)代還可以，到了數(shù)字通信時(shí)代有些信息也很難發(fā)現(xiàn)或不能發(fā)現(xiàn)與確認(rèn)。下面根據(jù)鐵路目前使用的幾種檢測手段來說明鐵路GSM-R網(wǎng)電磁環(huán)境測試情況。

1? ? 頻譜測試

目前GSM-R電磁環(huán)境測試主要分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是在新建線路調(diào)試開通前對(duì)鐵路沿線的電磁環(huán)境進(jìn)行定點(diǎn)檢測，摸排全線電磁環(huán)境使用情況，記錄每個(gè)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(tái)站設(shè)置工作。第二個(gè)階段是在線路開通之后，傳統(tǒng)的頻譜儀已經(jīng)不適用于高速移動(dòng)的列車，應(yīng)使用掃描速度更高的實(shí)時(shí)頻譜儀進(jìn)行測試。

實(shí)時(shí)頻譜儀2010年開始進(jìn)入中國，但很快就被西方國家禁運(yùn)，2012年美國解禁后開始正式在鐵路市場應(yīng)用。實(shí)時(shí)頻譜儀的檢測速度為納秒級(jí)，因此可以發(fā)現(xiàn)很多突發(fā)或短時(shí)間的電波干擾，通過出現(xiàn)時(shí)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(duì)某條線路利用實(shí)時(shí)頻譜儀進(jìn)行的電磁環(huán)境測試情況，過去在該區(qū)間進(jìn)行服務(wù)質(zhì)量測試時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)7級(jí)通信質(zhì)量。

在實(shí)時(shí)頻譜儀看到的頻譜有很多脈沖干擾，如使用傳統(tǒng)頻譜儀只能看到整體電平抬高，不會(huì)知道具體原因。通過向鐵路局了解，該處附近有一個(gè)軍用機(jī)場，故判斷這個(gè)脈沖干擾應(yīng)該是雷達(dá)輻射造成的。

GSM-R系統(tǒng)是GSM技術(shù)在鐵路系統(tǒng)的延伸與發(fā)展，故GSM-R系統(tǒng)的頻譜波形和GSM一樣為200 kHz的帶寬。GSM技術(shù)是時(shí)分多址系統(tǒng)，除了BCCH信道，其他信道出現(xiàn)電平的時(shí)間概率最多也就百分之十幾，對(duì)于出現(xiàn)時(shí)間很短的信號(hào)傳統(tǒng)頻譜儀很難抓住。

在GSM-G網(wǎng)絡(luò)剛開始建設(shè)的時(shí)候，中國鐵路和中國移動(dòng)是按區(qū)域共用GSM-R網(wǎng)絡(luò)的4 MHz頻段，早些年由于移動(dòng)運(yùn)營商未根據(jù)新建鐵路的區(qū)域調(diào)整自己的頻段，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)運(yùn)營商占用鐵路4 MHz頻點(diǎn)的情況。如果直接占用BCCH或TCH，利用傳統(tǒng)頻譜儀很容易就能發(fā)現(xiàn)。但移動(dòng)運(yùn)營商的GSM信號(hào)很多時(shí)候采用跳頻方式，電平出現(xiàn)時(shí)間只有幾十毫秒，使用傳統(tǒng)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(hào)來源。圖4是用實(shí)時(shí)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(xiàn)的時(shí)間短）。

2013年某高鐵就發(fā)現(xiàn)了圖4的跳頻頻譜，使用便攜頻譜儀查找未發(fā)現(xiàn)干擾存在，采用實(shí)時(shí)頻譜儀發(fā)現(xiàn)了該問題，通過與移動(dòng)運(yùn)營商交涉該處干擾得到消除。除了使用實(shí)時(shí)頻譜儀發(fā)現(xiàn)跳頻干擾外，還可采用掃頻檢測確認(rèn)具體的小區(qū)號(hào)，更有效地要求違規(guī)單位與個(gè)人及時(shí)進(jìn)行處理，保障鐵路運(yùn)行安全。

近年來，隨著高鐵的大力發(fā)展，加上移動(dòng)運(yùn)營商逐步縮小2G業(yè)務(wù)范圍，目前很少再發(fā)現(xiàn)移動(dòng)運(yùn)營商GSM系統(tǒng)占用鐵路GSM-R頻段的情況。但是隨著通信技術(shù)的發(fā)展，4G技術(shù)開始在全國應(yīng)用，鐵路沿線的公網(wǎng)覆蓋也是移動(dòng)運(yùn)營商的重點(diǎn)。由于是新技術(shù)，有些地區(qū)的運(yùn)營商做了一些試驗(yàn)性的組網(wǎng)，甚至有些地區(qū)出現(xiàn)過違規(guī)占用鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)頻點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)的情況。

