GSM－R系統(tǒng)中干擾的測(cè)試

楊連好

GSM－R已在全國(guó)鐵路大面積采用，而我國(guó)尚無針對(duì)GSM－R網(wǎng)絡(luò)無線干擾比較全面的評(píng)價(jià)及測(cè)試方法。為此結(jié)合工程實(shí)際，以實(shí)際工程中大量測(cè)試數(shù)據(jù)、檢測(cè)圖表和相關(guān)測(cè)試案例為依據(jù)，按照工程建設(shè)初期階段、工程驗(yàn)收階段以及運(yùn)行期間，對(duì)設(shè)備性能、網(wǎng)絡(luò)干擾的監(jiān)測(cè)和控制等進(jìn)行總結(jié)，探討GSM－R系統(tǒng)干擾的測(cè)試方法。

GSM－R干擾主要來自系統(tǒng)外部和系統(tǒng)內(nèi)部二方面，對(duì)系統(tǒng)測(cè)試也主要圍繞這2個(gè)方面進(jìn)行。在工程建設(shè)的初期階段，可以在鐵路沿線進(jìn)行電磁環(huán)境評(píng)價(jià)和清頻工作；在前期網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)劃階段，主要對(duì)鐵路沿線的GSM－R頻段內(nèi)底部噪聲進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)；在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和運(yùn)營(yíng)階段，主要著手查找干擾來源，對(duì)于內(nèi)部的干擾通過技術(shù)優(yōu)化盡量降低干擾影響，對(duì)于外部干擾應(yīng)確定其干擾的來源，協(xié)同有關(guān)部門進(jìn)行處理。下面主要介紹不同階段的測(cè)試方法。

1 工程建設(shè)初期

工程建設(shè)初期，為了給網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和規(guī)劃提供基本的頻譜資料，在規(guī)劃線路時(shí)先期進(jìn)行GSM－R頻段的電磁環(huán)境測(cè)試，完成非GSM－R信號(hào)的清理排查工作。由于此階段GSM－R信號(hào)處于關(guān)閉狀態(tài)，干擾信號(hào)的查找和排查比較容易。

GSM－R電磁環(huán)境測(cè)試預(yù)置條件：關(guān)閉本工程設(shè)計(jì)范圍內(nèi)及附近可能產(chǎn)生干擾的GSM－R系統(tǒng)基站、直放站等設(shè)備；車速不宜超過100km/h。動(dòng)態(tài)電磁環(huán)境檢測(cè)設(shè)備組成如圖1所示，檢測(cè)點(diǎn)為空中接口 （Um）。

1.1 頻譜寬帶掃描檢測(cè)

檢測(cè)范圍覆蓋工程設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的所有線路；檢測(cè)設(shè)備頻率與GSM－R工作頻率一致；檢測(cè)設(shè)備分辨率帶寬 （RBW）、可視化帶寬 （VBW）符合接收機(jī)靈敏度－105dBm/200kHz的要求。接收機(jī)在200kHz條件下的靈敏度S1為：

其中，S0由檢測(cè)設(shè)備技術(shù)文件提供，指檢測(cè)設(shè)備分辨帶寬為B0時(shí)的靈敏度；M為折算帶寬，M＝10×lg （200kHz/B0）；G為天線增益；Lc為饋線及轉(zhuǎn)接頭損耗。

圖1 動(dòng)態(tài)電磁環(huán)境檢測(cè)設(shè)備組成示意圖

當(dāng)靈敏度不符合－105dBm/200kHz要求時(shí)，可調(diào)整RBW設(shè)置或加裝低噪聲放大器。檢波方式設(shè)置為峰值檢波，掃描方式設(shè)置為實(shí)時(shí)掃描，掃描時(shí)間可設(shè)置為自動(dòng)。檢測(cè)設(shè)備結(jié)合公里標(biāo)信息自動(dòng)記錄和顯示當(dāng)前位置的檢測(cè)結(jié)果。

數(shù)據(jù)處理和結(jié)果判定：以2個(gè)基站之間的區(qū)間作為1個(gè)樣本區(qū)間進(jìn)行干擾統(tǒng)計(jì)。當(dāng)存在較長(zhǎng)的連續(xù)干擾區(qū)域時(shí)，建議進(jìn)行定點(diǎn)電磁環(huán)境檢測(cè)，以便確認(rèn)干擾源。檢測(cè)結(jié)果采用數(shù)據(jù)表格和圖形相結(jié)合的顯示方式，通過設(shè)置門限值判斷是否存在干擾。

