GSM—R通信系统中的干扰分析与处理

翟旺勋

引言：本文结合案例，计算杂散隔离度、互调隔离度、阻塞隔离度等。之后，又对不同的网络设计等具体情况，对不同的干扰类型进行了分析，为不同干扰的处理提出了处理措施。为网络的规划和运营阶段的维护以及问题的分析处理提出了建议。

前言

GSM-R系统中存在大量的干扰，主要分为外部信号的干扰和内部信号的干扰，对于干扰的不同来源，其造成的影响也不相同，下面主要就干扰的不同来源进行分析，并针对不同的干扰来源，提出了不同的处理方法。

一、GSM-R系统干扰的分析

GSM-R系统干扰主要分为系统内部干扰和系统外部干扰，除了频率占用等的非法干扰外，系统设备造成的主要有杂散干扰、互调干扰和阻塞干扰三种。

对于外部系统与GSM-R共存时，系统之间应具备基本的隔离，方能有效的避免相互的干扰，而系统间相互的干扰隔离原则如下：

1 确保被干扰接收机经滤波器衰减后的全部干扰载波功率不超过接收机允许的阻塞门限值；

2 确保被干扰接收机在设备机顶天线连接处，接收到的来自干扰发射机的杂散干扰电平不超过接收机底噪ROT，而ROT以灵敏度损失不大于1dB为原则；

3 确保干扰发射机导致被干扰接收机产生的每个三阶互调（IMP）产物都不超过接收机允许的互调干扰门限值。

为满足干扰隔离的灵敏度损失原则，需对系统灵敏度进行一些定量分析，计算公式如下所示：

其中，P t o t a l 为被干扰基站在天线接头处接收到的总干扰功率（mW）；P b 为被干扰基站的接收机接收噪声底限值（mW）；P i 为干扰基站产生的杂散辐射对被干扰基站的接收机造成的噪声功率（mW）；N b 为被干扰基站的接收机接收噪声底限值（dBm）；N i 为干扰基站产生的杂散辐射队被干扰基站的接收机造成的噪声功率（dBm）。

图1 干扰与灵敏度损失对应关系图

Interference with the loss of sensitivity corresponding graph

试验表明，灵敏度损失与干扰功率的相互对应关系如上图1所示：

为了减少灵敏度的损失，并有效的控制干扰，此处取Ni -Nb 约为-6.9dB作为杂散辐射的干扰底限要求，此时灵敏度损失约为0.8dB左右，这对系统的影响是很小的，可以忽略不计。

1.1杂散隔离度计算分析

通常我们认为干扰基站落入被干扰系统的干扰信号电平，在低于被干扰系统内部的热噪声6.9dB以下（此时被干扰系统的接收机的接收灵敏度恶化小于0.8dB），此时的干扰可以忽略。这样来说杂散所需要的隔离度计算公式为：

MCL≥ PSPU-10Lg（WInterfering/WAffected）-Pn-Nf+6.9

其中的MCL 表示隔离度要求；Pspu表示干擾基站的杂散辐射电平（dBm）；WInterfering 表示测试干扰电平时的测量带宽（kHz）；WAffected 表示被干扰系统的信道带宽（kHz）；Pspu -10lg（WInterfering /WAffected ）表示干扰基站对被干扰系统信道带宽内产生的杂散辐射电平；Pn 表示被干扰系统接收机在接收带内的热噪声电平（dBm）；Nf 表示接收机的噪声系数，这里，GSM-R的基站的接收机噪声系数一般不会超过5dB。

1.2互调隔离度计算分析

互调信号的产生与原干扰源信号的幅度由直接关系，这里为了有效地控制互调干扰信号，需要注意互调信号的隔离度，互调隔离度计算如公式7：

MCL= MAX（P1 ，P2 ，P3）+POI合路器互调-Pn -Nf +6.9

其中，MCL 表示隔离度的要求；P n 表示被干扰系统的接收机接收带内热噪声（dBm）；N f 表示接收机系统的噪声系数，而GSM-R的基站的接收机噪声系数一般不会超过5dB；P 1、P 2、P 3分别表示干扰系统干扰信号1、2、3的信号电平（dBm）；POI合路器的互调指标一般在-130dBc～-150dBc之间，这里为了便于计算，取-140dBc。此时计算得到的互调要求隔离度是在干扰信号电平最大的条件下得到的，实际上的互调信号电平都远小于这个值。

