GSM－R系统中干扰的测试

杨连好

GSM－R已在全国铁路大面积采用，而我国尚无针对GSM－R网络无线干扰比较全面的评价及测试方法。为此结合工程实际，以实际工程中大量测试数据、检测图表和相关测试案例为依据，按照工程建设初期阶段、工程验收阶段以及运行期间，对设备性能、网络干扰的监测和控制等进行总结，探讨GSM－R系统干扰的测试方法。

GSM－R干扰主要来自系统外部和系统内部二方面，对系统测试也主要围绕这2个方面进行。在工程建设的初期阶段，可以在铁路沿线进行电磁环境评价和清频工作；在前期网络设计规划阶段，主要对铁路沿线的GSM－R频段内底部噪声进行动态测试，重点区域应长时间监测；在网络优化和运营阶段，主要着手查找干扰来源，对于内部的干扰通过技术优化尽量降低干扰影响，对于外部干扰应确定其干扰的来源，协同有关部门进行处理。下面主要介绍不同阶段的测试方法。

1 工程建设初期

工程建设初期，为了给网络设计和规划提供基本的频谱资料，在规划线路时先期进行GSM－R频段的电磁环境测试，完成非GSM－R信号的清理排查工作。由于此阶段GSM－R信号处于关闭状态，干扰信号的查找和排查比较容易。

GSM－R电磁环境测试预置条件：关闭本工程设计范围内及附近可能产生干扰的GSM－R系统基站、直放站等设备；车速不宜超过100km/h。动态电磁环境检测设备组成如图1所示，检测点为空中接口 （Um）。

1.1 频谱宽带扫描检测

检测范围覆盖工程设计范围内的所有线路；检测设备频率与GSM－R工作频率一致；检测设备分辨率带宽 （RBW）、可视化带宽 （VBW）符合接收机灵敏度－105dBm/200kHz的要求。接收机在200kHz条件下的灵敏度S1为：

其中，S0由检测设备技术文件提供，指检测设备分辨带宽为B0时的灵敏度；M为折算带宽，M＝10×lg （200kHz/B0）；G为天线增益；Lc为馈线及转接头损耗。

图1 动态电磁环境检测设备组成示意图

当灵敏度不符合－105dBm/200kHz要求时，可调整RBW设置或加装低噪声放大器。检波方式设置为峰值检波，扫描方式设置为实时扫描，扫描时间可设置为自动。检测设备结合公里标信息自动记录和显示当前位置的检测结果。

数据处理和结果判定：以2个基站之间的区间作为1个样本区间进行干扰统计。当存在较长的连续干扰区域时，建议进行定点电磁环境检测，以便确认干扰源。检测结果采用数据表格和图形相结合的显示方式，通过设置门限值判断是否存在干扰。

1.2 采用单个或多个测量接收机检测

按工作频点进行检测；检测范围覆盖工程设计范围内的所有线路；检测设备频率与GSM－R工作频率一致，检测带宽为200kHz；检波方式为峰值检波。检测设备结合公里标信息自动记录和显示当前位置的检测结果。

按工作频点测量电平，检测结果通过公式 （2）计算得到，并判定是否存在干扰。

其中：Um＇为该样本区间的概率统计值；L为馈线损耗；G为天线增益。检测结果应按每200kHz间隔生成检测数据，电平考虑L，G修正后结果。

根据铁运函 ［2007］305号 《关于规范铁路GSM－R电磁环境测试和台站设置办理程序的通知》要求，在GSM－R频段内，公用移动通信网络GSM/GPRS移动通信系统的信号电平在铁路轨道上方4.5m处的最大值应不大于－105dBm。

2 工程建设验收阶段

随着工程建设的竣工，GSM－R设备逐步开通调试。在BTS设备的测试验收阶段，应该进行射频指标测试。主要包括输出射频频谱 （调制谱和开关频谱）、设备内、外部互调指标及设备杂散发射指标。测试方法根据国家相关规范标准进行，测试设备是R＆S的频谱分析仪FSU26和相关的配件设备。