1.2 采用單個(gè)或多個(gè)測(cè)量接收機(jī)檢測(cè)

按工作頻點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)；檢測(cè)范圍覆蓋工程設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的所有線路；檢測(cè)設(shè)備頻率與GSM－R工作頻率一致，檢測(cè)帶寬為200kHz；檢波方式為峰值檢波。檢測(cè)設(shè)備結(jié)合公里標(biāo)信息自動(dòng)記錄和顯示當(dāng)前位置的檢測(cè)結(jié)果。

按工作頻點(diǎn)測(cè)量電平，檢測(cè)結(jié)果通過公式 （2）計(jì)算得到，并判定是否存在干擾。

其中：Um＇為該樣本區(qū)間的概率統(tǒng)計(jì)值；L為饋線損耗；G為天線增益。檢測(cè)結(jié)果應(yīng)按每200kHz間隔生成檢測(cè)數(shù)據(jù)，電平考慮L，G修正后結(jié)果。

根據(jù)鐵運(yùn)函 ［2007］305號(hào) 《關(guān)于規(guī)范鐵路GSM－R電磁環(huán)境測(cè)試和臺(tái)站設(shè)置辦理程序的通知》要求，在GSM－R頻段內(nèi)，公用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)GSM/GPRS移動(dòng)通信系統(tǒng)的信號(hào)電平在鐵路軌道上方4.5m處的最大值應(yīng)不大于－105dBm。

2 工程建設(shè)驗(yàn)收階段

隨著工程建設(shè)的竣工，GSM－R設(shè)備逐步開通調(diào)試。在BTS設(shè)備的測(cè)試驗(yàn)收階段，應(yīng)該進(jìn)行射頻指標(biāo)測(cè)試。主要包括輸出射頻頻譜 （調(diào)制譜和開關(guān)頻譜）、設(shè)備內(nèi)、外部互調(diào)指標(biāo)及設(shè)備雜散發(fā)射指標(biāo)。測(cè)試方法根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，測(cè)試設(shè)備是R＆S的頻譜分析儀FSU26和相關(guān)的配件設(shè)備。

為了避免GSM－R設(shè)備干擾GSM－R系統(tǒng)運(yùn)行，按照國(guó)家相關(guān)規(guī)范，提出一種GSM－R設(shè)備干擾控制測(cè)試方法，測(cè)試輸出信號(hào)的頻譜特性、設(shè)備的雜散性和互調(diào)性等。

2.1 調(diào)制和寬帶噪聲產(chǎn)生的頻譜測(cè)試

驗(yàn)證收發(fā)信機(jī)由于調(diào)制和寬帶噪聲產(chǎn)生的輸出射頻 （RF）頻譜不超過規(guī)定電平。輸出頻譜測(cè)試配置如圖2所示。

圖2 輸出頻譜測(cè)試配置圖

測(cè)試時(shí)隙應(yīng)激活一個(gè)收發(fā)信機(jī)，分別在GSMR頻段的最低、中間和最高3個(gè)頻率上進(jìn)行測(cè)試。由于測(cè)試是在現(xiàn)場(chǎng)，因此只在實(shí)際工作的頻點(diǎn)上進(jìn)行。

時(shí)隙0應(yīng)設(shè)置為以全功率發(fā)射正常BCCH數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)，其他時(shí)隙設(shè)置為以全功率發(fā)射偽隨機(jī)序列調(diào)制的加密比特。

考慮GSM－R設(shè)備的應(yīng)用特性，此處只測(cè)試最大功率條件下功率電平的性能。

使用濾波器，視頻帶寬RBW設(shè)為30kHz，在天線接頭測(cè)量載波頻率上的功率；應(yīng)對(duì)至少200個(gè)突發(fā)脈沖中的激活突發(fā)脈沖進(jìn)行平均，且在除0時(shí)隙以外的其他時(shí)隙進(jìn)行測(cè)試。

