現(xiàn)有鐵路GSM-R電磁環(huán)境測(cè)試方法的不足與分析

姜 毅

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

近年來鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)隨著中國(guó)高速鐵路的建設(shè)飛速發(fā)展，為鐵路行車調(diào)度指揮、公務(wù)移動(dòng)、車－地信息傳輸及列車控制一體化提供了智能化和高效綜合的服務(wù)。

隨著GSM-R網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，遇到的電磁環(huán)境干擾問題也越來越多，為保障GSM-R網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行，必須經(jīng)常對(duì)鐵路沿線的電磁環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，查找干擾源，現(xiàn)有的測(cè)試方法和手段存在一些不足。

1 現(xiàn)有的電磁環(huán)境測(cè)試方法

電磁環(huán)境測(cè)試的目的是掌握電磁環(huán)境及信道占用情況，發(fā)現(xiàn)干擾信號(hào)和查找干擾源?，F(xiàn)在常用的鐵路GSM-R電磁環(huán)境測(cè)試的方法分兩部分。

1.1 實(shí)驗(yàn)車上的測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)車上的測(cè)試用來定位存在干擾的區(qū)域。測(cè)試用的主要設(shè)備有GSM-R頻段天線及饋線、GPS天線及饋線、場(chǎng)強(qiáng)接收機(jī)/頻譜分析儀、計(jì)距設(shè)備、速度傳感器、UPS電源、測(cè)試用電腦及相關(guān)測(cè)試軟件。測(cè)試系統(tǒng)組成如圖1所示。

測(cè)試步驟如下。

1）在電磁環(huán)境測(cè)試前收集沿線的線路數(shù)據(jù)，包括基站位置、公里標(biāo)、經(jīng)緯度等信息。

2）關(guān)閉待測(cè)線路沿線所有GSM-R基站和直放站。

3）當(dāng)實(shí)驗(yàn)車在待測(cè)線路上行駛時(shí)，使用車載的頻譜儀或場(chǎng)強(qiáng)接收機(jī)對(duì)GSM-R全頻段掃描。如果發(fā)現(xiàn)有干擾信號(hào)，就同時(shí)記錄下當(dāng)前的公里標(biāo)、經(jīng)緯度和頻譜圖等信息。

4）測(cè)試完成后整理數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)存在干擾的區(qū)域。地面測(cè)試人員再根據(jù)這些信息查找干擾源。

在測(cè)試過程中，需要根據(jù)沿線一些標(biāo)志物的公里標(biāo)或經(jīng)緯度信息定期對(duì)計(jì)距設(shè)備的公里標(biāo)進(jìn)行校正。

1.2 地面測(cè)試

在地面的測(cè)試用來作網(wǎng)絡(luò)開通前的電磁環(huán)境測(cè)試，開通后干擾源的查找和定位。測(cè)試用的主要設(shè)備有GSM-R頻段全向天線、天線支架、GSM-R頻段定向天線、饋線、便攜式場(chǎng)強(qiáng)接收機(jī)、便攜式頻譜分析儀、測(cè)試手機(jī)、筆記本電腦、便攜式GPS接收機(jī)、指南針及車輛。測(cè)試系統(tǒng)組成如圖2所示。

測(cè)試步驟如下。

1）首先在測(cè)試點(diǎn)附近選擇四周開闊、有一定高度的地方搭建測(cè)試系統(tǒng)，記錄經(jīng)緯度、公里標(biāo)、天線距軌面和地面的高度等信息。

2）使用便攜式頻譜儀和全向天線，對(duì)GSM-R的上下行進(jìn)行全頻段掃描，觀察各信道的情況。

3）用場(chǎng)強(qiáng)接收機(jī)對(duì)GSM-R的上下行各信道進(jìn)行掃描采樣，每信道至少1?s采樣一次，測(cè)試時(shí)間不小于15?min，記錄每次采樣的電平值，全頻段掃描結(jié)束后，對(duì)記錄的各信道電平值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（包括時(shí)間概率大于5%和小于5%的頻點(diǎn)），計(jì)算其均值和方差，最大值、最小值及電平超過最大允許干擾信號(hào)電平的測(cè)試次數(shù)占總測(cè)試次數(shù)的百分比(信道占用度)，并繪制表格。根據(jù)各信道頻率占用度初步判定是否存在同頻干擾及未知信號(hào)。

