在线GSM－R电磁环境测试研究

张宝军 张东升 张鹏

在线GSM－R电磁环境测试研究

张宝军 张东升 张鹏

常规的电磁环境测试方案，不但要求关闭铁路本线所有相关基站，还要求同时关闭临近铁路线路的相关基站，这对于长大线路和日趋密集的GSM-R跨线地区进行电磁环境测试难度更大。因此，迫切需要研究GSM-R在线工作条件下，具备简单可重复性的电磁环境测试解决方案。

GSM-R在线;电磁环境;测试

随着高速铁路的快速发展，构建以GSM-R技术为基础平台的全国铁路无线通信网络正在逐步铺开。建设运营维护GSM-R网络一项重要内容就是进行GSM-R电磁环境测试，这项工作关系到铁路无线通信特别是CTCS-3级列控和站车无线通信的运营安全。

我国铁路GSM-R通信网络采用的工作频段为885 MHz～889 MHz/930 MHz～934 MHz，相邻频道间隔为200 kHz，可用频道共19个，频道编号为1000～1018。目前铁路GSM-R电磁环境测试标准采用信产部2007年发布的《关于铁道部和中国移动共用900 MHz移动通信网频率资源问题的函》(信部无函［2007］136号)。该标准规定2009年底以前，中国移动和铁道部有条件共用885 MHz～889 MHz/930 MHz～934 MHz频段资源，从2010年开始，中国移动须退出该频段的使用。但是以往的GSM-R电磁环境测试结果表明，中国移动并没有主动彻底按期清退该频段的使用，930MHz～934 MHz频段(基站发，移动台收)的干扰依然存在，因此本文主要探讨930 MHz～934 MHz频段的干扰问题。

1 GSM-R电磁环境测试现状

以往常规的GSM-R电磁环境测试，要求在全线同时关闭所有相关基站的条件下进行，虽然能清晰直观地查找该频段内当时现存的各种干扰，为清频工作提供一些参考依据，但该方案在实施上存在一定困难，也存在很多问题。

1.GSM-R已经成为铁路综合通信平台，为信号、列调、电调、维修、客服等各部门提供共享通信服务，新建高速铁路一般不再同时配建常规450 MHz无线通信网络，GSM-R成为唯一的无线通信平台。全线关闭所有相关基站期间，GSM-R将无法提供服务，这就需要提前协调诸多业务部门做好应急预案，存在一定安全隐患。

2.关闭基站进行电磁环境测试只适用于新建线路未开通前的联调联试阶段，关闭GSM-R对于全线铁路业务正常运营影响很大，因此基站关闭时间很短;一般仅限全线一二个往返的测试，仅能发现中国移动BCCH信道载频干扰和忙时工作的中国移动TCH信道载频干扰，由于复测的可重复性很小，无法完全彻底查找潜在的中国移动TCH信道载频干扰。

3.在场强覆盖等设计因素合理地区发生掉话和切换失败，一般会伴随干扰的出现。为查找干扰和电磁环境周期维护复测，在已开通GSM-R线路全线关闭基站条件下进行电磁环境测试存在很大困难。即使在夜间开“天窗”时间进行测试，也无法测试白天工作时段来自中国移动忙时TCH信道载频的干扰。

常规的电磁环境测试方案，不但要求关闭铁路本线所有相关基站，还要求同时关闭临近铁路线路的相关基站，这对于长大线路和日趋密集的GSMR跨线地区进行电磁环境测试难度更大。因此，迫切需要研究GSM-R在线工作条件下，具备简单可重复性的电磁环境测试解决方案。

2 在线GSM-R电磁环境测试方案

GSM-R在线工作条件下进行电磁环境测试的难点，在于测试结果中既存在确定信号又存在未知信号，如何从测试结果中排除确定信号，从未知信号中查找干扰信号成为解决问题的关键。

2.1 确定信号分析

确定信号包括GSM-R基站工作载频信号(BCCH和TCH信道载频)、基站工作载频产生的谐波信号及基站工作载频之间产生的互调信号。谐波信号强度很弱可以忽略。根据互调信号的特点，在移动通信中主要考虑三阶互调信号。

假设存在呈线状排列的基站A…基站Z，如图1所示，基站频率配置如表1所示。

图1 某线路基站配置

表1 某线路基站频率配置

所有基站在线工作条件下，以基站F至基站G区间测试为例，可以得到的确定信号包括基站载频信号和三阶互调信号。基站载频信号为基站A—基站Z所有基站的BCCH信道载频信号和工作状态下的TCH信道载频信号;三阶互调信号主要包括二信号三阶互调和三信号三阶互调。

根据场强覆盖测试结果，基站F至基站G之间测试得到的基站信号包括基站E、基站F、基站G和基站H的BCCH信道载频信号和工作状态下的TCH信道载频信号，其他基站落在本区间的载频信号很小可以忽略。根据基站频率复用距离设计要求，同时为了保证邻频干扰小于－6 dB的设计要求，基站频率间隔要求至少400 kHz，基站E至基站H之间的BCCH和TCH信道不会存在同频复用。

产生三阶互调信号要求几个发射频率信号和互调信号接收机频率满足如下的等间隔关系。

二信号三阶互调:fr=2ft1－ft2

三信号三阶互调:fr=ft1+ft2－ft3

其中:fr为接收频率，ft1/ft2/ft3为基站发射频率。

产生互调信号还要求发射频率必须有足够的幅度。

根据实测结果，基站F至G之间只需考虑基站F和G载频信号的二信号三阶互调，基站F至G之间产生的三信号三阶互调和来自其他基站区间的二信号三阶互调都很小可以忽略。

2.2 未知信号分析

未知信号包括干扰信号、干扰信号产生的谐波信号、干扰之间产生的互调信号、干扰信号与基站载频之间产生的互调信号。其中，谐波信号强度很弱可以忽略;互调信号明显低于产生互调信号的源信号。因此主要判断较强的干扰信号，排除干扰信号后，随之产生的互调信号自然消失。

