在線GSM－R電磁環(huán)境測試研究

張寶軍 張東升 張鵬

在線GSM－R電磁環(huán)境測試研究

張寶軍 張東升 張鵬

常規(guī)的電磁環(huán)境測試方案，不但要求關(guān)閉鐵路本線所有相關(guān)基站，還要求同時關(guān)閉臨近鐵路線路的相關(guān)基站，這對于長大線路和日趨密集的GSM-R跨線地區(qū)進(jìn)行電磁環(huán)境測試難度更大。因此，迫切需要研究GSM-R在線工作條件下，具備簡單可重復(fù)性的電磁環(huán)境測試解決方案。

GSM-R在線;電磁環(huán)境;測試

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，構(gòu)建以GSM-R技術(shù)為基礎(chǔ)平臺的全國鐵路無線通信網(wǎng)絡(luò)正在逐步鋪開。建設(shè)運(yùn)營維護(hù)GSM-R網(wǎng)絡(luò)一項(xiàng)重要內(nèi)容就是進(jìn)行GSM-R電磁環(huán)境測試，這項(xiàng)工作關(guān)系到鐵路無線通信特別是CTCS-3級列控和站車無線通信的運(yùn)營安全。

我國鐵路GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)采用的工作頻段為885 MHz～889 MHz/930 MHz～934 MHz，相鄰頻道間隔為200 kHz，可用頻道共19個，頻道編號為1000～1018。目前鐵路GSM-R電磁環(huán)境測試標(biāo)準(zhǔn)采用信產(chǎn)部2007年發(fā)布的《關(guān)于鐵道部和中國移動共用900 MHz移動通信網(wǎng)頻率資源問題的函》(信部無函［2007］136號)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定2009年底以前，中國移動和鐵道部有條件共用885 MHz～889 MHz/930 MHz～934 MHz頻段資源，從2010年開始，中國移動須退出該頻段的使用。但是以往的GSM-R電磁環(huán)境測試結(jié)果表明，中國移動并沒有主動徹底按期清退該頻段的使用，930MHz～934 MHz頻段(基站發(fā)，移動臺收)的干擾依然存在，因此本文主要探討930 MHz～934 MHz頻段的干擾問題。

1 GSM-R電磁環(huán)境測試現(xiàn)狀

以往常規(guī)的GSM-R電磁環(huán)境測試，要求在全線同時關(guān)閉所有相關(guān)基站的條件下進(jìn)行，雖然能清晰直觀地查找該頻段內(nèi)當(dāng)時現(xiàn)存的各種干擾，為清頻工作提供一些參考依據(jù)，但該方案在實(shí)施上存在一定困難，也存在很多問題。

1.GSM-R已經(jīng)成為鐵路綜合通信平臺，為信號、列調(diào)、電調(diào)、維修、客服等各部門提供共享通信服務(wù)，新建高速鐵路一般不再同時配建常規(guī)450 MHz無線通信網(wǎng)絡(luò)，GSM-R成為唯一的無線通信平臺。全線關(guān)閉所有相關(guān)基站期間，GSM-R將無法提供服務(wù)，這就需要提前協(xié)調(diào)諸多業(yè)務(wù)部門做好應(yīng)急預(yù)案，存在一定安全隱患。

2.關(guān)閉基站進(jìn)行電磁環(huán)境測試只適用于新建線路未開通前的聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，關(guān)閉GSM-R對于全線鐵路業(yè)務(wù)正常運(yùn)營影響很大，因此基站關(guān)閉時間很短;一般僅限全線一二個往返的測試，僅能發(fā)現(xiàn)中國移動BCCH信道載頻干擾和忙時工作的中國移動TCH信道載頻干擾，由于復(fù)測的可重復(fù)性很小，無法完全徹底查找潛在的中國移動TCH信道載頻干擾。

3.在場強(qiáng)覆蓋等設(shè)計(jì)因素合理地區(qū)發(fā)生掉話和切換失敗，一般會伴隨干擾的出現(xiàn)。為查找干擾和電磁環(huán)境周期維護(hù)復(fù)測，在已開通GSM-R線路全線關(guān)閉基站條件下進(jìn)行電磁環(huán)境測試存在很大困難。即使在夜間開“天窗”時間進(jìn)行測試，也無法測試白天工作時段來自中國移動忙時TCH信道載頻的干擾。

常規(guī)的電磁環(huán)境測試方案，不但要求關(guān)閉鐵路本線所有相關(guān)基站，還要求同時關(guān)閉臨近鐵路線路的相關(guān)基站，這對于長大線路和日趨密集的GSMR跨線地區(qū)進(jìn)行電磁環(huán)境測試難度更大。因此，迫切需要研究GSM-R在線工作條件下，具備簡單可重復(fù)性的電磁環(huán)境測試解決方案。

2 在線GSM-R電磁環(huán)境測試方案

GSM-R在線工作條件下進(jìn)行電磁環(huán)境測試的難點(diǎn)，在于測試結(jié)果中既存在確定信號又存在未知信號，如何從測試結(jié)果中排除確定信號，從未知信號中查找干擾信號成為解決問題的關(guān)鍵。