为了避免GSM－R设备干扰GSM－R系统运行，按照国家相关规范，提出一种GSM－R设备干扰控制测试方法，测试输出信号的频谱特性、设备的杂散性和互调性等。

2.1 调制和宽带噪声产生的频谱测试

验证收发信机由于调制和宽带噪声产生的输出射频 （RF）频谱不超过规定电平。输出频谱测试配置如图2所示。

图2 输出频谱测试配置图

测试时隙应激活一个收发信机，分别在GSMR频段的最低、中间和最高3个频率上进行测试。由于测试是在现场，因此只在实际工作的频点上进行。

时隙0应设置为以全功率发射正常BCCH数据调制信号，其他时隙设置为以全功率发射伪随机序列调制的加密比特。

考虑GSM－R设备的应用特性，此处只测试最大功率条件下功率电平的性能。

使用滤波器，视频带宽RBW设为30kHz，在天线接头测量载波频率上的功率；应对至少200个突发脉冲中的激活突发脉冲进行平均，且在除0时隙以外的其他时隙进行测试。

相对于载波频率，以频偏100，200，250，400kHz，以及600～1800kHz（每隔200kHz）分别测试电平。

将所有时隙设为相同功率级，对设备的所有静态功率级都要进行测试。

对偏离发射频率1800kHz直至超出发射机频带2MHz的频率上，使用滤波器，视频带宽设为30kHz，在天线接头测量载波频率上的功率。测试应使用扫频模式，最小扫频时间为75ms，对200次扫频的结果进行平均。

2.2 切换瞬态频谱测试

测试目的：验证切换瞬态频谱不超过规定限值。测试配置参考图2。测试步骤如下。

首先确定现场设备配置的收发信机数量：有1个收发信机时，不测试；有2个及以上收发信机时，将其中1个收发信机配置为BCCH载波，并分别在GSM－R频段的最低、中间和最高频点上测试其他收发信机。如果支持BCCH的收发信机不是被测收发信机，也应该在GSM－R频段的最低、中间和最高上对其进行测试。

时隙0应设置为以全功率发射正常BCCH数据调制的信号，其他时隙应设置为以全功率发射伪随机序列调制的加密比特。相对于载波频率，以频偏400，600，1200，1800kHz测量功率。以收发信机全功率发射的信号功率作为基准功率，测量带宽应至少为300kHz。

测量其他频率时测试设备参数：分辨带宽30kHz、视频带宽100kHz、零扫频、峰值保持激活。激活收发信机的所有时隙，功率设置为最高静态功率控制级。

如果设备支持合成器跳频，则非BCCH的收发信机在GSM－R频段的最低、中间和最高上跳频，对这些收发信机重复测试。目前GSM－R不开跳频，该项测试为参考项目。

如果设备支持动态功率控制，所有不支持BCCH激活的收发信机各时隙功率按图3设置。将所有不支持BCCH激活的收发信机设置为间隔时隙激活，如时隙1、3、5、7激活，或0、2、4、6激活 （如图4所示），功率设置为最高静态功率控制级，剩余时隙置为空闲。

图3 功率/时隙配置图

图4 功率/时隙配置图 （无RF功率控制）

2.3 互调衰减测试

测试目的：确保设备的互调特性满足要求，不对系统造成干扰。一种用于测试互调衰减的配置如图5、图6所示，使用的耦合设备应有足够的工作带宽以满足测试要求。

图5 互调产物落在GSM－R Rx带外的测试配置图

图6 互调产物落在GSM－R Rx带内的测试配置图

如果设备支持慢跳频，则应去活慢跳频。由于GSM－R不开跳频，因此这里可直接进行互调衰减测试。仅激活被测收发信机，其他收发信机置为空闲状态，设备频率设置在GSM－R的发射工作频带内。被测设备发射的天线输出端，包括合路器，应连接一个耦合设备，负载阻抗为50Ω。