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

對(duì)該線路進(jìn)行了實(shí)時(shí)頻譜測試，發(fā)現(xiàn)在這個(gè)區(qū)間，在鐵路GSM-R頻段內(nèi)整體存在較高的電平展現(xiàn)，對(duì)鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)造成了干擾，如圖6所示。

從頻譜圖上根據(jù)4G寬帶頻譜進(jìn)行判斷，基本考慮為運(yùn)營商LTE信號(hào)的干擾。由于占用了鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的全頻段，該線路區(qū)段的GSM-R信號(hào)只要覆蓋電平值稍弱都會(huì)受到干擾。

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

圖7是一個(gè)外網(wǎng)基站頻率特性不好的案例。從實(shí)時(shí)頻譜上看移動(dòng)運(yùn)營商的基站輻射特性出現(xiàn)很大問題，帶外抑制太差，影響到了GSM-R通信服務(wù)質(zhì)量。

從實(shí)時(shí)頻譜數(shù)據(jù)不僅看到了移動(dòng)運(yùn)營商設(shè)備的特性劣化，而且也看到對(duì)鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的影響程度，如果單單采用傳統(tǒng)頻譜儀則只能看到一段高電平頻譜，無法直觀反映出運(yùn)營商設(shè)備的故障。該問題在向當(dāng)?shù)剡\(yùn)營商提出后很快得到解決。

同樣，該手段也可以發(fā)現(xiàn)鐵路自身GSM-R網(wǎng)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(wǎng)的帶外特性惡化對(duì)本網(wǎng)只是影響小區(qū)附近的通信質(zhì)量，這在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)測試曲線中也得到了證實(shí)，C/I（載干比）不滿足要求，通信質(zhì)量大約有4～5級(jí)質(zhì)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(wǎng)違規(guī)占用頻點(diǎn)造成的，主要是鐵路GSM-R設(shè)備自身缺陷以及鐵路沿線部分區(qū)段存在弱場覆蓋等情況造成了外網(wǎng)信號(hào)干擾，包括大信號(hào)阻塞和三階互調(diào)，這類干擾都可以通過實(shí)時(shí)頻譜測試來發(fā)現(xiàn)。

2? ? 掃頻測試

GSM-R系統(tǒng)電磁環(huán)境測試方法目前常用的還有掃頻測試，特別是在查找外網(wǎng)占用和本網(wǎng)頻率設(shè)置問題上比較有效。前面提到對(duì)于外網(wǎng)占用鐵路G網(wǎng)的干擾從頻譜上不能很快分出來，需要結(jié)合基站數(shù)據(jù)庫對(duì)照判斷，如使用掃頻方式即可明確地知道干擾網(wǎng)絡(luò)屬性。

圖10是對(duì)某一條普速鐵路的掃頻檢測數(shù)據(jù)，可以看到在這個(gè)位置有多個(gè)頻點(diǎn)被中國移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)占用（MNC=0），盡管有些頻點(diǎn)電平不高，但這些都是違規(guī)占用，必須要求違規(guī)單位關(guān)閉。

圖11是某C3線路掃頻測試結(jié)果。從檢測數(shù)據(jù)中看到，中國移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)（MNC=0）違規(guī)占用了鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)頻點(diǎn)，同樣一個(gè)小區(qū)的信號(hào)（CI=28354）在鐵路沿線延續(xù)了近100 km，什么小區(qū)要覆蓋這么遠(yuǎn)？不論出于什么目的，移動(dòng)運(yùn)營商占用了鐵路的網(wǎng)絡(luò)頻點(diǎn)肯定是違規(guī)的，需要向當(dāng)?shù)剡\(yùn)營商和無線電管理機(jī)構(gòu)反映并解決。

目前中國移動(dòng)公司基本已退出GSM-R頻段，但在某些地區(qū)出現(xiàn)了中國聯(lián)通大量占用鐵路GSM-R頻點(diǎn)的現(xiàn)象。