1.3阻塞隔离度计算

在多系统设计中，要使系统可以正常工作，就要求到达接收机输入端的强干扰信号功率电平不能超过系统设备要求的最低阻塞电平。如果接收机的阻塞电平指标为Pb ，干扰设备发射机的输出干扰功率为Po ，在Pb ≥接收的干扰电平=Po -MCL时，那么这个强干扰信号也就不会对接收机造成阻塞，这种条件下，需要的系统间相互隔离度为：MCL ≥Po -Pb

1.4公众网络通信系统与GSM-R通信系统间干扰分析

根据计算，公众网络移动通信系统与GSM-R专用移动通信系统之间，其互调干扰得隔离度要求最大为36dB；公众网络移动通信系统对GSM-R专用移动通信系统的杂散干扰与阻塞干扰所需要的最小隔离度为90dB，考虑到公众网络通信系统采用的POI方案，原则上可以实现所要求的隔离度。而减小GSM-R通信系统对公众网络通信系统干扰最有效措施就是使用隔离器件，这需要在GSM-R移动通信设备末端增加隔离器件。但在实际情况下， GSM-R通信系统端加装干扰抑制设施，对于铁路安全来说是不抬可行的，因此隔离措施的重点应该是考虑空间隔离。

二、GSM-R系统的干扰处理

GSM-R系统的干扰根据抑制措施的不同进行不同的处理，针对以上干扰，可以对上述干扰进行不同的处理，后面介绍一些常用的处理办法。一类是在组网前，在完成铁路沿线的清频测试后，依照国家无线电管理规定和铁路与公网的协议、通过电磁环境测试并选择技术性能相对优良的设备就可以克服的干扰。比如外部干扰和设备内部干扰；另一类是在网络设计和网络优化阶段，通过采取一些特殊的新技术措施便可以消除或减弱的干扰。比如GSM-R网络内部的干扰以及公众网络引入GSM-R网络覆盖区时，在设计阶段就考虑隔离和其他有效的技术测试，在GSM-R网络规划过程中，进行详细的论证设计，特别是GSM-R的频率资源有限情况下，做好频率规划与分配，尽量减少网内的干扰等。

2.1外部干扰的处理

2.1.1强信号干扰和固定频率干扰的处理

1 考虑到中国联通CDMA系统与GSM-R系统之间可能会相互干扰，在处理时，主要参照国家无线电管理委员会发布的有关无线频谱利用的相关文件，对CDMA系统基站，特别是架设在铁路沿线的CDMA基站设备，其杂散发射限值及CDMA系统与GSM-R系统邻频共用设置台站的技术要求需要满足如下规定：

1）中国联通在铁路地域内设置CDMA基站前，须将台站资料报送当地无线电管理机构和国家铁路局，以便对铁路GSM-R基站进行协调规划。

2）铁路GSM-R基站在建設前，可调查相关地域内CDMA基站设置情况，分别作如下处理：

①两系统基站天线之间的水平距离在10m～50m时，准备建站一方应提前通知已建站一方，无论是谁先建站，都应由中国联通采取有关措施，即中国联通的CDMA系统基站在满足核准限值的技术指标外，还必须加装相关技术要求的滤波器后方能进行发射。

②两系统基站天线之间的水平距离≤10m时，如铁路GSM-R系统已建成基站，则在周边10m范围内，不允许中国联通CDMA系统再建设新站；如中国联通CDMA系统已建成基站，铁路GSM-R系统拟建新站，在除了中国联通的CDMA系统基站须按第①项的要求采取措施外，铁路GSM-R系统基站也需加装符合相关技术要求的滤波器，以防止GSM-R系统基站接收机发生阻塞。

