基于實時頻譜分析的鐵路無線干擾監(jiān)測技術(shù)研究

么亮

1 鐵路無線干擾現(xiàn)狀及分類

鐵路GSM-R系統(tǒng)承載了司機與調(diào)度通信、無線車次號校核、調(diào)度命令傳輸、無線列控數(shù)據(jù)傳輸?shù)扰c鐵路行車安全息息相關(guān)的無線通信業(yè)務(wù)［1］。根據(jù)近5年鐵路無線干擾監(jiān)測單位對干擾監(jiān)測情況的統(tǒng)計，共計監(jiān)測鐵路沿線疑似干擾地點約1 200處，發(fā)現(xiàn)干擾近430處，占干擾監(jiān)測總數(shù)的36%。干擾種類大致可分為電信運營商底噪抬升干擾，電信運營商基站設(shè)備發(fā)射大功率信號造成的阻塞、互調(diào)干擾，電信運營商直接占用GSM-R頻點造成的外網(wǎng)干擾，GSM-R網(wǎng)內(nèi)同頻、鄰頻干擾，其他電氣設(shè)備造成的突發(fā)干擾等5類［2］。分析各類干擾產(chǎn)生的原因如下。

1）底噪抬升干擾。外網(wǎng)干擾主要是電信運營商基站或直放站發(fā)射的強信號對GSM-R下行全頻段底噪的抬升，影響范圍大、頻帶寬。底噪抬升主要由覆蓋高鐵的電信運營商網(wǎng)絡(luò)信號引起，其功率往往較大，通過頻譜儀掃頻發(fā)現(xiàn)底噪很高，淹沒了GSM-R信號，出現(xiàn)通話質(zhì)量差、掉話現(xiàn)象，造成GSM-R網(wǎng)絡(luò)無法正常使用。

2）阻塞、互調(diào)干擾［3］。發(fā)生阻塞、互調(diào)干擾的主要原因是鐵路沿線電信運營商基站的發(fā)射頻率或基站發(fā)射機電性能指標下降產(chǎn)生雜散信號，由此產(chǎn)生的三階互調(diào)頻率信號進入GSM-R終端接收機后，產(chǎn)生非線性失真，底噪變大，導(dǎo)致通話質(zhì)量差甚至掉話，對鐵路GSM-R信號形成干擾。

3）直接占用GSM-R頻點干擾［4］。主要原因是部分地區(qū)仍存在電信運營企業(yè)使用鐵路GSM-R頻點現(xiàn)象，直接造成對鐵路無線電專用頻率的干擾。

4）GSM-R網(wǎng)內(nèi)干擾。隨著新建GSM-R線路的開通，頻率資源日趨緊張，在鐵路樞紐，并行、交叉線路的頻率資源難以合理規(guī)劃，造成通信通道間互相影響，易發(fā)生GSM-R網(wǎng)內(nèi)同頻和鄰頻干擾。

5）其他干擾。發(fā)生由于其他電氣設(shè)備造成的突發(fā)干擾的主要原因是鄰近鐵路沿線的學(xué)校使用考試屏蔽器，居民樓內(nèi)安裝的非法射頻發(fā)射機占用GSM-R頻點，高壓變電站的電磁環(huán)境復(fù)雜等，對GSM-R頻點造成電磁干擾。

2 干擾監(jiān)測工作存在的問題

1）干擾監(jiān)測方式被動。目前鐵路干擾監(jiān)測工作以被動查找為主，當出現(xiàn)疑似影響鐵路通信業(yè)務(wù)的干擾時，鐵路局通信維護部門或者干擾監(jiān)測單位再派員攜帶儀器前往疑似干擾地點查找干擾原因。當?shù)竭_干擾地點時，往往由于干擾的突發(fā)性或者干擾源的消失，導(dǎo)致無法及時捕捉干擾信息和查找干擾源，因此干擾監(jiān)測效率低。

2）干擾監(jiān)測技術(shù)落后。目前鐵路干擾監(jiān)測使用的儀表主要是以基于矢量信號分析技術(shù)的傳統(tǒng)頻域頻譜分析儀為主，捕捉到干擾信號后，需要具有較高技術(shù)分析能力的人員對頻譜信號進行現(xiàn)場分析判斷，從而查找干擾源。頻域頻譜分析儀僅能實現(xiàn)靜態(tài)干擾信息的捕捉，對鐵路沿線出現(xiàn)的突發(fā)性、實時變化的干擾信號的捕捉能力較弱。