2.3 在线测试方案

如果关闭TCH信道载频，只开放BCCH信道载频，基站F至基站G区间测试得到的确定信号包括:

f_E1、f_F1、f_G1、f_H1、f_F1×2－f_ G1和f_G1×2－f_F1

如果倒换BCCH信道，采用TCH信道载频作为BCCH信道载频，同时关闭原BCCH信道载频，基站F至基站G区间测试得到的确定信号包括:

f_E2、f_F2、f_G2、f_H2、f_F2×2－f_ G2和f_G2×2－f_F2

如果以上2组频率没有出现交集，则可以判断出所有可能的干扰信号。

根据频率复用原则，f_E1、f_F1、f_G1、f _H1、f_E2、f_F2、f_G2、f_H2基站之间不会出现交集，可能出现的交集为图2所示。

图2 基站F至基站G区间测试频率交集示意图

1.如果出现互调频率与邻区间基站频率相同的情况，如f_E1=f_F2×2－f_G2或f_E1=f _G2×2－f_F2，则可以采用倒换f_E1和f_E2的方法解决。

2.如果出现互调频率与本区间基站频率相同的情况，如f_F1=f_F2×2－f_G2或f_F2=f_ G2×2－f_F2，一般都可以采用倒换f_F1/f_F2或者f_G1/f_G2的方法解决。在频道编号为1000～1018的19个频率中，只有约80种f_F1、f _F2、f_G1、f_G2的组合方式不能完全避开交集的出现，需要临时调整f_F1、f_F2、f_G1、f _G2中任一频率配合测试。这在总共41769个频率组合中是很小的概率事件，到目前为止GSM-R铁路频率配置中还没有出现这种需要临时调整频率来配合测试的频率组合。

3.如果出现一组互调频率与另一组互调频率相同的情况，如f_F1×2－f_G1=f_F2×2－f_ G2、f_F1×2－f_G1=f_G2×2－f_F2，也基本可以采用倒换f_F1/f_F2或f_G1/f_G2的方法解决。

铁路GSM-R一般采用2/3载频的基站设计方案，确保一个载频出现故障情况下，至少还有一个载频能够继续提供服务。因此，可以采用这种倒换BCCH信道载频、关闭TCH信道载频的方案，进行在线GSM-R电磁环境测试。该方案保留一个BCCH信道载频提供通信服务，除保证CTCS-3级列控服务外，还能留有部分信道提供通话及数据传输服务。目前，开通的GSM-R基站频率配置组合大多采用固定间隔复用方案。因此，在线GSM-R电磁环境测试频率组合关系比较简单。

针对单层双网、同站址双网和交织覆盖网不同的基站布设方式，可采用相应的测试方案，如表2所示。

表2 不同基站布设方式下的在线GSM-R电磁环境测试方案

2.4 测试方法

GSM-R电磁环境测试一般采用EMI测量接收机。EMI测量接收机一般有频谱仪和接收机2种工作模式。常规GSM-R电磁环境测试采用频谱仪模式下的频谱扫描方式，扫描带宽一般设定为100kHz。该测试方式采样频率高，测试结果清晰直观。然而GSM-R在线电磁环境测试采用频谱扫描模式会存在一定缺陷。当基站信号较强时，反映到频谱图上基站信号频谱很可能会略微覆盖相邻频道频谱，造成相邻频道上干扰信号识别困难。采用接收机模式下的扫频方式可以很好地解决该问题。设定930 MHz～934 MHz的扫频范围，200 kHz的扫描带宽，一个扫描周期内可以得到信道号为1000～1018共19个GSM-R样本点频率的采样电平值，该方法可以更精确定位干扰信号。

3 铁路全网GSM-R频率配置建议

从在线电磁环境测试的角度考虑，铁路设计单位应对BCH信道和TCH信道进行分隔频带设计，比如对于配置普遍的双载频基站，可以考虑将上频带930 MHz～932 MHz和下频带932 MHz～934 MHz分别配置为BCH频段和TCH频段。分频带设计对于简化京沪、京广及哈大等高铁线路的日常在线电磁环境维护测试具有重要意义。

4 结束语

关闭基站的常规GSM-R电磁环境测试方案，只适用于GSM-R网络建设投入运营前的联调联试摸底测试，只有在线GSM-R电磁环境测试方案具有简单可重复性和测试完整性。相比常规测试方案，在线GSM-R电磁环境测试方案增加了测试工作量，以往单程即可完成的电磁环境测试，在理想情况下也至少需要2个单程才能完成测试，同时在测试前后还增加倒换基站BCCH工作载频、测试结果对比分析、甚至临时频率调整的工作量。在线GSM-R电磁环境测试方案目前主要适用于铁路线路区间测试，对于频率配置复杂的铁路GSM-R枢纽区域还有一定的局限性，还需要进一步研究解决方案。

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

［2］卢尔瑞，孙孺石等．移动通信工程［M］．北京:人民邮电出版社，1988．

Not only all the base stations along the test railway line but also relevant base stations along the neighboring railway lines should be shut down in a conventional electromagnetic environment test．As for long line and increasingly dense cross-district GSM-R region，it becomesmore and more difficult to perform electromagnetic environment measurement．Therefore，it is urgent to seek a simple repeatable measurement solution under the conditions of GSM-R working online．

GSM-R;Online;Electromagnetic Environment;Measurement

张宝军:中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心副研究员100081北京

张东升:中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心助理研究员100081北京

张鹏:中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心助理研究员100081北京

2014-01-09

(责任编辑:诸红)