现有铁路GSM-R电磁环境测试方法的不足与分析

姜 毅

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

近年来铁路GSM-R网络随着中国高速铁路的建设飞速发展，为铁路行车调度指挥、公务移动、车－地信息传输及列车控制一体化提供了智能化和高效综合的服务。

随着GSM-R网络的发展，遇到的电磁环境干扰问题也越来越多，为保障GSM-R网络的可靠运行，必须经常对铁路沿线的电磁环境进行测试，查找干扰源，现有的测试方法和手段存在一些不足。

1 现有的电磁环境测试方法

电磁环境测试的目的是掌握电磁环境及信道占用情况，发现干扰信号和查找干扰源。现在常用的铁路GSM-R电磁环境测试的方法分两部分。

1.1 实验车上的测试

在实验车上的测试用来定位存在干扰的区域。测试用的主要设备有GSM-R频段天线及馈线、GPS天线及馈线、场强接收机/频谱分析仪、计距设备、速度传感器、UPS电源、测试用电脑及相关测试软件。测试系统组成如图1所示。

测试步骤如下。

1）在电磁环境测试前收集沿线的线路数据，包括基站位置、公里标、经纬度等信息。

2）关闭待测线路沿线所有GSM-R基站和直放站。

3）当实验车在待测线路上行驶时，使用车载的频谱仪或场强接收机对GSM-R全频段扫描。如果发现有干扰信号，就同时记录下当前的公里标、经纬度和频谱图等信息。

4）测试完成后整理数据，统计存在干扰的区域。地面测试人员再根据这些信息查找干扰源。

在测试过程中，需要根据沿线一些标志物的公里标或经纬度信息定期对计距设备的公里标进行校正。

1.2 地面测试

在地面的测试用来作网络开通前的电磁环境测试，开通后干扰源的查找和定位。测试用的主要设备有GSM-R频段全向天线、天线支架、GSM-R频段定向天线、馈线、便携式场强接收机、便携式频谱分析仪、测试手机、笔记本电脑、便携式GPS接收机、指南针及车辆。测试系统组成如图2所示。

测试步骤如下。

1）首先在测试点附近选择四周开阔、有一定高度的地方搭建测试系统，记录经纬度、公里标、天线距轨面和地面的高度等信息。

2）使用便携式频谱仪和全向天线，对GSM-R的上下行进行全频段扫描，观察各信道的情况。

3）用场强接收机对GSM-R的上下行各信道进行扫描采样，每信道至少1 s采样一次，测试时间不小于15 min，记录每次采样的电平值，全频段扫描结束后，对记录的各信道电平值进行统计（包括时间概率大于5%和小于5%的频点），计算其均值和方差，最大值、最小值及电平超过最大允许干扰信号电平的测试次数占总测试次数的百分比(信道占用度)，并绘制表格。根据各信道频率占用度初步判定是否存在同频干扰及未知信号。

4）根据频谱图、信道占用度结合GSM-R网络的频率分配表进行分析，找出干扰信号的频率和电平。

5）测试中如果怀疑中国移动对GSM-R网络存在干扰，那么就给测试手机分别装上GSM-R和中国移动的SIM卡，把测试手机强制注册到当前小区和附近的所有邻小区进行拨打测试，记录呼叫时网络分配给测试手机的所有信道号，查看中国移动是否使用了铁路GSM-R的信道。

6）用定向天线和频谱仪对已经发现的干扰信号测向，逐步逼近干扰源，最后确定干扰源的位置。

2 现有测试方法的不足

干扰信号的类型非常复杂，可能是突发的，也可能是持续的；可能是随机出现，也可能是规律的。由于这种复杂性和不确定性导致现有的测试方法存在不足。

2.1 实验车上的测试问题

2.1.1 监测时间的不足

干扰信号分类（查资料），所以作电磁环境测试一般都需要在待测地点作长时间、不同时间段的监测，以尽可能地捕获到干扰信号。测试时实验车在线路上快速行驶，分摊到各点的测试时间都非常短，只能测试到各点在实验车行驶过这一瞬间的电磁环境，不能反映沿线各点在不同时间段的电磁环境。

2.1.2 测试时间和测试车很难协调

作测试需要关闭沿线所有的基站和直放站，只有在线路检修的天窗点才有可能进行，而且需要安排专门的测试车，所以很难协调到测试时间和测试车。即使协调到时间和测试车，往往也只有一两天时间，甚至只有几个小时。如果干扰信号是突发、随机出现的，这么有限的测试时间再加上2.1.1提到的问题造成发现它们的概率会大大降低。

2.2 地面测试的问题

2.2.1 测试天线架设高度不够

高速铁路一般都建在十几米的高架上，在地面测试如果要达到这样的安装高度，需要十多米的天线支架，这样的支架体积笨重、安装费时费力，携带不便。所以一般测试时，使用高度2 m左右的天线支架，测试点选在有一定高度、四周开阔的地方。有的测试点附近可能找不到开阔的高点，测试天线的高度小于机车天线的高度，原本会对GSM-R网络造成干扰的信号，在地面测试中的结果可能不会超过最大允许干扰电平值。