3）鐵路沿線電磁環(huán)境復(fù)雜多變。隨著中國高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，以及既有450 MHz線路改為GSM-R線路，以GSM-R網(wǎng)絡(luò)承載鐵路通信業(yè)務(wù)的線路逐年上升［5］。鄰近高鐵地區(qū)以及城際鐵路周邊的社會活動頻繁，能夠產(chǎn)生電磁波的裝置大量增加，導(dǎo)致GSM-R電波傳播環(huán)境日益復(fù)雜，干擾電波類型和干擾源種類繁多，給鐵路維護人員監(jiān)測干擾情況帶來了極大困難［6］。

4）干擾監(jiān)測工作效率不高。我國鐵路線路具有運營里程長、地域跨越范圍廣的特點，干擾監(jiān)測單位往往需要長途駕車趕到鐵路沿線的干擾地點進行干擾信號的捕捉和分析，一天只能監(jiān)測個別干擾地點，無法對一條完整鐵路沿線的干擾情況進行全面統(tǒng)計分析。

3 干擾監(jiān)測技術(shù)研究

3.1 傳統(tǒng)頻譜分析技術(shù)

傳統(tǒng)頻譜分析技術(shù)是通過“本振掃描+中頻濾波”分別獲取信號不同頻段的功率強度，因此無法在同一時刻獲取信號的全部頻域信息。如果時變信號的周期與傳統(tǒng)頻譜的本振掃描周期成整數(shù)倍，則可能永遠無法捕捉到頻譜。傳統(tǒng)頻譜掃頻信息分析技術(shù)見圖1。

圖1 傳統(tǒng)頻譜掃頻信息分析

傳統(tǒng)頻譜分析技術(shù)對無線干擾查找存在以下局限性。

1）適合于定點、靜態(tài)、長時間監(jiān)測。由于采用的是頻譜掃描的方式，因此無法對整個被測頻段進行實時測量和干擾捕捉。

2）測試結(jié)果是頻率與信號強度的二維圖譜，對于某些干擾，很難描述清楚有用信號與干擾信號之間的關(guān)系。

3）適用于在基站關(guān)閉條件下進行干擾測量，不適合基站正常運行條件下的在線測量。

3.2 實時頻譜分析技術(shù)

如圖2所示，實時頻譜分析技術(shù)是將特定頻譜分量大小作為觸發(fā)條件，對信號進行高速測量，保證信號的處理速度高于采樣速度，確保信號不丟失；對信號進行快速傅里葉變換，將監(jiān)測到的無線頻譜時域信號轉(zhuǎn)換成不同頻率下對應(yīng)的振幅和相位。與傳統(tǒng)掃頻式頻譜儀相比，實時頻譜分析技術(shù)的最大特點是在信號處理過程中能夠完全利用所采集的時域采樣點實現(xiàn)無縫的信號測量，捕捉瞬時干擾信號。

圖2 實時頻譜分析技術(shù)原理

傳統(tǒng)的掃頻式頻譜儀一般只具備功率或者電平觸發(fā)，不能根據(jù)特定頻譜的情況觸發(fā)測量，因此對轉(zhuǎn)瞬即逝的偶發(fā)信號無能為力。實時頻譜儀的測量速率高，可以偵聽最小時長小于5.8μs的信號。用普通頻譜儀很難捕捉的短暫時間后消失的間歇性脈沖信號，用實時頻譜儀則很容易發(fā)現(xiàn)。實時頻譜分析儀掃頻信息如圖3所示，圖中顯示的顏色是某一信號出現(xiàn)的頻度，頻譜顏色較深（偏紅）說明該信號在所設(shè)時間段內(nèi)出現(xiàn)概率高，較淺（偏藍）說明該信號在所設(shè)時間段內(nèi)出現(xiàn)概率低，可以發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)概率很小的跳頻信號及其他短脈沖信號，從而可查看傳統(tǒng)頻譜儀完全漏掉的信號細節(jié)，完整地呈現(xiàn)所觀察頻率范圍內(nèi)的頻譜信息。

圖3 實時頻譜分析儀掃頻信息

4 實時頻譜分析技術(shù)在無線干擾查找中的應(yīng)用

為解決傳統(tǒng)頻譜分析技術(shù)在鐵路無線干擾查找中存在的問題，北京鐵路通信技術(shù)中心牽頭，聯(lián)合中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所、上海諾恩科技有限公司開展了GSM-R干擾監(jiān)測的研究，對傳統(tǒng)頻譜分析技術(shù)和實時頻譜分析技術(shù)進行了技術(shù)對比，研制了基于實時頻譜分析技術(shù)的GSM-R干擾監(jiān)測系統(tǒng)。