③当两系统基站天线之间的水平距离≥50 m时，CDMA系统基站的带外杂散发射限值必须满足核准限值的指标要求，在分别建站时，不再做相互协调。

3）中国联通CDMA系统在建站时，除满足上述要求外，基站天线还应避免与GSM-R系统天线正对，无法避免时，应加装符合技术条件的相关设备，进行隔离，同时采取有一定的向下倾角等技术措施避免干扰到GSM-R系统。

2 对于中国移动的GSM通信系统与GSM-R系统之间可能产生的干扰的处理。

由于中国移动E-GSM系统与铁路GSM-R系统是按地域共用4MHz频带的，在这种情况下，干扰情况会比较复杂，简单的相互协调设站的办法不能很好的解决这种情况。目前国家铁路局与中国移动就覆盖区边沿的最大边界场强问题已达成一致，并建立了设站协调程序、干扰协调办法等，为有效的地避免或减少此种类型的干扰发生，在发现干扰时，双方能及时处理。建议在网络规划阶段，对铁路沿线电磁环境进行详细的测试，如发现铁路范围内存在的中国移动E-GSM系统的干扰源，可通过当地无线电管理机构进行协调，由中国移动方对其E-GSM系统的频率配置进行调整。为防止网络建设时和开通后的干扰，尽量使中国移动达到协商确定的最大边界场强的要求。

2.1.2不可预测的干扰和非法信号的干扰的处理

1 对于不可预测的干扰和非法信号的干扰等相关问题，主要先通过网络规划前期的电磁环境测试，查找干扰区域，然后再通过定向天线等测试设备，寻找干扰源的具体位置及所属单位等，通过当地无线电管理部门组织协调，尽量消除此类干扰。

2 对于公众网络引入工程的，特别是在路堑、隧道内的引入工程，除了考虑上述干扰控制外，特别是在隧道内公众网络引入漏泄电缆的，应充分考虑其对GSM-R系统造成的阻塞干扰。在引入工程的初期设计阶段，应考虑公众网络的漏泄电缆与GSM-R覆盖的漏泄电缆之间的空间隔离，特别是公众网络的漏泄电缆应与GSM-R的漏泄电缆进行隧道的异侧放置安装，在公众网络发射前，应进行必要的测试，却保不会对GSM-R网络造成阻塞。

2.2内部干扰的处理

2.2.1设备内部干扰的处理

GSM-R基站设备本身的影响，主要通过选择性能优良的设备来解决。设备选型过程中，首先要对各类无线设备的入网严格把关，在设备安装和验收过程中，通过有关监测机构，对设备性能进行验收测试，设备必须符合相关的设备技术规范。另外，接收机的寄生响应、互调、阻塞以及发射机的邻道和杂散发射等几项关键技术指标要选取最优的设备，尽量提高设备的抗干扰能力。

2.2.2GSM-R网内干扰的处理

1 同频干扰的处理

可以从频率配置和工程技术方面采取一些规避措施，尽量减小和抑制同频干扰。比如：

1）调整优化同频复用距离和频率配置：同频复用距离和频率分配方案对系统载波干扰比C/I有着直接的影响。在GSM-R系统中，铁路枢纽地区根据情况一般采用4 X 3面状覆盖或带状三频组复用方式，而在铁路沿线主要采用三频组复用带状方式，同频复用距离为D-6R。因此，在实际应用组网中，应确定同频复用距离及基站覆盖区，对那些不符合载波干扰比C/I要求的频率应进行调整；在利用计算机辅助方法进行频率规划时，还要考虑邻频干扰和同频干扰，对小区频率设置进行合理调整；随着移动通信网络覆盖重叠态势的形成、业务量的增加和传播环境的变化，也应根据移动通信网性能指标的变化进行优化调整。

2）对天线方向进行去耦调整：根据基站定向天线水平方向图中不同的天线增益的差别，优化调整干扰基站天线的主轴取向，以便使其偏离被干扰的小区，进而达到降低同频干扰的目的。

3）对天线高度和基站发射功率进行调整：在特定环境下，比如平坦地面，在减少同频干扰方面，降低天线高度的措施对此特别有效。有效控制基站天线高度可以减小该站对其他同频基站的干扰，进而提高载波干扰比C/I。发射功率大小的选定在满足载波干扰比C/I的要求的同时，还要兼顾小区边缘的信号覆盖，以避免造成覆盖的盲区。

