高铁无线通信干扰检测及识别技术研究

马良德，左自辉，彭博，韩春明

（中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081）

0 引言

随着我国高速铁路数字移动通信系统（GSM-R）网络运用日益成熟，高铁枢纽、并线、交叉线等区域场景日益增多，公众电信网络覆盖不断增强，无线干扰在高铁无线通信运维中已逐步成为主要被关注问题。据2017年全国高速铁路GSM-R网络服务质量动态检测结果统计，超过60%的服务质量问题与网络无线干扰有关，且这一比例在2018年有所增长。目前解决无线干扰问题已成为铁路无线通信维护部门的重点工作之一。

1 无线干扰类型及影响

无线干扰是移动通信领域中永恒的话题，随着无线电频谱这种战略资源被越来越广泛的开发和利用，各频段间的相互干扰显得愈发不可避免。无线干扰是指在无线通信过程中发生的、无用的无线电信号引起的、导致有用信号接收质量下降或者损害的状态及事实[1]。

移动通信系统从频率的角度划分，主要存在3种类型的干扰：同频干扰、邻频干扰和互调干扰。从被干扰的频段链路角度划分，分为上行链路干扰和下行链路干扰。从干扰来源角度划分，分为网内干扰和网外干扰。另外，无线通信系统所处环境及其本身还存在噪声干扰[2]，包括自然噪声、人为噪声及系统设备本身产生的内部噪声，干扰类型见图1。

铁路GSM-R无线通信系统为干扰受限系统，无线链路的性能主要受限于干扰而不是受限于噪声[3]。干扰检测主要从频率和功率的角度对GSM-R无线干扰进行分析，干扰类型主要包括同频干扰、邻频干扰、互调干扰、大信号阻塞干扰以及由直放站引起的多径干扰等。

CTCS-3 级列控系统是基于GSM-R网络车地双向无线通信的列车运行控制系统，无线超时是C3线路中影响列车运行效率的重要因素之一[4]。特别是部分高铁运行速度达到350 km/h之后，无线超时在导致ATP设备降级为C2模式的同时，还会使车速降至300 km/h以下，这将给高铁运行带来直接影响。通过大量的检测数据分析及总结，无线干扰对GSM-R系统造成的影响[5]主要表现在3个方面：（1）影响移动用户间的通话，使语音通话质量下降，严重时会造成通信中断。（2）影响车地间的数据传输业务，给系统带来误码、丢包，使数据传输质量下降，严重时会造成数据传输中断。（3）影响通信系统的可靠性，使正常的移动通信业务流程连接建立失败、切换失败、连接丢失或掉话等故障，严重时会造成通信系统阻塞或业务中断。

图1 移动通信系统无线干扰类型

2 无线干扰检测方法及对比分析

我国铁路GSM-R系统的工作频段为885～889 MHz（上行）、930～934 MHz（下行）共4 MHz带宽，该频段可能会受到中国移动、中国联通等公共电信网络或其他无线电波的干扰，枢纽、交叉线或并线区域也可能产生网内干扰，这些无线干扰将会影响高铁的运营安全。通过对线路周边无线干扰的定期检测，可以查找影响铁路的干扰源并及时排除干扰，确保无线信道的安全畅通。

2.1 传统频谱干扰检测

传统频谱干扰检测系统一般包括天线单元、测量接收机或频谱分析仪、综合同步定位或GPS单元、测试控制及数据处理单元等，系统结构见图2。

图2 传统频谱干扰检测系统结构

测量接收机或频谱分析仪主要通过对无线信号进行变频、滤波、放大等处理，实现对所接收信号的频率、电平的测量。信令识别单元在通话或空闲状态下，通过采集和分析的网络参数，检测识别出主小区和其所有邻小区的广播控制信道BCCH、业务信道TCH、接收电平RxLev、载干比C/I等信息[6]。测试控制及数据处理单元主要通过检测软件实现对所测量数据的实时存储、分析、展示，并实现干扰识别和数据导出功能。

GSM-R电磁环境检测时利用频谱分析仪对GSM-R上、下行频段进行扫描，一般设置扫描周期为100 ms，分辨率带宽30 kHz，最大峰值检波方式，分别记录频谱扫描范围内接收电平的最大值、最小值和当前值。频谱扫描最大值用于表征在测试区间被测频带内出现过的电平最大值，可以反映被测区间GSM-R频段内的干扰分布和强度。同时启动GPS定位子系统，存储定位信息，定位信息包括经纬度、行驶速度，并计算出移动距离，利用综合同步定位系统使每个时段的频谱扫描数据与检测列车行经地点相对应。利用传统频谱分析仪进行GSM-R干扰检测，可以直观地看到无线信号的频谱特征，另外频谱仪操作简单、实时性强、易于存储，因此在网络优化中有着重要作用。

但在实时检测过程中会发现，在线检测时带宽内的信号大部分是GSM-R本网的信号，即使出现了其他网络的信号，也很难区分出来，尤其是无法分辨出同频干扰。因此传统频谱检测方式不适用于GSM-R网络在线干扰检测，这类系统大多在新线开通之前的无线清频和联调联试中应用，即在本网络不运行的状态下，对铁路线路周围的电磁环境进行检测。

