GSM－R 网络互调干扰分析及处理

马良德 王卫东 王惠生

随着中国铁路特别是高速铁路的快速发展，铁路数字移动通信系统 （GSM－R）作为车－地语音通信、调度命令及列车控制信息的传输通道，越来越多的在铁路中得以运用。在铁路建设过程中，公网电信运营商也将他们各自的无线通信系统引入铁路沿线，给广大铁路旅客提供公众无线通信服务。铁路GSM－R系统的基本原理和制式与目前中国移动和中国联通的GSM系统是一致的，因此当公网GSM系统在铁路沿线进行覆盖时，会给铁路GSM－R系统带来无线干扰。

无线干扰从频率的角度可分为同频干扰、邻频干扰和互调干扰，本文通过对铁路沿线的电磁环境及服务质量的测试，了解目前铁路GSM－R网络互调干扰状况，并提出解决互调干扰的处理方案。

1 无线通信互调干扰

在无线通信系统中，当多个不同频率的信号叠加到非线性器件时，经过非线性变换将产生许多新的组合频率信号，其中一部分可能恰好落到接收机的通带内，对有用信号造成干扰，称为互调干扰。互调干扰不仅能降低有用信号的功率，引起信号失真，降低系统选择性，还可能破坏邻近信道的性能。

非线性器件的输出电流ic与输入电压u之间的关系如下：

ic＝a0＋a1u＋a2u2＋a3u3＋…

式中ai为比例常数。假设有2个信号同时作用于非线性器件，即

u＝AcosωAt＋BcosωBt

则失真项表示为：

Σan（AcosωAt＋BcosωBt）nn＝2，3，4…

各失真项都含有ωA和ωB的高次谐波分量，当n≥2，会出现各种频率的组合，特别是n＝3时，会出现ωA和ωB都接近于有用信号的频率ω0，很容易满足以下条件：

2ωA－ωB≈ω0

2ωB－ωA≈ω0

同理，当有3个信号同时作用时，则会有：

ωA＋ωB－ωC≈ω0

ωA＋ωC－ωB≈ω0

ωB＋ωC－ωA≈ω0

以上频率组合不仅可以落入接收机的通频带之内，而且可以在ωA、ωB和ωC都靠近ω0的情况下发生。接收机的输入电路对频率靠近其工作频率的干扰信号不会有很大的抑制作用，因而这类组合频率的干扰对接收机的危害比较大，通常把这类组合频率的干扰称为三阶互调干扰。

虽然 铁 路 GSM－R 系 统 （上 行：885～889MHz，下行：930～934MHz）和中国移动900MHz频段 （上行890～909MHz，下行935～954MHz）存在频率间隔，但它们之间众多频点组合产生的三阶互调产物很容易给GSM－R系统带来干扰，且查找困难，影响严重。

2 GSM－R互调干扰测试及分析

互调干扰信号不是正常通信网络信号，采用普通频谱扫描检测的方式不容易被发现，即使使用带有信令解析的扫频仪，也很难确定干扰信号的类型。本文根据互调的形成机理，对部分高铁线路进行了加装特定滤波器的对比测试，通过对比话音质量Rxqual指标，判断目前高铁线路GSM－R网络接收机互调干扰现状。选用的滤波器为带通滤波器，带通滤波器频率特性曲线如图1所示。接收GSM－R的上下行信号并滤除其他信号，使进入到测试设备的信号都是GSM－R频点内的信号，消除产生互调干扰的外部条件。

图1 带通滤波器频率特性曲线

对比测试时，在检测车上搭建2套完全相同的GSM－R服务质量测试系统，一套将车顶天线与车载QoS测试设备直接连接；另一套先与带通滤波器连接，再连接至车载QoS测试设备。2套系统同时发起语音呼叫，并记录相关测试数据。测试设备连接如图2所示。

图2 测试设备连接图

通过对比各高铁线路GSM－R网络话音质量Rxqual小于等于4级的统计百分比数据，来判断互调干扰状况，对比结果如图3所示。加滤波器的情况下测试话音质量结果整体好于不加滤波器的测试结果，由此可以判断移动终端加装带通滤波器可以消除由于接收机互调干扰引起的话音质量下降。同时得出，部分线路确实存在外部信号对GSM－R网络的干扰影响，且对个别线路影响较大，如广珠城际、沪昆高铁等。而某些线路加装与不加装滤波器话音质量都没有出现大于4级的情况，说明在测试中基本没有出现外部信号的互调干扰，如沪宁城际等。

