GSM-R网络频率干扰监测研究

■ 王买智

GSM-R网络频率干扰监测研究

■ 王买智

GSM-R移动通信系统作为高速铁路调度指挥、列车运行控制的主要通信手段，为提高运输效率、保障行车安全发挥了越来越重要的作用。然而，GSM-R网络频率经常受到各种无线电干扰，影响系统通信质量，严重时造成语音或数据业务中断。为排查无线电干扰，保护铁路专用频率安全，在此对GSM-R频率干扰监测、排查及频率保护等方面进行研究。

1 无线电干扰

1.1 定义

无线电干扰是指无线电通信过程中发生的，导致有用信号接收质量下降、损害或者阻碍的状态及事实。无线电干扰信号主要是指通过直接耦合或间接耦合方式进入接收设备信道或系统的电磁能量，对无线电通信接收信号产生影响，导致性能下降，质量恶化，信息误差或丢失，甚至阻断通信的正常进行。

1.2 类型

无线电干扰按照频率划分一般包括同频干扰、邻频干扰、互调干扰、带外干扰、阻塞干扰5种类型。

（1）同频干扰：是指无用信号的载频与有用信号的载频相同，并对接收同频有用信号造成影响的干扰，亦称同信道干扰。

（2）邻频干扰：是指干扰台邻频道功率落入接收台邻频道接收机通带内造成的干扰。在GSM-R移动通信系统中，由于频率规划等原因造成的邻近小区中存在与本小区工作频道相邻的频道，或由于某种原因致使基站小区的覆盖范围超出设计范围，均会引起邻频干扰。当邻频道的载波干扰比小于某个特定值时，会直接影响到移动终端的通话质量，造成掉话或无法建立正常的呼叫。

（3）互调干扰：是指当有两个或多个干扰信号同时加到接收机时，由于非线性作用，干扰信号的组合频率可能等于或接近有用信号频率而顺利通过接收机形成的干扰。

（4）带外干扰：是指其他无线电台站发射机的谐波或杂散辐射，对接收机有用信号的通带内造成的干扰。

（5）阻塞干扰：是指强的干扰信号与有用信号同时进入接收机时，强干扰信号使接收机链路的非线性器件饱和，产生非线性失真形成的干扰。即使仅有有用信号进入接收机，在信号强度过大时，也会产生振幅压缩现象，严重时造成接收机阻塞。阻塞会导致接收机无法正常工作，长时间的阻塞还可能造成接收机的永久性性能下降。

1.3 无线电干扰对GSM-R系统的影响

（1）影响用户间的通话，降低语音通话质量，严重时造成通信中断；（2） 使数据通信出现误码或丢包，造成传输质量下降，严重时造成数据业务中断；（3）导致移动通信连接建立失败、连接丢失、切换失败、掉话等故障，影响通信可靠性；（4）导致通信系统阻塞、中断或其他问题。

2 GSM-R网络频率干扰监测

2.1 GSM-R网络频率使用要求

原信息产业部2003年发布的信部无函［2003］394号《关于铁路专用GSM-R移动通信系统使用频率及相关问题的函》和2007年发布的信部无函［2007］136号《关于铁道部和中国移动公用900 MHz移动通信网频率资源问题的函》对铁路GSM-R无线通信网络使用的频率做出明确要求。确定GSM-R上行频率为885 MHz～889 MHz、下行频率为930 MHz～934 MHz；规定EGSM频段的GSM/GPRS移动通信系统的信号电平在铁路轨道上方4.5 m处的最大值不应大于-105 dBm。

2.2 GSM-R频率干扰监测情况

铁路有关部门在2011年、2012年对25条铁路沿线963处进行了频率干扰监测，共发现各类干扰107处，占监测点总数的11.1%。其中：运营商GSM网络信号对GSM-R频率直接形成干扰42处，占干扰总数的39.2%；全频段底噪干扰52处，占干扰总数的48.6%；其他干扰（干扰器及其他无线电设备干扰）13处，占干扰总数的12.1%。各线路具体监测情况见表1。

表1 各线路具体监测情况 处

2.3 GSM-R频率干扰的主要问题

通过对GSM-R网络频率干扰监测结果分析，发现对铁路专用频段的主要干扰问题如下：

（1）个别电信运营商使用GSM-R专用频点，直接对铁路无线电专用频率形成干扰，影响GSM-R网络的正常使用。

（2）电信运营商GSM基站或直放站发射信号带外抑制不好，使GSM-R下行全频段（930 MHz～934 MHz）底噪抬升，影响范围大、频带宽。电信运营商为了改善自身信号覆盖，大量安装大功率宽频直放站，部分设备性能指标劣化，底噪很高，使GSM-R信号被淹没，出现连接失败、掉话现象，造成GSM-R网无法正常使用。

（3）铁路沿线电信运营商CDMA基站强大信号对GSM-R上行频段（885 MHz～889 MHz）的干扰。在铁路沿线的CDMA下行信号（870 MHz～880 MHz）由于带外抑制不好，对GSM-R上行信号形成干扰，特别是在铁路两基站中间切换的弱场区域，这种干扰尤为严重。