2.2 实时频谱干扰检测

由于复杂电磁环境的实时变化，使得对于频域参数的测量需要进行实时观测和统计，需要实时频谱观测技术来进行频域参数的测量。尤其是如果多个信号的频谱有重叠，传统频谱仪只能利用包络测量已知频谱的有无，而无法对同频信号和多个信号进行统计分析。与传统频谱分析仪相比，实时频谱仪的优势主要有2个方面：一是由于信号处理速度大大提升，可实现对几乎所有（持续时间微秒级以上）瞬态干扰信号的捕捉。二是实时频谱特有的数字荧光频谱展示技术[7]（见图3）。

图3 某线路实时频谱干扰检测截图

实时频谱分析仪的实时频谱检测功能及其硬件构架，可以实现对GSM跳频信号的实时监测，其信号处理采用并行处理的方式，可以把信号的频谱显示处理和信号的捕获、分析处理分成两条线路并行同时处理。

2.3 扫频干扰检测

扫频干扰检测系统通过扫频仪的射频前端和内置DSP处理器来快速准确地对空口进行扫描，从而实现对频带内所有可解调的空口信号的检测。扫频仪可以对各种通信标准信号进行测量，与测试手机相比，它不存在处理速度与测量精度方面的局限。系统进行动态检测的过程是被动接收的, 因此扫频仪在网络测量中不会对GSM-R网络造成影响。扫频仪不需要安装SIM卡，不受参数、邻区甚至网络的影响。

扫频干扰检测系统由天线单元、扫频仪、综合同步定位或GPS定位单元、测试控制及数据处理单元等组成。扫频仪通过检测车车顶天线对GSM-R频段（Channel Number = 1 000～1 019）的信道进行色码扫描，采集结果通过测试控制及数据处理单元进行保存，软件同时采集GPS的经纬度数据，记录测试轨迹并显示路径上的相关信息。扫频干扰检测截图见图4。

图4 某线路扫频干扰检测截图

通过对铁路GSM-R网络的上行或下行频段信号进行扫频检测来分析GSM-R网络频点是否被公网运营商所占用，并通过MCC、MNC、LAC、BSIC等参数分析出干扰信号来源于哪个网络，通过C/I分析得到占用频点的质量情况，进而通过基站数据库可以定位出干扰信号来自哪个基站、与线路的距离关系等信息。

2.4 检测方法对比分析

传统频谱仪虽然操作简单、实时性强、便于分析，但因其扫描速度慢且没有信号出现的概率密度统计信息，基本不具备对瞬态干扰信号、跳频信号和同频干扰的检测功能，不适合不关基站情况下的在线干扰检测。另外邻频干扰和非调制信号干扰检测功能也没有实时频谱分析仪的相关功能强。

扫频仪能够不受网络限制，扫描出各类网络信号的电平值，且可以通过接收空口信令并解析，解出信号载干比、MCC、MNC、LAC、BSIC等，通过这些信息可以判断信号属于哪个网络，对干扰源的查找能提供有效的帮助。但扫频仪不具备频谱分析功能，不能通过频谱判断干扰信号和本网服务小区之间的信号关系。另外，扫频仪只能对调制信号的BCCH进行解码，无法实现对非规则干扰信号（如窄带脉冲干扰等）的检测功能。通过原理分析和实践运用总结得出3类无线干扰检测系统功能对比（见表1）。可见，3类检测系统各有其特点和局限性。

表1 3类干扰检测系统功能对比

3 基于服务质量的干扰检测方法及应用

干扰对GSM-R网络造成的影响包括话音质差（RxQual>4）、载干比C/I差、异常切换、切换失败、掉话、CSD数据传输干扰时间和传输无差错时间超标、CSD数据传输中断[5]等。这些内容大部分是GSM-R网络服务质量检测的项目，因此干扰检测不应该是一个孤立的系统，应首先站在网络用户的角度从服务质量参数的好坏来判断网络是否受到干扰。在此基础上，结合上述几种干扰检测方法的功能对比分析，提出基于服务质量的干扰检测方法，并利用该方法对部分高铁线路开展干扰检测工作。

3.1 基于服务质量的干扰检测方法

基于服务质量的干扰检测方法以检测车为平台，融合实时频谱干扰检测、信令扫频检测和服务质量检测等功能，可在线完成对通信网络的质量及状态的综合性检测和网络性能分析工作，用该方法研制的检测系统创新地运用了以下铁路无线干扰检测功能。

3.1.1 联动分析

基于服务质量的GSM-R干扰检测系统融合服务质量、场强、无线干扰检测等多项功能，检测项目和参数较多，所以实现多窗口、事件联动分析技术对数据综合分析来说尤为重要。根据干扰检测结果判定的特点，需要实现服务质量检测结果与干扰检测的联动分析功能。

在进行数据分析时，不同视图、列表、曲线图之间可以根据公里标实现联动分析，即单击曲线图的某一区域时或单击列表中的某条记录时，系统能够提取当前操作所在的公里标和经纬度，将其他相关视图、曲线图和列表的选择区域均定位到当前公里标；联动分析有助于将各个指标的测试结果结合起来辅助问题查找、定位和分析。