图4是某客专线路某GSM－R服务质量测试曲线截图，从服务质量测试曲线分析，可以看到不加滤波器测试K1092附近出现多次7级话音，载干比也降至0dB以下。加装滤波器后测试该小区载干比有了很大改善，且没有发生4级以上话音质量。铁路维护部门组织现场定点监测，发现该位置附近存在中国移动基站且发射信号较强，但没有占用铁路频点。经与地方无委联系对该基站进行暂时性关闭，再次对GSM－R网络检测，发现话音质量及载干比指标明显改善。

图3 接入滤波器话音质量Rxqual测试结果对比

通过对比测试数据可知高铁线路GSM－R网络存在外网信号导致的互调干扰，但分布并不均衡，大部分出现互调的线路被干扰小区的数量并不多，从图3的对比结果看到，不加装滤波器测试各线路话音质量，不大于4级的统计值都在99%以上，且加与不加滤波器测试小区载干比和话音质量，指标都较差。由此说明GSM－R网络除网外信号带来的互调干扰外，还存在其他类型的干扰，可以躲过滤波器的过滤直接进入接收机，如同频干扰、邻频干扰等。

3 GSM－R互调干扰解决方案

图4 某客专线路服务质量对比测试曲线截图

消除互调干扰影响的关键是提高有用信号的载干比，主要途径：一是提高GSM－R网络在干扰区域的电平覆盖；二是降低或消除外界相关信号的辐射电平。降低外界信号电平可以通过与电信运营商协调沟通，降低辐射功率或更换频点；同时还可以采用提高GSM－R移动终端接收机线性指标、减少外界信号进入接收机等方案，来解决互调干扰。

3．1 提高接收机线性指标

在运营线路上通过接口监测等手段监测到某些移动终端通信质量较差，大部分都归结于网络干扰，但有些质差是移动终端接收机本身特性指标不良造成的。

利用不同测试设备进行相同环境下的服务质量对比测试，通过数据分析判断移动终端特性对抗干扰能力的影响。测试使用S型号模块和T型号模块分别加装滤波器，同时使用T型模块不加滤波器进行对比测试，某区间的话音质量统计结果如表1所示。

从测试数据得知，即使加装了滤波器，S模块的测试统计结果也差于不加滤波器的T模块的话音质量。T模块不加滤波器时出现了由互调干扰引起话音质量7级，但S模块在每个切换前总是出现5～7级话音，使整体质量统计变差。同时查看本区间越区切换次数可知，S模块发生的切换次数明显多于T模块，GSM－R网络切换是BSC根据移动终端测量报告进行控制的，由此说明在相同环境下，S模块的测量报告中体现了更多的质量差的信息。

表1 话音质量统计结果对比表

因此，提高接收机线性指标，选择抗干扰能力强的移动终端是减少GSM－R网络干扰的重要解决方案之一。

3．2 减少外界信号进入接收机

通过表1对比测试结果，还可以发现接收机前端加装带通滤波器可以阻止或减少外界信号进入接收机，从而减少互调干扰。

针对三阶互调可知，如果参加互调的外界信号减少1dB，则互调产物可以减少约3dB。因此在不影响正常通信的前提下，加装定值衰减器同样可以减少外界信号进入接收机，从而提高有用信号的载干比。为不影响正常检测指标，采用2台测试设备，测试设备1射频前端接入1个6dB衰减器，与正常连接的测试设备2同时进行测试。接入衰减器后，虽然干扰信号和有用信号都会有所降低，但与有用信号相比，互调产物减少的幅度会更大。测试数据见图5，从中看到接入衰减器后各线路话音质量指标都有所提高。

图6为某客专线路接入衰减器的服务质量测试对比曲线截图，可以看到图6中K1091－K1111近20km的区段中，不加衰减器的测试终端共出现了3处7级话音质量和2次切换失败，而接入衰减器的测试终端仅出现了2次5级话音，网络服务质量改善效果非常明显。

图5 接入衰减器话音质量Rxqual测试结果对比

图6 接入衰减器后某客专线路服务质量对比测试曲线截图

4 结束语

随着GSM－R网络建设范围的不断扩大，无线干扰给GSM－R带来的问题会越来越多。应该通过加强无线干扰检测来了解干扰特性并判断干扰类型，根据不同无线干扰的特点，采取有针对性的解决方案。同时铁路维护部门应该加强与地方无委及电信运营商的沟通协调，各方面共同努力才能保证GSM－R网络环境的清洁，保证铁路无线通信的畅通。

［1］ 中华人民共和国铁道部．科技运［2008］170号．GSM－R无线网络覆盖和服务质量（QoS）测试方法（V1．0）［S］．2008．

［2］ 王买智．GSM－R网络频率干扰监测研究［J］．铁路技术创新．2014（1）．

［3］ 韩斌杰．GSM原理及其网络优化［M］．北京：机械工业出版社，2009．

［4］ 张世全．无源互调导论［M］．北京：西安电子科技大学出版社，2014．