相對(duì)于載波頻率，以頻偏100，200，250，400kHz，以及600～1800kHz（每隔200kHz）分別測(cè)試電平。

將所有時(shí)隙設(shè)為相同功率級(jí)，對(duì)設(shè)備的所有靜態(tài)功率級(jí)都要進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)偏離發(fā)射頻率1800kHz直至超出發(fā)射機(jī)頻帶2MHz的頻率上，使用濾波器，視頻帶寬設(shè)為30kHz，在天線接頭測(cè)量載波頻率上的功率。測(cè)試應(yīng)使用掃頻模式，最小掃頻時(shí)間為75ms，對(duì)200次掃頻的結(jié)果進(jìn)行平均。

2.2 切換瞬態(tài)頻譜測(cè)試

測(cè)試目的：驗(yàn)證切換瞬態(tài)頻譜不超過規(guī)定限值。測(cè)試配置參考圖2。測(cè)試步驟如下。

首先確定現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備配置的收發(fā)信機(jī)數(shù)量：有1個(gè)收發(fā)信機(jī)時(shí)，不測(cè)試；有2個(gè)及以上收發(fā)信機(jī)時(shí)，將其中1個(gè)收發(fā)信機(jī)配置為BCCH載波，并分別在GSM－R頻段的最低、中間和最高頻點(diǎn)上測(cè)試其他收發(fā)信機(jī)。如果支持BCCH的收發(fā)信機(jī)不是被測(cè)收發(fā)信機(jī)，也應(yīng)該在GSM－R頻段的最低、中間和最高上對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

時(shí)隙0應(yīng)設(shè)置為以全功率發(fā)射正常BCCH數(shù)據(jù)調(diào)制的信號(hào)，其他時(shí)隙應(yīng)設(shè)置為以全功率發(fā)射偽隨機(jī)序列調(diào)制的加密比特。相對(duì)于載波頻率，以頻偏400，600，1200，1800kHz測(cè)量功率。以收發(fā)信機(jī)全功率發(fā)射的信號(hào)功率作為基準(zhǔn)功率，測(cè)量帶寬應(yīng)至少為300kHz。

測(cè)量其他頻率時(shí)測(cè)試設(shè)備參數(shù)：分辨帶寬30kHz、視頻帶寬100kHz、零掃頻、峰值保持激活。激活收發(fā)信機(jī)的所有時(shí)隙，功率設(shè)置為最高靜態(tài)功率控制級(jí)。

如果設(shè)備支持合成器跳頻，則非BCCH的收發(fā)信機(jī)在GSM－R頻段的最低、中間和最高上跳頻，對(duì)這些收發(fā)信機(jī)重復(fù)測(cè)試。目前GSM－R不開跳頻，該項(xiàng)測(cè)試為參考項(xiàng)目。

如果設(shè)備支持動(dòng)態(tài)功率控制，所有不支持BCCH激活的收發(fā)信機(jī)各時(shí)隙功率按圖3設(shè)置。將所有不支持BCCH激活的收發(fā)信機(jī)設(shè)置為間隔時(shí)隙激活，如時(shí)隙1、3、5、7激活，或0、2、4、6激活 （如圖4所示），功率設(shè)置為最高靜態(tài)功率控制級(jí)，剩余時(shí)隙置為空閑。

圖3 功率/時(shí)隙配置圖

圖4 功率/時(shí)隙配置圖 （無RF功率控制）

2.3 互調(diào)衰減測(cè)試

測(cè)試目的：確保設(shè)備的互調(diào)特性滿足要求，不對(duì)系統(tǒng)造成干擾。一種用于測(cè)試互調(diào)衰減的配置如圖5、圖6所示，使用的耦合設(shè)備應(yīng)有足夠的工作帶寬以滿足測(cè)試要求。

圖5 互調(diào)產(chǎn)物落在GSM－R Rx帶外的測(cè)試配置圖

圖6 互調(diào)產(chǎn)物落在GSM－R Rx帶內(nèi)的測(cè)試配置圖

如果設(shè)備支持慢跳頻，則應(yīng)去活慢跳頻。由于GSM－R不開跳頻，因此這里可直接進(jìn)行互調(diào)衰減測(cè)試。僅激活被測(cè)收發(fā)信機(jī)，其他收發(fā)信機(jī)置為空閑狀態(tài)，設(shè)備頻率設(shè)置在GSM－R的發(fā)射工作頻帶內(nèi)。被測(cè)設(shè)備發(fā)射的天線輸出端，包括合路器，應(yīng)連接一個(gè)耦合設(shè)備，負(fù)載阻抗為50Ω。