4）根據(jù)頻譜圖、信道占用度結(jié)合GSM-R網(wǎng)絡(luò)的頻率分配表進(jìn)行分析，找出干擾信號(hào)的頻率和電平。

5）測(cè)試中如果懷疑中國(guó)移動(dòng)對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)存在干擾，那么就給測(cè)試手機(jī)分別裝上GSM-R和中國(guó)移動(dòng)的SIM卡，把測(cè)試手機(jī)強(qiáng)制注冊(cè)到當(dāng)前小區(qū)和附近的所有鄰小區(qū)進(jìn)行撥打測(cè)試，記錄呼叫時(shí)網(wǎng)絡(luò)分配給測(cè)試手機(jī)的所有信道號(hào)，查看中國(guó)移動(dòng)是否使用了鐵路GSM-R的信道。

6）用定向天線和頻譜儀對(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的干擾信號(hào)測(cè)向，逐步逼近干擾源，最后確定干擾源的位置。

2 現(xiàn)有測(cè)試方法的不足

干擾信號(hào)的類型非常復(fù)雜，可能是突發(fā)的，也可能是持續(xù)的；可能是隨機(jī)出現(xiàn)，也可能是規(guī)律的。由于這種復(fù)雜性和不確定性導(dǎo)致現(xiàn)有的測(cè)試方法存在不足。

2.1 實(shí)驗(yàn)車上的測(cè)試問題

2.1.1 監(jiān)測(cè)時(shí)間的不足

干擾信號(hào)分類（查資料），所以作電磁環(huán)境測(cè)試一般都需要在待測(cè)地點(diǎn)作長(zhǎng)時(shí)間、不同時(shí)間段的監(jiān)測(cè)，以盡可能地捕獲到干擾信號(hào)。測(cè)試時(shí)實(shí)驗(yàn)車在線路上快速行駛，分?jǐn)偟礁鼽c(diǎn)的測(cè)試時(shí)間都非常短，只能測(cè)試到各點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)車行駛過這一瞬間的電磁環(huán)境，不能反映沿線各點(diǎn)在不同時(shí)間段的電磁環(huán)境。

2.1.2 測(cè)試時(shí)間和測(cè)試車很難協(xié)調(diào)

作測(cè)試需要關(guān)閉沿線所有的基站和直放站，只有在線路檢修的天窗點(diǎn)才有可能進(jìn)行，而且需要安排專門的測(cè)試車，所以很難協(xié)調(diào)到測(cè)試時(shí)間和測(cè)試車。即使協(xié)調(diào)到時(shí)間和測(cè)試車，往往也只有一兩天時(shí)間，甚至只有幾個(gè)小時(shí)。如果干擾信號(hào)是突發(fā)、隨機(jī)出現(xiàn)的，這么有限的測(cè)試時(shí)間再加上2.1.1提到的問題造成發(fā)現(xiàn)它們的概率會(huì)大大降低。

2.2 地面測(cè)試的問題

2.2.1 測(cè)試天線架設(shè)高度不夠

高速鐵路一般都建在十幾米的高架上，在地面測(cè)試如果要達(dá)到這樣的安裝高度，需要十多米的天線支架，這樣的支架體積笨重、安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力，攜帶不便。所以一般測(cè)試時(shí)，使用高度2?m左右的天線支架，測(cè)試點(diǎn)選在有一定高度、四周開闊的地方。有的測(cè)試點(diǎn)附近可能找不到開闊的高點(diǎn)，測(cè)試天線的高度小于機(jī)車天線的高度，原本會(huì)對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)造成干擾的信號(hào)，在地面測(cè)試中的結(jié)果可能不會(huì)超過最大允許干擾電平值。