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成及功能

基于實時頻譜分析技術(shù)的GSM-R干擾監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱實時頻譜分析系統(tǒng)），由實時頻譜分析儀和實時頻譜處理系統(tǒng)組成。其中，實時頻譜分析儀負責(zé)掃描電磁環(huán)境的頻譜數(shù)據(jù)；實時頻譜處理系統(tǒng)與實時頻譜分析儀通過網(wǎng)線相連，實現(xiàn)對實時頻譜分析儀的控制，負責(zé)頻譜信息的存儲和分析。

實時頻譜分析系統(tǒng)通過對相關(guān)干擾特性進行分析，開發(fā)了可以自動計算三階互調(diào)干擾、阻塞干擾、瞬時底噪抬升、同頻干擾、鄰頻干擾等多種干擾類型的軟件算法，在存在相應(yīng)干擾事件的頻點上進行標注，顯示頻譜信息的干擾特性，無需維護人員進行復(fù)雜的干擾分析；同時能夠統(tǒng)計測試線路的所有干擾類型、發(fā)生地點、干擾頻點等，提供了干擾信息的自動記錄和統(tǒng)計功能。

實時頻譜分析系統(tǒng)既可安裝于高速鐵路動檢車上，實現(xiàn)對GSM-R全線的干擾監(jiān)測和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，也可用于地面固定地點的干擾查找；同時能夠結(jié)合高速鐵路動檢車GSM-R服務(wù)質(zhì)量測試系統(tǒng)檢測出的不合格業(yè)務(wù)指標進行關(guān)聯(lián)分析，判斷干擾對鐵路通信業(yè)務(wù)的影響程度，極大地提高了干擾查找效率。安裝于高速鐵路綜合檢測車上的臺式GSM-R在線干擾監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成見圖4。用于地面固定地點測試時，實時頻譜分析系統(tǒng)與GPS接收機通過串口相連，采用RS-232協(xié)議通信，實現(xiàn)GPS信息的實時采集以及干擾地點的確認。便攜式GSM-R在線干擾監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成見圖5。

圖4 臺式GSM-R在線干擾監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

圖5 便攜式GSM-R在線干擾監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

4.2 應(yīng)用案例

4.2.1 查找某高鐵沿線三階互調(diào)干擾和阻塞干擾

某高鐵線路隧道口設(shè)置的GSM-R頻點為932.2 MHz，動檢車經(jīng)過此處時測試到GSM-R服務(wù)質(zhì)量下降。經(jīng)現(xiàn)場勘測，移動公司在隧道內(nèi)做了公網(wǎng)覆蓋，使用傳統(tǒng)頻譜分析儀無法分析出干擾情況，而使用實時頻譜分析系統(tǒng)監(jiān)測到該處存在移動基站，對GSM-R網(wǎng)絡(luò)的932.2 MHz頻點產(chǎn)生三階互調(diào)干擾和阻塞干擾［7］。

1）三階互調(diào)干擾分析。實時頻譜分析系統(tǒng)監(jiān)測出的三階互調(diào)干擾頻率為937.8 MHz和943.4 MHz，三階互調(diào)頻譜產(chǎn)物的頻率為937.8×2-943.4=932.2 MHz。三階互調(diào)干擾頻譜見圖6。

2）阻塞干擾分析。經(jīng)過實時頻譜分析系統(tǒng)測試，該處還存在移動公司936.8 MHz和937.8 MHz的大信號阻塞干擾。根據(jù)3GPP TS05.05《Radio transmission and reception》規(guī) 范5.1章 定義，阻塞信號頻點f與GSM-R服務(wù)小區(qū)頻點fo之差在800 kHz至1.6 MHz之間且阻塞信號強度大于-33 dB，或者f與f0之差大于1.6 MHz且阻塞信號強度大于-23 dB，則判定為阻塞信號。大信號阻塞干擾的實時頻譜分析圖見圖7。