測(cè)試信號(hào)的頻率應(yīng)在GSM－R發(fā)射工作頻帶范圍內(nèi)。測(cè)試信號(hào)為未調(diào)制信號(hào)，偏離被測(cè)發(fā)射設(shè)備的頻率X MHz。被測(cè)收發(fā)信機(jī)應(yīng)設(shè)置為靜態(tài)功率級(jí)0，測(cè)試信號(hào)電平應(yīng)設(shè)為低于被測(cè)收發(fā)信機(jī)功率30dB。測(cè)試配置如圖7所示。

圖7 Tx互調(diào)衰減測(cè)試信號(hào)設(shè)置圖

測(cè)試信號(hào)的功率電平應(yīng)在與發(fā)射設(shè)備斷開后，阻抗匹配為50Ω，在同軸電纜的天線輸出端測(cè)量。RF發(fā)射設(shè)備的天線輸出端功率應(yīng)在連接天線的輸出端測(cè)量。調(diào)整干擾信號(hào)的頻率，使互調(diào)產(chǎn)物剛好落在GSM－R的頻段范圍內(nèi)：測(cè)量濾波器帶寬100kHz，掃頻模式，在200次掃頻上平均。測(cè)量所有三階互調(diào)產(chǎn)物。

進(jìn)行測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量避免選頻測(cè)量設(shè)備的非線性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，應(yīng)確保測(cè)試設(shè)備如信號(hào)發(fā)生器、耦合設(shè)備、選頻測(cè)量設(shè)備中，非線性器件產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物已衰減到足夠小。被測(cè)RF發(fā)射設(shè)備和測(cè)試信號(hào)源應(yīng)分開放置，確保直接輻射不影響測(cè)試結(jié)果。

2.4 BSS內(nèi)互調(diào)衰減測(cè)試

確保GSM－R設(shè)備在多個(gè)載波同時(shí)發(fā)射時(shí)，自身的內(nèi)互調(diào)產(chǎn)物不大于規(guī)定的限值，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成干擾。測(cè)試設(shè)置如圖8所示。為減小對(duì)頻譜分析儀動(dòng)態(tài)范圍的要求，可以使用外部濾波器。

圖8 測(cè)試配置圖

如果設(shè)備支持慢跳頻，則在此項(xiàng)測(cè)試中去活慢跳頻，由于GSM－R不開跳頻，因此這里可直接進(jìn)行測(cè)試。設(shè)備配置全部的收發(fā)信機(jī)，調(diào)整各個(gè)收發(fā)信機(jī)的頻點(diǎn)，使內(nèi)互調(diào)產(chǎn)物落在GSM－R的頻段范圍內(nèi)，每個(gè)發(fā)射設(shè)備以最大功率 （靜態(tài)功率級(jí)0）發(fā)射偽隨機(jī)序列調(diào)制的信號(hào)。在設(shè)備的天線接頭使用頻譜分析儀進(jìn)行互調(diào)成分測(cè)量。此時(shí)測(cè)量濾波器帶寬和視頻帶寬為100kHz，掃頻模式，在200次掃頻上平均，掃頻時(shí)間至少75ms。

2.5 雜散發(fā)射測(cè)試

確保設(shè)備在有效頻率外的雜散發(fā)射小于規(guī)定值，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成有害干擾。用于測(cè)試設(shè)備天線接頭處雜散發(fā)射的測(cè)試配置如圖8所示。為減小對(duì)頻譜分析儀動(dòng)態(tài)范圍的要求，可以使用外部濾波器。測(cè)試方法同BSS內(nèi)互調(diào)衰減測(cè)試。

3 GSM－R系統(tǒng)運(yùn)行期間的干擾監(jiān)測(cè)

GSM－R開通后，對(duì)于鐵路兩側(cè)區(qū)域及以外區(qū)域應(yīng)進(jìn)行空中接口的評(píng)價(jià)測(cè)試，同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)營(yíng)商和無委進(jìn)行必要的干擾處理。在日常運(yùn)行中，為了防止突發(fā)的或者部分非法臺(tái)站，對(duì)一些重點(diǎn)區(qū)域包括話務(wù)量大的站點(diǎn)、列車運(yùn)行中容易出現(xiàn)通信質(zhì)量問題的區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)干擾監(jiān)測(cè)工作。GSM－R系統(tǒng)運(yùn)行期間的干擾監(jiān)測(cè)方法如圖9所示。

