铁路站场外来同频干扰监测系统设计

王啸阳

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

1 概述

车地无线通信系统是构成铁路综合通信网络的重要组成部分，也是保障列车和地面系统之间信息交互的重要手段。随着中国铁路建设的高速发展，铁路信息化水平越来越高，大量的车地交互数据需要通过车地无线通信系统进行传输，其中涉及许多铁路安全保障业务，如列车临时限速，列车运行状态监测，铁路隧道、桥梁等基础设施的安全监测，列车视频监控等。因此，在建设车地无线通信网络时，需要着重考虑如何提高车地无线通信系统的稳定性和信道质量。

为提高系统的稳定性，通常会对车地无线通信系统的关键设备进行冗余配置，即热备冗余机制。默认情况下，主设备处于工作状态，从设备处于监听或者休眠状态。当主设备发生故障时，从设备才开始介入并承担主设备的工作。热备冗余机制有利于缩短系统中断时间，提高系统稳定性。然而，这种传统的热备冗余机制会导致系统从设备的利用率较低。

另外，车地无线通信系统尤其是窄带无线通信系统的性能易受到外来同频干扰的影响。为改善通信信道质量，期望降低站场环境中的干扰水平，尤其是外来同频干扰水平。一般来说，外来同频干扰的监测、定位和消除方式主要有两种：1）定期使用干扰定位测试仪检查铁路站场环境中的干扰水平。然而，该方法仅适合应对长期固定的外来同频干扰，无法有效应对短期的或突发的外来同频干扰；2）单独搭建一套干扰监测系统，长期监控站场环境中的外来同频干扰水平，但是这将增加车地无线通信系统的建网成本。

因此，为了在不增加建网成本的前提下，提高对外来同频干扰信号的管控能力，系统从设备的利用率，本文设计了一种基于车地无线通信系统从设备的外来同频干扰监测系统方案。该方案利用车地无线通信系统的从设备搭建一套外来同频干扰监测系统，能够实现站场环境中的外来同频干扰的监测、定位及消除。

2 系统描述

目前国内铁路正线的车地无线通信系统主要采用的是第二代移动通信技术，即 GSM-R（Global System for Mobile Communications-Railways），未来将计划演进到第四代移动通信技术或第五代移动通信技术，即 LTE-R (Long Term Evolution-Railways)或5G-R（5G-Railways）。现阶段，国内已经完成LTE-R 通信技术的理论研究和试验线验证，并大力推进5G-R通信技术的理论研究和实验室验证。然而，无论是采用 GSM-R 通信技术还是 LTE-R或5G-R 通信技术，铁路车地无线通信系统的关键设备都会进行冗余配置，以提高车地数据交互的稳定性。

车地无线通信系统主要由核心网（Evolved Packet Core network，EPC）、基带单元（Baseband Unit，BBU）、射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）和天馈系统组成。EPC的功能是实现网络接入控制、数据路由和转发、移动性管理、无线资源管理、安全管理等。BBU的功能是实现信道编解码、基带信号调制解调、协议处理等，并提供与上层网元的接口。RRU的功能是在接收信号时，负责将天线传来的射频信号经滤波、低噪声放大、转化成光信号，传输给BBU；在发送信号时，负责将从BBU传来的光信号转成射频信号，通过天线放大发送出去。天馈系统的功能是实现基站设备与终端用户之间的信息能量转换，完成无线信号的发送和接收。

通常车地无线通信系统地面侧的网络架构如图1所示。该地面侧系统中的关键设备，如BBU、RRU和天馈系统，都进行了冗余配置。主（从）基带单元、主（从）射频拉远单元和主（从）天馈系统构成主（从）基站系统。主基站系统和从基站系统共用一个核心网，当主基站系统故障时，从基站系统自动运行并接替主基站系统的工作。

图1 网络架构Fig.1 Network architecture

在本方案中，将利用车地无线通信系统的从基站系统搭建一套外来同频干扰监测系统，用于监测和管控与本地基站发射频率相同的外来干扰。然而，由于主基站天线和从基站天线的间距较小，主基站天线的发射信号会对从基站天线接收端产生干扰，称之为本地自干扰，类似于同时同频全双工通信中的自干扰概念。因此，基于从基站系统搭建的外来同频干扰监测系统的关键任务是消除本地自干扰。

本地自干扰的消除方式主要有3种：空域消除、射频域消除和数字域消除。空域消除的原理是在空口处为发射天线和接收天线设置隔离，降低发射机信号对接收机信号的干扰，常用隔离手段有：1）增大发射天线和接收天线之间的距离；2）在发射天线和接收天线之间设置微波屏蔽板；3）配置多发射天线，通过调整多个发射天线到接收天线的距离，使发射信号在接收天线处形成反相抵消。射频域消除的原理是在模拟域通过射频电路以相位反转的形式实现干扰抵消。数字域消除的原理是在数字域通过信道估计和自适应滤波等方式实现干扰抵消。

在实际应用时，联合使用这3种消除方式一般能够实现110 dB左右的本地自干扰功率衰减，但具体的抑制效果与本地自干扰带宽负相关。

3 信号流程

外来同频干扰的监测功能主要由从基站系统完成，其信号流程框如图2所示。

图2 信号流程框图Fig.2 Signal flow diagram

外来同频干扰监测系统的算法思想描述如下。

1）从基站天线实时接收空口信号，并将接收信号传递给从基站系统进行处理。从基站天线接收的空口信号由主基站发送信号和外来同频干扰组成。

2）从基站系统利用射频域消除和数字域消除方法，将从基站接收信号中的本地主基站发送信号消除，获得实时的外来同频干扰信号。

3）从基站系统将实时的外来同频干扰信号传递给本地干扰监测系统，记录每次强干扰的发生时间、持续时间和信号强度，并统计指定时间内强干扰信号的发生频率。外来同频干扰强度阈值预设为-50 dBm，持续时间阈值预设为10 s，发生频率阈值预设为10次/min，具体阈值大小可根据现场情况进行调整。如果外来同频干扰的强度大于-50 dBm，则将其视为强干扰；反之，则为弱干扰。

4）根据强干扰信号的持续时间和发生频率，判断站场环境中是否存在强干扰源。

5）如果强干扰信号的单次持续时间大于持续时间阈值或发生频率大于发生频率阈值，则判断站场附近很可能存在强干扰源，本地干扰监测系统发出强干扰告警指示。现场人员利用干扰定位测试仪复查、定位及消除强干扰源。

6）如果强干扰信号的单次持续时间小于持续时间阈值且发生频率小于发生频率阈值，则判断站场附近没有强干扰源，无需人工介入。

4 结论

在不改动原有系统结构和热备冗余机制的前提下，本文重新设计了车地无线通信系统方案，以车地无线通信系统的从设备为基础，构建外来同频干扰监测系统，用于监管铁路站场环境中的外来同频干扰。该方案在满足车地无线通信系统的稳定性要求的同时，既提高了系统从设备的利用率，又节约了用于搭建干扰监测系统的硬件成本，在轨道交通领域具有一定潜在应用价值。