4.2.2 查找移動公網(wǎng)跳頻干擾

高速鐵路綜合檢測車對某高鐵線路GSM-R服務(wù)質(zhì)量測試情況如圖8所示，標記點GSM-R網(wǎng)絡(luò)A小區(qū)的下行方向載干比下降和通信質(zhì)量惡化。從圖8可以看出，在該小區(qū)出現(xiàn)了概率很小的信號頻譜。正常情況下，一個GSM-R時隙信號在系統(tǒng)中的顯示應(yīng)該是藍色。實時頻譜顯示顏色與信號出現(xiàn)的時間長度有關(guān)。時間越長，顯示顏色越深；時間越短，顯示顏色越淺［8］。

圖6 三階互調(diào)干擾頻譜

圖7 大信號阻塞干擾頻譜

圖8 某高鐵線路GSM-R服務(wù)質(zhì)量測試情況

圖9 標記的頻點1 008（931.8 MHZ）應(yīng)該是A基站的TCH頻點，但從信號強度上看，標記的信號比A基站信號的強度約高12 dB以上，可以認為該信號不是從A基站發(fā)出的。通過該信號呈現(xiàn)的顏色也可以認為不是GSM-R的語音信道（占用時間不足1/8時隙0.577 ms），經(jīng)測試人員現(xiàn)場使用測試手機插入移動SIM卡進行測試，確認為移動公司跳頻信號，聯(lián)系移動公司修改頻點后，問題得以解決。

圖9 某高鐵線路實時頻譜分析圖顯示的突發(fā)信號

4.2.3 與GSM-R服務(wù)質(zhì)量測試系統(tǒng)進行關(guān)聯(lián)分析

實時頻譜分析系統(tǒng)與高速鐵路動檢車GSMR服務(wù)質(zhì)量測試系統(tǒng)可以關(guān)聯(lián)配合，對“切換失敗”“話音質(zhì)量＞5級”“C/I小于5”“話音質(zhì)量＞5級且C/I小于5”“傳輸干擾時間不合格”“傳輸無差錯時間不合格”6類服務(wù)質(zhì)量問題進行測試［9］。當GSM-R服務(wù)質(zhì)量分析軟件檢測出服務(wù)質(zhì)量問題時，觸發(fā)實時頻譜分析軟件記錄當時的頻譜信息，并保存服務(wù)質(zhì)量問題類型。通過點擊相應(yīng)的問題類型，可以調(diào)用問題點的頻譜數(shù)據(jù)，確定不合格服務(wù)質(zhì)量是否因為干擾引起。關(guān)聯(lián)分析功能如圖10所示，圖中左側(cè)為GSM-R服務(wù)質(zhì)量測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)某高鐵線路GSM-R基站覆蓋區(qū)段部分GSM-R服務(wù)質(zhì)量指標測試不合格；圖中右側(cè)部分為實時頻譜分析數(shù)據(jù)，右側(cè)上圖以事件列表方式記錄了每次服務(wù)質(zhì)量不合格發(fā)生的地點，點擊每個服務(wù)質(zhì)量不合格事件，可以查看指標不合格地點的實時頻率圖，分析是否由干擾引起。

4.2.4 對高鐵沿線干擾情況進行自動統(tǒng)計分析

利用實時頻譜分析系統(tǒng)的統(tǒng)計功能，可以對動檢車測試過程中整個線路的干擾情況進行自動統(tǒng)計和分析。表1為某高鐵線路的干擾統(tǒng)計情況，主要存在三階互調(diào)、大信號阻塞等干擾。

圖10 GSM-R服務(wù)質(zhì)量問題與實時頻譜數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析

表1 實時頻譜分析系統(tǒng)對某高鐵線路的無線干擾情況

5結(jié)束語

高鐵無線干擾的排查是一項復(fù)雜、艱巨的工作，技術(shù)人員需要全面掌握通信系統(tǒng)的工作原理和工作方式，具有熟練操作測試設(shè)備的技能，以及一定的無線干擾數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗，并善于總結(jié)經(jīng)驗和加以運用，通過對大量頻譜數(shù)據(jù)的分析，準確、快速地判定干擾信號。在提高技術(shù)人員業(yè)務(wù)素質(zhì)的基礎(chǔ)上，配備性能良好、功能完善、操作便利的干擾監(jiān)測系統(tǒng)，對于做好高速鐵路無線通信系統(tǒng)的運營、維護工作具有積極作用［10］。

基于實時頻譜分析的GSM-R在線干擾監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對分散的干擾信息的自動數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，為鐵路無線干擾的大數(shù)據(jù)分析提供了便攜的工具，便于掌握全路各線的無線干擾情況，為鐵路無線網(wǎng)絡(luò)的維護提供了強有力的科學(xué)手段和便利條件。