圖9 鐵路GSM－R干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

為了滿足測(cè)試要求，需要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)靈敏度進(jìn)行分析。靈敏度與多個(gè)因素有關(guān)，以GSM－R天線與R＆S公司的ESPI測(cè)試接收機(jī)搭建系統(tǒng)為例，計(jì)算RBW＝200kHz時(shí)的系統(tǒng)靈敏度。

S1＝SESPI＋M＋G－Lc＝－153＋53.0－6＋1＝－105.0

其中SESPI為ESPI當(dāng)RBW＝1Hz時(shí)的靈敏度，根據(jù)ESPI手冊(cè)按－153dBm/1Hz取值；M＝10×lg （200kHz/1Hz）＝53.0dB；G為天線增益，值為6dBi；Lc為饋線及轉(zhuǎn)接頭損耗，值為1.0dB。

為了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，在測(cè)試前對(duì)準(zhǔn)備使用的儀器儀表進(jìn)行校核。在全路段對(duì)GSM－R占用頻段進(jìn)行全頻段掃描，并把需要的頻譜圖記錄下來。

在測(cè)試點(diǎn)采用全向測(cè)試天線對(duì)930～934MHz/885～889MHz頻段進(jìn)行全方位掃描，檢波方式選用峰值檢波，采用最大保持的方式，并且依靠軟件錄下檢測(cè)過程。測(cè)試20min，若沒有發(fā)現(xiàn)問題即可結(jié)束測(cè)試。

若發(fā)現(xiàn)可疑干擾，則應(yīng)記錄干擾信號(hào)特征、信號(hào)源方位，分析測(cè)試頻譜圖各頻點(diǎn)信號(hào)是否為本線路GSM－R基站信號(hào)，同時(shí)利用測(cè)試手機(jī)測(cè)試所用頻點(diǎn)的C/I，判斷干擾程度；根據(jù)干擾信號(hào)特征初步判斷干擾是否為GSM－R信號(hào)，是否為GSM－R系統(tǒng)內(nèi)的同頻干擾，是否為GSM信號(hào)，利用頻譜儀、測(cè)試手機(jī)掃描該處頻譜，經(jīng)過多次撥打測(cè)試各小區(qū)是否有TCH使用GSM－R頻點(diǎn)。對(duì)于采用了跳頻的小區(qū)可通過測(cè)試手機(jī)直接看到參與跳頻的頻點(diǎn)，但不能由此確定該小區(qū)的全部TCH信道，計(jì)算測(cè)試點(diǎn)周邊各小區(qū)信道的3階互調(diào)信號(hào)是否落在GSM－R頻段內(nèi)，如落在GSM－R頻段內(nèi)，可利用頻譜儀跟蹤該小區(qū)BCCH信道，從而逼近該基站。在逼近過程中，可判斷該基站是否存在對(duì)GSM－R的干擾。利用測(cè)試手機(jī)的FORCING FUNCTION（強(qiáng)制功能）中SET BCCH （鎖定BCCH）功能，測(cè)試各小區(qū)的TCH頻點(diǎn)，以減少測(cè)試時(shí)間。

非GSM干擾源的查找可利用頻譜儀、安裝定向天線等測(cè)試設(shè)備測(cè)試干擾源方位，利用逐步逼近的方法查找干擾源。

4 結(jié)束語

由于干擾產(chǎn)生的原因有多種，上述測(cè)試方法只對(duì)主要的原因進(jìn)行了測(cè)試研究，受現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，未研究阻塞性干擾等因素，特別是設(shè)備的阻塞性能指標(biāo)沒有進(jìn)行的測(cè)試和驗(yàn)證。目前的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)和實(shí)際網(wǎng)絡(luò)故障分析表明，GSM－R網(wǎng)絡(luò)自身設(shè)備抗阻塞性能可能與GSM－R的實(shí)際頻段等綜合指標(biāo)要求不符。終端設(shè)備一般為包含了P－GSM頻段的2級(jí)移動(dòng)臺(tái)，而鐵路周邊被公眾網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋，特別是空曠區(qū)域，使終端模塊受到接收帶內(nèi)大信號(hào)阻塞的可能性加大。為了合理規(guī)避該類干擾，下一步將著重分析終端設(shè)備的抗阻塞性能，以便提出科學(xué)的解決辦法。

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