圖12的檢測數(shù)據(jù)反映了MNC=1的聯(lián)通小區(qū)也占用了鐵路頻點(diǎn)，在全國的鐵路線這樣的占用曾多次被發(fā)現(xiàn)，大部分是在普速線路（高鐵線路也有，但較少）。

由以上數(shù)據(jù)可以看到，移動(dòng)運(yùn)營商占用鐵路GSM-R頻點(diǎn)不是個(gè)別現(xiàn)象，鐵路相關(guān)部門要引起重視，在日常運(yùn)營中對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行廣泛性、經(jīng)常性的測試。

目前一般的掃頻儀表只能發(fā)現(xiàn)運(yùn)營商占用BCCH頻點(diǎn)，對(duì)于占用鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的TCH頻點(diǎn)需要定制掃頻設(shè)備來測試。根據(jù)GSM網(wǎng)絡(luò)的要求，在空閑狀態(tài)下基站BCCH信道定期傳送系統(tǒng)消息，其中消息類型1包括小區(qū)信道描述，包含了該小區(qū)的所有頻點(diǎn)。圖13就是通過定制設(shè)備在移動(dòng)運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)占用了鐵路1010頻點(diǎn)。

綜上所述，通過采用有效的檢測手段，可以發(fā)現(xiàn)其他運(yùn)營商違規(guī)占用鐵路頻點(diǎn)的現(xiàn)象，有利于相關(guān)運(yùn)營維護(hù)人員分析解決GSM-R網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量出現(xiàn)的相關(guān)問題。

3? ? 定點(diǎn)測試

以上提到的電磁環(huán)境檢測基本是在線路開通后通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)的，目前在線路開通前也會(huì)進(jìn)行定點(diǎn)測試，也有一些鐵路局在日常維護(hù)中進(jìn)行過地面定點(diǎn)的電磁環(huán)境測試，但具體效果不是十分理想。雖然國家無線電管理機(jī)構(gòu)在全國都開展了地面棋盤式的電磁環(huán)境監(jiān)測，但鐵路與其他部門不一樣，全線開展大規(guī)模的定點(diǎn)監(jiān)測不太現(xiàn)實(shí)，可以根據(jù)具體情況在需要的區(qū)間進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測。

定點(diǎn)監(jiān)測主要是采用傳統(tǒng)頻譜儀進(jìn)行測試，也可輔以掃頻儀、定向天線，共同準(zhǔn)確定位。該種手段為傳統(tǒng)的測試方法，前文已有描述，不再贅述。

目前對(duì)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(tǒng)頻譜儀測試手段開展多徑干擾問題區(qū)間的地面監(jiān)測。軟件無線電技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析可以采集無線系統(tǒng)底層信息，從這些信息中解出同一信號(hào)經(jīng)過不同路徑到達(dá)監(jiān)測點(diǎn)的時(shí)延和電平幅度，根據(jù)多徑干擾的風(fēng)險(xiǎn)門限（如時(shí)延大于12 μs，電平差大于9 dB）提出告警。

由于技術(shù)限制，非專業(yè)人員很難實(shí)現(xiàn)這些功能，而電磁環(huán)境監(jiān)測的專業(yè)人員對(duì)鐵路的特殊情況了解不夠，經(jīng)常是付出了勞動(dòng)，效果卻不明顯。由于解決問題的針對(duì)性不強(qiáng)，得不到維護(hù)單位的支持，有技術(shù)也不能實(shí)施。因此，鐵路沿線地面定點(diǎn)監(jiān)測的技術(shù)手段和相關(guān)設(shè)備還需持續(xù)改進(jìn)。

目前很多鐵路局已經(jīng)逐步在地面安裝空口監(jiān)測設(shè)備，主要安裝在人口密集或容易受干擾的特定區(qū)段。通過技術(shù)手段的提升，爭取把空口監(jiān)測與電磁環(huán)境監(jiān)測結(jié)合起來，就不僅可以分清責(zé)任還能確定問題的原因，幫助責(zé)任部門解決問題。

4? ? 結(jié)語

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，4G、5G系統(tǒng)也準(zhǔn)備逐步應(yīng)用于鐵路行業(yè)，鐵路運(yùn)營對(duì)無線通信系統(tǒng)的依賴也越來越大。無線通信的電磁環(huán)境問題應(yīng)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(duì)鐵路GSM-R系統(tǒng)制定詳細(xì)的電磁環(huán)境測試方案和管理辦法，盡早發(fā)現(xiàn)存在的問題，并及時(shí)解決，保證鐵路運(yùn)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。