2.2.2 信号的识别能力不够

频谱仪和接收机只能反映频谱和信道的占用情况，信号的识别能力很差。尤其当有用信号与干扰信号混杂在一起时，就很难把它们分辨出来。在进行既有线的电磁环境测试和干扰查找时，为了不影响运营，往往不能关闭铁路沿线GSM-R基站和直放站，该问题更为突出，给测试带来很大的困难。

图3是某GSM-R基站附近的频谱图，测试时GSM-R基站处于工作状态。图中MARK点M6标注是在933.4 MHz测到的电平为-93.3 dBm。在试验车上的测试反映该频点有干扰信号，由于GSM-R网络也分配了这个频点，在频谱图中无法分辨出该信号究竟是正常信号还是干扰信号。

为了弥补频谱仪和接收机信号识别能力的不足，测试中还使用测试手机反复拨打电话同时记录TCH信道号的方法来辅助判断干扰信号的类型。但是这种方法的前提条件是干扰由中国移动使用了铁路GSM-R频点引起的，如果是其他运营商的信号或是其他类型的信号，这种方法就无能为力了。在实际测试中这种方法的效果不理想。笔者曾经开发过以这种方法为基础的干扰测试软件，并在大秦线GSM-R干扰测试中使用，发现在铁路沿线只有很小一部分中国移动造成的干扰能用这种方法识别。有一个移动基站甚至到了离它只有几十米的地方，才能够记录到该基站使用了GSM-R频点，此时距离铁路的直线距离已经有3 km左右。后来分析出原因：在很多地区，中国移动网络的小区半径已经很小了，往往只有500 m左右，但是发射信号的强度仍然足以影响到数公里以外的GSM-R网络。在铁路沿线即使强制注册到当前小区和附近的所有邻小区，可能也没有包含造成干扰的小区，自然记录不到该小区分配的信道号。

3 改进方案

现在电磁环境测试的发展趋势是信息化和智能化。可以在公网现有的电磁环境监测技术基础上建立一套全路的电磁环境监测系统。同时加强和各地无线电管理委员会的合作，利用无线电管理委员会的优势资源，提高效率。

3.1 建立全路的电磁环境监测系统

电磁环境监测系统由车载系统、网络监测系统、监测站、监测车、综合分析系统组成，各部分之间通过网络连接起来。系统组成如图4所示。

3.1.1 车载系统

车载系统包括车载接收机和车载QoS测试设备，安装在普通的列车上。当列车在线路上行驶时自动进行测试。车载接收机监测各点电磁环境频谱及噪声的变化情况，同时QoS测试设备对网络的各项指标进行测试，测试结果通过GPRS方式定期传送到综合分析系统。这样就克服了在实验车上的测试时间不足和难以协调测试时间的问题，只要列车在运行，就可以对电磁环境和网络作测试。

3.1.2 网络监测系统

网络监测系统安装在核心网机房，与车载QoS测试设备配合使用。它实时记录GSM-R网络各接口的信令消息，同时把消息汇总给综合分析系统。

3.1.3 监测站

在枢纽站等重点地区可以设立监测站，对铁路无线电频率作长期的电磁环境测试，以掌握电磁环境和信道占用情况。如果发现干扰，可以用监测站的测向功能定位出干扰源的大概位置。

3.1.4 监测车

对存在干扰或已经定位出干扰源大概位置的区域用监测车来查找干扰源。监测车配备了高灵敏度的天线阵列、无线电信号监测系统、便携式频谱仪和定向天线。使用天线阵列能够精确的对干扰信号测向，再利用无线电信号监测系统的信号分析识别功能对干扰信号的类型进行识别。在车辆无法到达的地方，测试人员可以带着便携式频谱仪和定向天线测试。

3.1.5 综合分析系统

综合分析系统根据收集到的各种信息对网络的干扰情况进行统计分析，如果某处有干扰信号影响到GSM-R网络，车载系统可能会测到该处环境噪声发生了变化、QoS指标变差，网络监测系统测得信令异常，综合分析系统根据这些信息分析出发生干扰的具体区域，同时发出警告。如果发生干扰的区域有监测站，还可以利用监测站的测向功能在电子地图上定位出干扰源的大概位置。最后测试人员就可以根据这些信息开着监测车去查找干扰源。

3.2 加强与无线电管理委员会的合作

无线电管理委员会主要负责编制无线电频谱规划；负责无线电频率的划分、分配与指配；依法监督管理无线电台（站）；负责卫星轨道位置协调和管理；协调处理军地间无线电管理相关事宜；负责无线电监测、检测、干扰查处，协调处理电磁干扰事宜，维护空中电波秩序；依法组织实施无线电管制；负责涉外无线电管理工作。

无线电管理委员会不仅建有监测网络，而且掌握各地的无线电台站信息。如果能把铁路的监测网络与无线电管理委员会的监测网络实现信息共享，与他们合作开展电磁环境测试和干扰查找工作能达到事半功倍的效果。

[1]钟章队，李旭，蒋文怡，等. 铁路综合数字移动通信系统（GSM-R）[M].北京：中国铁道出版社.2003.

[2]安捷伦科技有限公司. 信号监测、频率管理和无线电发射机地理定位的技术与趋势——技术指南.2009.