4）采用赋形波束天线：下述的天线主轴下倾采用的是机械式的，而赋形波束天线则为电子式的。在GSM-R系统中，采用赋形波束天线，可以从空间上增加频率复用的能力，降低相互之间的干扰。

5）使天线主轴机械式下倾：为了把基站天线的主要能量照射到服务区内，可以采取天线主轴机械式下倾的目的，使落到远处的同频小区的能量尽可能的小，从而来提高服务区内的载波干扰比C/I。在调整天线下倾的时候，还应注意天线高度与覆盖区直径的相互比例；调整天线下倾角应保证本覆盖区的增益最大，而对其他同频小区信号干扰最小，但这样可能会改变覆盖区范围；同时，还可以选择定向高增益天线，特别是垂直方向图比较尖锐的定向天线，来达到减小干扰的目的。

6）采用分集接收天线：常用的分集方式有极化分集和空间分集，这些方式可以改善衰落影响，同时也可以降低同频干扰，因此，在GSM-R系统中合力的采取分集措施也是很有效的降低同频干扰的方式。

2 邻频干扰的处理

相比同频干扰，邻频干扰作为移动通信网的一种干扰方式，更容易控制。邻频干扰的抑制涉及到接收机选择性、发射机的杂散发射及邻近频道间隔等几个因素。

抑制邻频干扰的方法有以下几种：

1）对频率规划进行调整优化：如果相邻小区间存在邻频道干扰，且载波干扰比C/I≤-6dB时，则需要对系统的频率规划进行重新调整优化，特别是要尽量的保证每个小区的BCCH频率不出现邻频道干扰。GSM-R系统要求覆盖区重叠的多个小区、同小区、相邻小区等小区之间和小区内的控制信道及業务信道的载波间隔不少于400kHz，而高速铁路区段控制信道的载波间隔应至少为600kHz。

2）提高接收机的邻频道抗扰性能。在设备选型时，尽量选择邻道抗扰性比较好的设备，另外，对同频干扰的解决措施也同样适用于解决邻频干扰。

3 互调干扰的处理

互调干扰信号中，比较明显的主要是三阶互调产物，其主要包括两个信号的三阶互调（2fl-f2）产物 和三个信号的三阶互调（fl+f2-f3）产物。虽然从根本上消除互调干扰十分困难，但为了减轻互调产物对系统的影响，可以采取一定措施，避免互调干扰信号对系统造成较大的有害影响。为了有效地抑制互调干扰信号，可以采取以下措施：

1）根据所需的频道数，尽量选用无三阶互调产物的最小占用频道数的频道组。这里所说的无互调产物，并不是说不存在三阶互调产物，而是互调产物落在本系统的频道之外，虽然不会对本系统造成危害，但有可能对其他系统造成干扰。

2）当基站系统中有多个发射机同时占用同一副天线进行发射时，应选择隔离度比较高的天线功分器；当发射机占用不同的天线时，各个天线设备应当采用分离垂直架设，并加大天线之间的间距，减小发射机相互之间的耦合，从而尽量减小互调产物的幅度。

3）改进基站的高功放、输出级、混频器等电路，扩大设备的动态线性范围

4）在施工安装阶段，做好天线、馈线、双工器与基站的匹配，并确保施工质量。

4 时间色散造成的干扰的处理

GSM-R数字移动通信系统，与传统的GSM数字移动通信系统一样，采用了自适应均衡技术来缓解时间色散引起的干扰。设备的均衡器可以同时处理掉延迟到达接收设备4个bit的反射信号，这4个bit相当于15ps的时间。然而，均衡器并不能处理全部的反射信号，它只能处理一定数量的反射信号，当反射信号中如果出现超过l5ps的延迟时，即反射信号与直达信号之间距离差大于4.5km时，均衡器就无法处理该类反射信号。同时，由于GSM-R系统中还引入了大量的光纤直放站来解决路堑、隧道以及站内等区段的覆盖，这同时也增加了时间色散引起的码间干扰。这些干扰可以通过采取以下措施以达到避免时间色散等问题引起的干扰，