2.1 確定信號分析

確定信號包括GSM-R基站工作載頻信號(BCCH和TCH信道載頻)、基站工作載頻產(chǎn)生的諧波信號及基站工作載頻之間產(chǎn)生的互調(diào)信號。諧波信號強(qiáng)度很弱可以忽略。根據(jù)互調(diào)信號的特點(diǎn)，在移動通信中主要考慮三階互調(diào)信號。

假設(shè)存在呈線狀排列的基站A…基站Z，如圖1所示，基站頻率配置如表1所示。

圖1 某線路基站配置

表1 某線路基站頻率配置

所有基站在線工作條件下，以基站F至基站G區(qū)間測試為例，可以得到的確定信號包括基站載頻信號和三階互調(diào)信號?；据d頻信號為基站A—基站Z所有基站的BCCH信道載頻信號和工作狀態(tài)下的TCH信道載頻信號;三階互調(diào)信號主要包括二信號三階互調(diào)和三信號三階互調(diào)。

根據(jù)場強(qiáng)覆蓋測試結(jié)果，基站F至基站G之間測試得到的基站信號包括基站E、基站F、基站G和基站H的BCCH信道載頻信號和工作狀態(tài)下的TCH信道載頻信號，其他基站落在本區(qū)間的載頻信號很小可以忽略。根據(jù)基站頻率復(fù)用距離設(shè)計(jì)要求，同時為了保證鄰頻干擾小于－6 dB的設(shè)計(jì)要求，基站頻率間隔要求至少400 kHz，基站E至基站H之間的BCCH和TCH信道不會存在同頻復(fù)用。

產(chǎn)生三階互調(diào)信號要求幾個發(fā)射頻率信號和互調(diào)信號接收機(jī)頻率滿足如下的等間隔關(guān)系。

二信號三階互調(diào):fr=2ft1－ft2

三信號三階互調(diào):fr=ft1+ft2－ft3

其中:fr為接收頻率，ft1/ft2/ft3為基站發(fā)射頻率。

產(chǎn)生互調(diào)信號還要求發(fā)射頻率必須有足夠的幅度。

根據(jù)實(shí)測結(jié)果，基站F至G之間只需考慮基站F和G載頻信號的二信號三階互調(diào)，基站F至G之間產(chǎn)生的三信號三階互調(diào)和來自其他基站區(qū)間的二信號三階互調(diào)都很小可以忽略。

2.2 未知信號分析

未知信號包括干擾信號、干擾信號產(chǎn)生的諧波信號、干擾之間產(chǎn)生的互調(diào)信號、干擾信號與基站載頻之間產(chǎn)生的互調(diào)信號。其中，諧波信號強(qiáng)度很弱可以忽略;互調(diào)信號明顯低于產(chǎn)生互調(diào)信號的源信號。因此主要判斷較強(qiáng)的干擾信號，排除干擾信號后，隨之產(chǎn)生的互調(diào)信號自然消失。

2.3 在線測試方案

如果關(guān)閉TCH信道載頻，只開放BCCH信道載頻，基站F至基站G區(qū)間測試得到的確定信號包括:

f_E1、f_F1、f_G1、f_H1、f_F1×2－f_ G1和f_G1×2－f_F1

如果倒換BCCH信道，采用TCH信道載頻作為BCCH信道載頻，同時關(guān)閉原BCCH信道載頻，基站F至基站G區(qū)間測試得到的確定信號包括:

f_E2、f_F2、f_G2、f_H2、f_F2×2－f_ G2和f_G2×2－f_F2

如果以上2組頻率沒有出現(xiàn)交集，則可以判斷出所有可能的干擾信號。

根據(jù)頻率復(fù)用原則，f_E1、f_F1、f_G1、f _H1、f_E2、f_F2、f_G2、f_H2基站之間不會出現(xiàn)交集，可能出現(xiàn)的交集為圖2所示。

圖2 基站F至基站G區(qū)間測試頻率交集示意圖

1.如果出現(xiàn)互調(diào)頻率與鄰區(qū)間基站頻率相同的情況，如f_E1=f_F2×2－f_G2或f_E1=f _G2×2－f_F2，則可以采用倒換f_E1和f_E2的方法解決。

2.如果出現(xiàn)互調(diào)頻率與本區(qū)間基站頻率相同的情況，如f_F1=f_F2×2－f_G2或f_F2=f_ G2×2－f_F2，一般都可以采用倒換f_F1/f_F2或者f_G1/f_G2的方法解決。在頻道編號為1000～1018的19個頻率中，只有約80種f_F1、f _F2、f_G1、f_G2的組合方式不能完全避開交集的出現(xiàn)，需要臨時調(diào)整f_F1、f_F2、f_G1、f _G2中任一頻率配合測試。這在總共41769個頻率組合中是很小的概率事件，到目前為止GSM-R鐵路頻率配置中還沒有出現(xiàn)這種需要臨時調(diào)整頻率來配合測試的頻率組合。