2.2.2 信號(hào)的識(shí)別能力不夠

頻譜儀和接收機(jī)只能反映頻譜和信道的占用情況，信號(hào)的識(shí)別能力很差。尤其當(dāng)有用信號(hào)與干擾信號(hào)混雜在一起時(shí)，就很難把它們分辨出來。在進(jìn)行既有線的電磁環(huán)境測(cè)試和干擾查找時(shí)，為了不影響運(yùn)營(yíng)，往往不能關(guān)閉鐵路沿線GSM-R基站和直放站，該問題更為突出，給測(cè)試帶來很大的困難。

圖3是某GSM-R基站附近的頻譜圖，測(cè)試時(shí)GSM-R基站處于工作狀態(tài)。圖中MARK點(diǎn)M6標(biāo)注是在933.4?MHz測(cè)到的電平為-93.3?dBm。在試驗(yàn)車上的測(cè)試反映該頻點(diǎn)有干擾信號(hào)，由于GSM-R網(wǎng)絡(luò)也分配了這個(gè)頻點(diǎn)，在頻譜圖中無法分辨出該信號(hào)究竟是正常信號(hào)還是干擾信號(hào)。

為了彌補(bǔ)頻譜儀和接收機(jī)信號(hào)識(shí)別能力的不足，測(cè)試中還使用測(cè)試手機(jī)反復(fù)撥打電話同時(shí)記錄TCH信道號(hào)的方法來輔助判斷干擾信號(hào)的類型。但是這種方法的前提條件是干擾由中國(guó)移動(dòng)使用了鐵路GSM-R頻點(diǎn)引起的，如果是其他運(yùn)營(yíng)商的信號(hào)或是其他類型的信號(hào)，這種方法就無能為力了。在實(shí)際測(cè)試中這種方法的效果不理想。筆者曾經(jīng)開發(fā)過以這種方法為基礎(chǔ)的干擾測(cè)試軟件，并在大秦線GSM-R干擾測(cè)試中使用，發(fā)現(xiàn)在鐵路沿線只有很小一部分中國(guó)移動(dòng)造成的干擾能用這種方法識(shí)別。有一個(gè)移動(dòng)基站甚至到了離它只有幾十米的地方，才能夠記錄到該基站使用了GSM-R頻點(diǎn)，此時(shí)距離鐵路的直線距離已經(jīng)有3?km左右。后來分析出原因：在很多地區(qū)，中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)半徑已經(jīng)很小了，往往只有500?m左右，但是發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度仍然足以影響到數(shù)公里以外的GSM-R網(wǎng)絡(luò)。在鐵路沿線即使強(qiáng)制注冊(cè)到當(dāng)前小區(qū)和附近的所有鄰小區(qū)，可能也沒有包含造成干擾的小區(qū)，自然記錄不到該小區(qū)分配的信道號(hào)。

3 改進(jìn)方案

現(xiàn)在電磁環(huán)境測(cè)試的發(fā)展趨勢(shì)是信息化和智能化?？梢栽诠W(wǎng)現(xiàn)有的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上建立一套全路的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)加強(qiáng)和各地?zé)o線電管理委員會(huì)的合作，利用無線電管理委員會(huì)的優(yōu)勢(shì)資源，提高效率。

3.1 建立全路的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由車載系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)站、監(jiān)測(cè)車、綜合分析系統(tǒng)組成，各部分之間通過網(wǎng)絡(luò)連接起來。系統(tǒng)組成如圖4所示。

3.1.1 車載系統(tǒng)

車載系統(tǒng)包括車載接收機(jī)和車載QoS測(cè)試設(shè)備，安裝在普通的列車上。當(dāng)列車在線路上行駛時(shí)自動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。車載接收機(jī)監(jiān)測(cè)各點(diǎn)電磁環(huán)境頻譜及噪聲的變化情況，同時(shí)QoS測(cè)試設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果通過GPRS方式定期傳送到綜合分析系統(tǒng)。這樣就克服了在實(shí)驗(yàn)車上的測(cè)試時(shí)間不足和難以協(xié)調(diào)測(cè)試時(shí)間的問題，只要列車在運(yùn)行，就可以對(duì)電磁環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)作測(cè)試。