3.1.2 阻塞干扰自动识别

GSM系统技术规范《数字蜂窝系统无线传输与接收》（GSM 05.05）中列出频率间隔≤3 MHz时，当移动台持续接收到 -23 dBm的信号，基站台持续接收到-13 dBm的信号时，接收机将可能产生大信号阻塞。信号阻塞一般会导致全频段底噪抬升，底噪超过触发电平阈值时将会对服务质量造成影响。因此，阻塞干扰自动识别设置：距当前小区频点的频率间隔3 MHz带宽内，强信号触发电平设置为 -23 dBm；距当前小区频点的频率间隔在3～10 MHz带宽范围内，强信号触发电平设置为 -15 dBm。根据不同的线路场景，可自定义设置触发电平。

3.1.3 互调干扰自动识别

互调干扰自动识别首先从测量报告中读取当前BCCH或TCH频点和电平值，扫频仪设置为宽带扫描，通过扫频数据得到临近频点的电平值，当某一信号的电平高于互调阈值（阈值可自定义，如设置为 -40 dBm）时，则记录该信号的频点，将各信号频点统一放入缓存中，分别以当前占用BCCH和TCH为受干扰频点，进行三阶互调关系计算[9]。结合基础数据库信息，判断互调产物是否落在该小区的频点。如存在互调关系频点，则自动输出频点号、电平值、MCC、MNC、BISC、C/I等信息。

3.1.4 频谱模型识别

根据当前频段信号频谱特征，自动生成“频谱模型”，模型包括标准频谱和干扰频谱，并可实现灵活修改。如设置GSM-R标准频谱，并考虑检测车移动、电平衰落等因素；同样收集并设置宽频信号、窄带脉冲等非GSM信号和铁路沿线港口码头、机场和煤矿等场景的干扰频谱，并形成标准频谱和干扰频谱的数据库。频率触发模板的设置功能在进行频谱数据回放分析时，系统软件将协助用户高效、智能地完成干扰自动分析识别。

3.2 基于服务质量的干扰检测技术验证

3.2.1 检测案例

检测列车测试某高铁线路GSM-R服务质量，发现K2238+200处连续几个月都出现话音质量7级、载干比低于正常值、CSD数据干扰时间和数据无差错时间超标。通过服务质量数据分析，该位置的质量恶化只在下行检测过程中占用1001载频时发生，检测车上行方向运行时切换位置在 K2237+400处，在K2238+200处使用的是1006载频，因此判断该质量恶化问题与1001频点被干扰有关，但干扰的原因无法判断。

为了识别查找干扰源，利用基于服务质量的在线干扰检测系统对该线路进行检测，实时频谱分析与服务质量检测数据联动分析，自动识别出中国移动GSM网络强信号的互调产物落在GSM-R网络所使用的1001频点上，干扰识别结果见表2。

表2 互调干扰自动识别结果输出

三角标记的2个公众网络GSM频点f1=937.4 MHz、f2=944.4 MHz，满足三阶互调关系2f1-f2=930.4 MHz（QY-GZB08基站的BCCH频点），对GSM-R网络造成了干扰（见图5）。分析出干扰原因后，铁路局集团公司通信维护部门协调当地移动公司对相关频点进行了调整，调整后检测列车复测各指标恢复正常。

图5 基于服务质量的GSM-R干扰检测截图

检测列车在某高铁试验段上对LTE-R网络进行测试时，发现某处经常出现RS-SINR值减小，数据传输速率下降。利用干扰检测系统对该线路进行检测，通过对服务质量与实时频谱数据分析[10]，该位置LTE-R频段内存在25 kHz的窄带信号，且电平幅值高于本网信号（见图6）。通过基础数据和现场确认得知附近存在含450 MHz无线列调系统应用的既有线和货场，基于服务质量的干扰检测技术在LTE-R场景测试中得到了验证。

图6 基于服务质量的LTE-R干扰检测截图

3.2.2 应用成果

检测列车搭载基于服务质量的GSM-R网络干扰检测系统，对16条高速铁路进行了GSM-R网络干扰在线检测。检测共发现干扰问题105处，其中外网大信号阻塞导致全频段底噪抬升引起的干扰83处、互调干扰5处、本网基站功率过高和杂散导致的干扰6处、外网频段占用干扰11处，干扰类型及占比见图7。

图7 干扰类型及占比

通过检测试验发现，基于服务质量的在线干扰检测是高铁无线通信干扰检测的一种行之有效的手段。无线干扰检测分析结果可以指导现场维护单位开展进一步的干扰源查找及排除，大大提高了高铁无线干扰识别及干扰源排除工作的效率。

4 结束语

随着高铁通信网络建设范围的不断扩大，无线干扰带来的问题会更加多样化。应不断创新检测监测技术手段，使动态在线干扰检测成为铁路无线干扰检测监测体系的重要组成部分。通过加强无线干扰检测以了解干扰特性并判断干扰类型，根据不同无线干扰类型的特点采取有针对性的解决方案，用技术创新保证无线网络环境的清洁，保障铁路通信的畅通。