（4）个别单位使用无线电发射设备占用铁路专用频段内的频率；有的单位使用无线电干扰设备等，对GSM-R频率造成一定影响。

（5）GSM-R网络内部存在同频、邻频干扰。在铁路枢纽、并行线路、开阔地段，因频率规划不良形成内部互相影响。

3 GSM-R网络频率干扰典型案例

3.1 GSM基站性能不良使GSM-R频段底噪抬升

（1）测试频谱图。某年某月2日19：30：00，在某高铁K144+800处对下行频段进行测试。图1为线路旁测试到的频谱图；图2为干扰基站旁测试到的频谱图；图3为干扰基站关闭后测试到的频谱图。上行频段测试全部合格（频谱图略）。

（2）频谱图数据分析。由图1、图2可以看出，测试点的下行频段存在全频段干扰信号，强度达-50 dBm，GSM-R信号完全淹没在干扰信号中。在关闭GSM基站后，底噪信号降到-100 dBm以下（见图3）。

（3）测试手机数据见表2。

（4）分析结论。根据以上频谱图及测试手机数据，通过现场测试及运营商开关基站试验证明该基站对GSM-R系统产生干扰，关闭该小区（460-00-10135-4663）后干扰信号明显降低。所以确认该GSM基站对GSM-R网络产生干扰。

（5）干扰排查。铁路维护单位经与当地运营商协调，反复试验，运营商对基站设备加装了滤波器、更换了馈线、耦合器、3 db电桥，调整了天线方位角和俯仰角等，使干扰信号降到-95 dBm，但干扰仍未完全消除，估计基站本身性能不良，需继续处理。

3.2 GSM基站占用GSM-R频点

（1）测试频谱图：某年某月19日12：34，在某高铁K697+213线路旁便道上进行测试。图4为下行频段930 MHz～934 MHz频谱图。

（2）频谱图数据分析见表3。

（3）测试手机数据见表4。

图1 铁路旁测试到的频谱（某高铁K144+800）

图2 干扰基站旁测试到的频谱（某高铁K144+800）

图3 干扰基站关闭后测试到的频谱（某高铁K144+800）

（4）结论及排查。根据以上频谱图及测试手机数据分析，在测试点（K697+213）附近发现GSM网络干扰信号，频点1016和1019，其LAI为460-00-14186和460-00-14266。铁路维护单位及时向当地无线电管理部门汇报，经协调电信运营商对占用的铁路频点进行了清理。后经过复测GSM-R质量得到改善。

4 GSM-R网络频率干扰监测排查基本方法

4.1 干扰监测系统构成

干扰监测系统有车载式、便携式、固定式等方式，一般主要由测量接收机（或频谱仪）、信令识别单元（或测试手机）、GPS接收机、测试处理单元（电脑及软件）、测试天线（全向、定向）等组成，并按照图5搭建测试系统。

4.2 GSM-R干扰监测地点选择原则

（1）根据GSM-R系统开通前测试的电磁环境报告，对电平底噪超过-105 dBm或存在明显信号包络的区段；

表2 测试手机数据（某高铁K144+800）

图4 某高铁K697+213频谱

表3 频谱图数据分析（某高铁K697+213）

表4 测试手机数据（某高铁K697+213）

图5 干扰监测系统

（2）日常行车过程中具有地域特征的列控降级、通信中断、通信连接失败的区段；

（3）根据GSM-R网管统计的基站干扰带等级和出现乒乓切换、越区切换、存在频繁异常信令区段判断存在干扰的区段；

（4）综合检测车对服务质量（QoS）、场强覆盖测试，发现网络质量问题、指标劣化、出现异常现象的区段。

4.3 GSM-R干扰监测方法步骤

按照以上原则选定测试区段，到达预定的测试点，首先对仪器仪表进行校核及初始设置。一般按照下列步骤进行测试：

（1）在铁路沿线可能存在干扰的区域，选择开阔无遮挡的地点进行现场定点测试。首先记录测试时间，测试点的纬度、经度、温度、湿度及天气情况；掌握测试点周边环境（遮挡情况、通信基站情况）、测试天线距离铁路轨面及地面高度等基本信息。

（2）采用全向天线对GSM-R频段进行全频段、全方位扫描，频谱仪检波方式选用峰值检波，trace采用最大保持、平均、实时等方式，记录被测频段信号，测试10～20 min，存储频谱图。若瞬间全频段底噪明显抬升，则重新设置仪表参数进行测试。

（3）当测试发现有异常信号时，换成测向天线，频谱仪检波方式选用峰值检波，trace采用最大保持、平均、实时等方式，对不同方向进行详细扫描测试，并仔细观察各方向上的信号变化情况并存储频谱图。