3.1.2 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在核心網(wǎng)機(jī)房，與車載QoS測(cè)試設(shè)備配合使用。它實(shí)時(shí)記錄GSM-R網(wǎng)絡(luò)各接口的信令消息，同時(shí)把消息匯總給綜合分析系統(tǒng)。

3.1.3 監(jiān)測(cè)站

在樞紐站等重點(diǎn)地區(qū)可以設(shè)立監(jiān)測(cè)站，對(duì)鐵路無線電頻率作長(zhǎng)期的電磁環(huán)境測(cè)試，以掌握電磁環(huán)境和信道占用情況。如果發(fā)現(xiàn)干擾，可以用監(jiān)測(cè)站的測(cè)向功能定位出干擾源的大概位置。

3.1.4 監(jiān)測(cè)車

對(duì)存在干擾或已經(jīng)定位出干擾源大概位置的區(qū)域用監(jiān)測(cè)車來查找干擾源。監(jiān)測(cè)車配備了高靈敏度的天線陣列、無線電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、便攜式頻譜儀和定向天線。使用天線陣列能夠精確的對(duì)干擾信號(hào)測(cè)向，再利用無線電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分析識(shí)別功能對(duì)干擾信號(hào)的類型進(jìn)行識(shí)別。在車輛無法到達(dá)的地方，測(cè)試人員可以帶著便攜式頻譜儀和定向天線測(cè)試。

3.1.5 綜合分析系統(tǒng)

綜合分析系統(tǒng)根據(jù)收集到的各種信息對(duì)網(wǎng)絡(luò)的干擾情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如果某處有干擾信號(hào)影響到GSM-R網(wǎng)絡(luò)，車載系統(tǒng)可能會(huì)測(cè)到該處環(huán)境噪聲發(fā)生了變化、QoS指標(biāo)變差，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得信令異常，綜合分析系統(tǒng)根據(jù)這些信息分析出發(fā)生干擾的具體區(qū)域，同時(shí)發(fā)出警告。如果發(fā)生干擾的區(qū)域有監(jiān)測(cè)站，還可以利用監(jiān)測(cè)站的測(cè)向功能在電子地圖上定位出干擾源的大概位置。最后測(cè)試人員就可以根據(jù)這些信息開著監(jiān)測(cè)車去查找干擾源。

3.2 加強(qiáng)與無線電管理委員會(huì)的合作

無線電管理委員會(huì)主要負(fù)責(zé)編制無線電頻譜規(guī)劃；負(fù)責(zé)無線電頻率的劃分、分配與指配；依法監(jiān)督管理無線電臺(tái)（站）；負(fù)責(zé)衛(wèi)星軌道位置協(xié)調(diào)和管理；協(xié)調(diào)處理軍地間無線電管理相關(guān)事宜；負(fù)責(zé)無線電監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、干擾查處，協(xié)調(diào)處理電磁干擾事宜，維護(hù)空中電波秩序；依法組織實(shí)施無線電管制；負(fù)責(zé)涉外無線電管理工作。

無線電管理委員會(huì)不僅建有監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，而且掌握各地的無線電臺(tái)站信息。如果能把鐵路的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與無線電管理委員會(huì)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息共享，與他們合作開展電磁環(huán)境測(cè)試和干擾查找工作能達(dá)到事半功倍的效果。

[1]鐘章隊(duì)，李旭，蔣文怡，等. 鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R）[M].北京：中國(guó)鐵道出版社.2003.

[2]安捷倫科技有限公司. 信號(hào)監(jiān)測(cè)、頻率管理和無線電發(fā)射機(jī)地理定位的技術(shù)與趨勢(shì)——技術(shù)指南.2009.