1）在网络规划的初期阶段，基站选址时应该尽可能考虑反射障碍物，是基站尽可能靠近，使反射线和直射线之间的路程差尽量不大于均衡器的时间窗口；如果基站刚好位于反射障碍物，可采取将天线指向背离反射物的方向的措施，同时在选择天线设备时，尽可能挑选前后比增益差比较大的天线。

2）在网络优化调整阶段，调整天线水平方向性的方向特性，同时调整天线垂直方向性的天线下倾角，避免照射整个障碍物或减小辐射到反射障碍物上的能量。

3）通过改变小区参数来克服时间色散造成的干扰。比如：如果干扰严重地区内信号强度相比该区域中相邻小区小的话，应调整切换请求的参数设置，尽量使得移动台在进入有问题地区之前切出该小区。

4）在对路堑、隧道等弱场区段进行设计覆盖时，要合理地设置直放站，特别是光纤直放站设备的设置地点，在设计时，应考虑到信号在空中传输和在光纤中的传输造成的时间延迟差，在满足系统处理能力的要求条件下，时间色散干扰最大的区域，设计时还需要保留一定的余量。

结束语

GSM-R移动通信系统，作为成熟的铁路专用移动通信系统，在国内的应用已经成熟，但是由于目前国内频率资源的问题，能用于GSM-R的频率资源有限，在该情况下，为了最大化的利用频率资源，同时又要尽量的减少系统内部以及外部的干扰发生，前文着重分析了几种常见的干扰类型，为了系统的解决干扰，着重从以下几点解决：

首先，在前期的网络频率规划中，主要是前期的网络清频工作，对于非法的频率，可协调有关单位，做好前期的频率清除工作，对于无法清除的或者网内的频率，在规划时应作全面的考虑和论证试验，做到统筹考虑。在网络的设计中，考虑网内干扰，尽量减小同频和临频的干扰，在业务量满足的情况下，尽量加大频率的复用半径。对于无法消除和规避的网内干扰，可以做全面的干扰试验，评价干扰的影响，这也是本文下一步将要论述的问题之一。

其次，在网络建设阶段，做好对网内设备的基本性能测试工作，防止设备自身的互调等干扰的发生，同时也验证设备自身满足基本的抗干扰性能。对于不满足性能的设备，在建设阶段就及时更换或者由厂家进行相关的技术处理，确保设备自身不会干扰GSM-R系统，并具有较高的抗干扰能力。在测试过程中，本文进行了大量的测试，文中只进行了一个举例，目前的设备性能测试表明，在设备非故障状态下，性能数据完全满足现网和网内的相关标准。但是在实际测试过程中，也发现，部分设备在安装和运输过程中，出现了调制频谱在临信道产生干扰的情况。现场也进行了单板更换，及时消除了该类干扰的发生。

最后，网络运行阶段，主要是针对网络运行过程中的话务统计和行车故障记录等，重点关注一些区域。同时我们也在日常的干扰监测工作，多方监测，防止网络运行过程中的设备故障造成的干扰以及及时发现故障设备，保证网络安全。对于前期阶段发现的干扰源，我们也进行了重的点监测，同时也加强了沿线的外网频率监测，及时发现了外网的直接频率干扰和互调、杂散等干扰信号。对于公网的引入铁路工程，我们主要对引入路内范围的公网设备性能做了大量的测试工作。测试经验也表明，公网设备主要是中国移动的GSM网络，特别是在与GSM-R共站址设置时，存在对GSM-R网络的杂散超标引起的全频段干扰。这类问题，工程经验表明，中国移动在设备射频输出口加装滤波器，就可以有效解决。

参考文献

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[6]RECOMMENDATION ITU-R SM.329-10 Unwangted emission in the spurious domain.

[7]3GPP TS 25.141 V3.6.0 3rd Generation Partenership Project；Technical Specification Group Radio Access Networks；Base station conformance testing（FDD），clause 6.1，2001-06.

（作者单位：通号工程局集团北京研究设计实验中心有限公司）