铁路系统电磁环境测试探讨

0 引言

我国铁路无线通信采用GSM-R移动通信系统，近年来已在各条新建铁路上广泛应用。GSM-R系统运营以来达到了预期的功能要求，网络质量基本稳定，在提高我国铁路运输效率、保证铁路运输安全方面起到了重要作用。但GSM-R为2G数字移动通信系统，抗干扰能力较差，与GSM网络一样在传播过程中易受外界多种因素影响，同时由于GSM-R系统网络中设备本身的非线性、设备故障等因素影响，GSM-R通信系统在实际开通和使用中经常会受到外部干扰，导致业务应用质量和网络性能指标下降。电磁环境本身是看不见、摸不着的，只有通过适当的检测手段才能发现，因此，进行GSM-R电磁环境测试是排查、解决干扰问题的一个重要手段。

目前GSM-R系统存在的干扰主要包括两个方面：外网基站信号干扰和GSM-R网内干扰。过去我们用的较多的是频谱检测，这在模拟通信时代还可以，到了数字通信时代有些信息也很难发现或不能发现与确认。下面根据铁路目前使用的几种检测手段来说明铁路GSM-R网电磁环境测试情况。

1 频谱测试

目前GSM-R电磁环境测试主要分为两个阶段：第一个阶段是在新建线路调试开通前对铁路沿线的电磁环境进行定点检测，摸排全线电磁环境使用情况，记录每个新建基站附近的频谱使用情况，此阶段主要用于申请频率许可及台站设置工作。第二个阶段是在线路开通之后，传统的频谱仪已经不适用于高速移动的列车，应使用扫描速度更高的实时频谱仪进行测试。

实时频谱仪2010年开始进入中国，但很快就被西方国家禁运，2012年美国解禁后开始正式在铁路市场应用。实时频谱仪的检测速度为纳秒级，因此可以发现很多突发或短时间的电波干扰，通过出现时间概率用不同颜色在屏幕上显示频谱波形，如图1所示。而普通频谱仪频谱图如图2所示。

图1 实时频谱仪频谱图

图2 普通频谱仪频谱图

图3 是对某条线路利用实时频谱仪进行的电磁环境测试情况，过去在该区间进行服务质量测试时有时会出现7级通信质量。

在实时频谱仪看到的频谱有很多脉冲干扰，如使用传统频谱仪只能看到整体电平抬高，不会知道具体原因。通过向铁路局了解，该处附近有一个军用机场，故判断这个脉冲干扰应该是雷达辐射造成的。

图3 某铁路服务质量测试图

GSM-R系统是GSM技术在铁路系统的延伸与发展，故GSM-R系统的频谱波形和GSM一样为200 kHz的带宽。GSM技术是时分多址系统，除了BCCH信道，其他信道出现电平的时间概率最多也就百分之十几，对于出现时间很短的信号传统频谱仪很难抓住。

在GSM-G网络刚开始建设的时候，中国铁路和中国移动是按区域共用GSM-R网络的4 MHz频段，早些年由于移动运营商未根据新建铁路的区域调整自己的频段，经常会发现运营商占用铁路4 MHz频点的情况。如果直接占用BCCH或TCH，利用传统频谱仪很容易就能发现。但移动运营商的GSM信号很多时候采用跳频方式，电平出现时间只有几十毫秒，使用传统频谱仪可能看不到或看不全，即使能够记录下频谱图也很难查到信号来源。图4是用实时频谱仪在铁路线上检测到的曲线展示，其中非常浅色的波形就是GSM跳频频谱（出现的时间短）。

图4 实时频谱仪频谱曲线

2013年某高铁就发现了图4的跳频频谱，使用便携频谱仪查找未发现干扰存在，采用实时频谱仪发现了该问题，通过与移动运营商交涉该处干扰得到消除。除了使用实时频谱仪发现跳频干扰外，还可采用扫频检测确认具体的小区号，更有效地要求违规单位与个人及时进行处理，保障铁路运行安全。

近年来，随着高铁的大力发展，加上移动运营商逐步缩小2G业务范围，目前很少再发现移动运营商GSM系统占用铁路GSM-R频段的情况。但是随着通信技术的发展，4G技术开始在全国应用，铁路沿线的公网覆盖也是移动运营商的重点。由于是新技术，有些地区的运营商做了一些试验性的组网，甚至有些地区出现过违规占用铁路GSM-R网络频点进行试验的情况。

图5反映了某C2线路在切换前突然出现400 m的C/I（载干比）下降和通信质量恶化。

对该线路进行了实时频谱测试，发现在这个区间，在铁路GSM-R频段内整体存在较高的电平展现，对铁路GSM-R网络造成了干扰，如图6所示。

从频谱图上根据4G宽带频谱进行判断，基本考虑为运营商LTE信号的干扰。由于占用了铁路GSM-R网络的全频段，该线路区段的GSM-R信号只要覆盖电平值稍弱都会受到干扰。

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