3.如果出現(xiàn)一組互調(diào)頻率與另一組互調(diào)頻率相同的情況，如f_F1×2－f_G1=f_F2×2－f_ G2、f_F1×2－f_G1=f_G2×2－f_F2，也基本可以采用倒換f_F1/f_F2或f_G1/f_G2的方法解決。

鐵路GSM-R一般采用2/3載頻的基站設(shè)計(jì)方案，確保一個載頻出現(xiàn)故障情況下，至少還有一個載頻能夠繼續(xù)提供服務(wù)。因此，可以采用這種倒換BCCH信道載頻、關(guān)閉TCH信道載頻的方案，進(jìn)行在線GSM-R電磁環(huán)境測試。該方案保留一個BCCH信道載頻提供通信服務(wù)，除保證CTCS-3級列控服務(wù)外，還能留有部分信道提供通話及數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。目前，開通的GSM-R基站頻率配置組合大多采用固定間隔復(fù)用方案。因此，在線GSM-R電磁環(huán)境測試頻率組合關(guān)系比較簡單。

針對單層雙網(wǎng)、同站址雙網(wǎng)和交織覆蓋網(wǎng)不同的基站布設(shè)方式，可采用相應(yīng)的測試方案，如表2所示。

表2 不同基站布設(shè)方式下的在線GSM-R電磁環(huán)境測試方案

2.4 測試方法

GSM-R電磁環(huán)境測試一般采用EMI測量接收機(jī)。EMI測量接收機(jī)一般有頻譜儀和接收機(jī)2種工作模式。常規(guī)GSM-R電磁環(huán)境測試采用頻譜儀模式下的頻譜掃描方式，掃描帶寬一般設(shè)定為100kHz。該測試方式采樣頻率高，測試結(jié)果清晰直觀。然而GSM-R在線電磁環(huán)境測試采用頻譜掃描模式會存在一定缺陷。當(dāng)基站信號較強(qiáng)時，反映到頻譜圖上基站信號頻譜很可能會略微覆蓋相鄰頻道頻譜，造成相鄰頻道上干擾信號識別困難。采用接收機(jī)模式下的掃頻方式可以很好地解決該問題。設(shè)定930 MHz～934 MHz的掃頻范圍，200 kHz的掃描帶寬，一個掃描周期內(nèi)可以得到信道號為1000～1018共19個GSM-R樣本點(diǎn)頻率的采樣電平值，該方法可以更精確定位干擾信號。

3 鐵路全網(wǎng)GSM-R頻率配置建議

從在線電磁環(huán)境測試的角度考慮，鐵路設(shè)計(jì)單位應(yīng)對BCH信道和TCH信道進(jìn)行分隔頻帶設(shè)計(jì)，比如對于配置普遍的雙載頻基站，可以考慮將上頻帶930 MHz～932 MHz和下頻帶932 MHz～934 MHz分別配置為BCH頻段和TCH頻段。分頻帶設(shè)計(jì)對于簡化京滬、京廣及哈大等高鐵線路的日常在線電磁環(huán)境維護(hù)測試具有重要意義。

4 結(jié)束語

關(guān)閉基站的常規(guī)GSM-R電磁環(huán)境測試方案，只適用于GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投入運(yùn)營前的聯(lián)調(diào)聯(lián)試摸底測試，只有在線GSM-R電磁環(huán)境測試方案具有簡單可重復(fù)性和測試完整性。相比常規(guī)測試方案，在線GSM-R電磁環(huán)境測試方案增加了測試工作量，以往單程即可完成的電磁環(huán)境測試，在理想情況下也至少需要2個單程才能完成測試，同時在測試前后還增加倒換基站BCCH工作載頻、測試結(jié)果對比分析、甚至臨時頻率調(diào)整的工作量。在線GSM-R電磁環(huán)境測試方案目前主要適用于鐵路線路區(qū)間測試，對于頻率配置復(fù)雜的鐵路GSM-R樞紐區(qū)域還有一定的局限性，還需要進(jìn)一步研究解決方案。

［1］信部無函［2007］136號.關(guān)于鐵道部和中國移動共用900MHz移動通信網(wǎng)頻率資源問題的函［S］.2007．

［2］盧爾瑞，孫孺石等．移動通信工程［M］．北京:人民郵電出版社，1988．

Not only all the base stations along the test railway line but also relevant base stations along the neighboring railway lines should be shut down in a conventional electromagnetic environment test．As for long line and increasingly dense cross-district GSM-R region，it becomesmore and more difficult to perform electromagnetic environment measurement．Therefore，it is urgent to seek a simple repeatable measurement solution under the conditions of GSM-R working online．

GSM-R;Online;Electromagnetic Environment;Measurement

張寶軍:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心副研究員100081北京

張東升:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心助理研究員100081北京

張鵬:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心助理研究員100081北京

2014-01-09

(責(zé)任編輯:諸紅)