（4）分析测试频谱图各频点信号是否为本线路GSM-R基站信号，如为本线路GSM-R信号，利用测试手机测试各频点的C/I，分析各信道的影响程度，并测试、分析是否为系统内其他基站的同频信号。根据信号特征适当扩展频率扫描范围，进一步分析信号类型及与其他大信号的关系。

（5）根据测试的信号特征初步判断是否为GSM信号，利用信令识别单元（测试手机）测试，必要时可用多个手机同时进行拨打测试，判断当前基站区是否有TCH使用GSM-R频点；同时利用频谱仪、测试手机扫描监测该处频谱。发现跳频的小区，还需使用测试手机监测参与跳频的频点。使用信令识别单元的强制功能（FORCING FUNCTION）中锁定BCCH（SET BCCH）功能测试各小区的TCH信道进行拨打测试。并记录LAI、BSIC、小区全球识别码（CGI）、BCCH、TCH等信令数据，结合信令数据分析测试频谱图各频点信号，判断信号类型。

（6）当干扰信号具有GSM频谱特征且无信令时，根据信号特征适当扩展频率扫描范围，进一步分析与其他信号的关系，计算测试点周边各小区信道的互调信号是否落在GSM-R频段内，如干扰信号为互调信号，可利用频谱仪、测向天线进一步跟踪该小区BCCH信道、信号方向，逼近该基站，在逼近过程中持续判断该基站是否存在对GSM-R的干扰。

（7）干扰为非GSM信号时，利用频谱仪或测试接收机、测向天线、指南针、GPS等测试设备测试干扰源方位，利用交叉定位或逐步逼近的方法查找干扰源。如信号具有25 kHz信号特征时，若可解调该信号，系统自动播放并录制解调内容。

（8）根据测量接收机（频谱仪）和信令测试单元（测试手机）的测试结果，进行综合分析确定干扰类型和干扰源位置，并编写测试报告。

5 GSM-R网络频率保护的有效措施

为提高GSM-R无线通信网络质量和可靠性，有效保护铁路专用频率安全，建议做好如下几方面工作。

5.1 做好工程开通前的电磁环境监测和清频工作

对于即将开通的网络线路应反复测试沿线电磁环境，对于铁路专用频带内有占用频点及超过-105 dBm的电磁信号，都应进行清理和查找，直至满足电磁环境要求，确保线路开通后电磁环境良好。

5.2 加强网络运用质量的监测和检测工作

铁路运营维护单位要通过网管和信令监测手段，监视网络运用质量，对于网络出现掉话、连接丢失、切换失败、数据接收失败、C3通信超时、运用质量下降等现象，在排除设备问题后，分析判断是否存在干扰，并初步确定干扰的区段。要定期对网络质量进行动态检测，综合分析，及时发现网络干扰问题。在确认存在干扰后，应及时组织技术力量，利用干扰监测车、便携式干扰测试设备等进行测试，定位干扰源，明确干扰类型，迅速处理干扰问题。

5.3 积极采用技术手段，消除公网移动通信对铁路专用频率的干扰

一是依法坚决清理占用铁路专用频率；二是对底噪抬升的基站、直放站应建议其提高设备性能、选用选频直放站或加装滤波器，抑制带外杂散对铁路专用频率的影响；三是协调运营商优化铁路沿线频率规划，对铁路专用频段实行较宽的隔离频带。

5.4 改善铁路自身的网络性能质量，提高抑制干扰的能力

建议研究GSM-R无线网络覆盖指标，适当提高场强最低值，以提高载干比，减小被干扰机遇。同时，研究在机车终端接收侧加装930 MHz～934 MHz带通滤波器，在基站接收侧加装885 MHz～889 MHz带通滤波器，抑制带外杂散对接收信号的影响，以改善网络质量。

5.5 合理规划频率，优化网络结构，减少网络内部同频、邻频干扰

枢纽地区进行频率规划应遵从高等级线路优先规划，低等级线路遵从高等级线路频率规划，后建线路遵从先建线路；并行线路在3 km内应尽量使用同一基站，在6 km内保证不同频率、不同BSIC码，以避免相互干扰和乒乓切换。对于平原及开阔地段，基站设置距离可适当延长，合理设置天线俯仰角，减少基站互相干扰。

5.6 加强与地方无线电管理部门沟通，建立铁路专用频率保护长效机制

建议铁路网络维护部门加强与国家和地方无线电管理部门的沟通协调，切实建立铁路专用频率长效保护机制，定期召开协调会议。对监测出的干扰问题主动向地方无线电管理部门报告，及时协调处理干扰问题，为铁路无线网络营造良好的电磁环境。

[1] 信部无函［2003］394号 关于铁路专用GSM-R移动通信系统使用频率及相关问题的函[S].

[2] 信部无函［2007］136号 关于铁道部和中国移动公用900 MHz移动通信网频率资源问题的函[S].

[3] TJ/DW143—2012 铁路无线电干扰监测系统技术条件[S].

王买智：北京铁路通信技术中心，高级工程师，北京，100038

责任编辑 卢敏