测试信号的频率应在GSM－R发射工作频带范围内。测试信号为未调制信号，偏离被测发射设备的频率X MHz。被测收发信机应设置为静态功率级0，测试信号电平应设为低于被测收发信机功率30dB。测试配置如图7所示。

图7 Tx互调衰减测试信号设置图

测试信号的功率电平应在与发射设备断开后，阻抗匹配为50Ω，在同轴电缆的天线输出端测量。RF发射设备的天线输出端功率应在连接天线的输出端测量。调整干扰信号的频率，使互调产物刚好落在GSM－R的频段范围内：测量滤波器带宽100kHz，扫频模式，在200次扫频上平均。测量所有三阶互调产物。

进行测量时应尽量避免选频测量设备的非线性对测量结果的影响，应确保测试设备如信号发生器、耦合设备、选频测量设备中，非线性器件产生的互调产物已衰减到足够小。被测RF发射设备和测试信号源应分开放置，确保直接辐射不影响测试结果。

2.4 BSS内互调衰减测试

确保GSM－R设备在多个载波同时发射时，自身的内互调产物不大于规定的限值，不会对系统造成干扰。测试设置如图8所示。为减小对频谱分析仪动态范围的要求，可以使用外部滤波器。

图8 测试配置图

如果设备支持慢跳频，则在此项测试中去活慢跳频，由于GSM－R不开跳频，因此这里可直接进行测试。设备配置全部的收发信机，调整各个收发信机的频点，使内互调产物落在GSM－R的频段范围内，每个发射设备以最大功率 （静态功率级0）发射伪随机序列调制的信号。在设备的天线接头使用频谱分析仪进行互调成分测量。此时测量滤波器带宽和视频带宽为100kHz，扫频模式，在200次扫频上平均，扫频时间至少75ms。

2.5 杂散发射测试

确保设备在有效频率外的杂散发射小于规定值，不会对系统造成有害干扰。用于测试设备天线接头处杂散发射的测试配置如图8所示。为减小对频谱分析仪动态范围的要求，可以使用外部滤波器。测试方法同BSS内互调衰减测试。

3 GSM－R系统运行期间的干扰监测

GSM－R开通后，对于铁路两侧区域及以外区域应进行空中接口的评价测试，同时协调运营商和无委进行必要的干扰处理。在日常运行中，为了防止突发的或者部分非法台站，对一些重点区域包括话务量大的站点、列车运行中容易出现通信质量问题的区域，应加强干扰监测工作。GSM－R系统运行期间的干扰监测方法如图9所示。

图9 铁路GSM－R干扰监测系统示意图

为了满足测试要求，需要对测试系统灵敏度进行分析。灵敏度与多个因素有关，以GSM－R天线与R＆S公司的ESPI测试接收机搭建系统为例，计算RBW＝200kHz时的系统灵敏度。

S1＝SESPI＋M＋G－Lc＝－153＋53.0－6＋1＝－105.0

其中SESPI为ESPI当RBW＝1Hz时的灵敏度，根据ESPI手册按－153dBm/1Hz取值；M＝10×lg （200kHz/1Hz）＝53.0dB；G为天线增益，值为6dBi；Lc为馈线及转接头损耗，值为1.0dB。

为了系统的监测，在测试前对准备使用的仪器仪表进行校核。在全路段对GSM－R占用频段进行全频段扫描，并把需要的频谱图记录下来。

在测试点采用全向测试天线对930～934MHz/885～889MHz频段进行全方位扫描，检波方式选用峰值检波，采用最大保持的方式，并且依靠软件录下检测过程。测试20min，若没有发现问题即可结束测试。

若发现可疑干扰，则应记录干扰信号特征、信号源方位，分析测试频谱图各频点信号是否为本线路GSM－R基站信号，同时利用测试手机测试所用频点的C/I，判断干扰程度；根据干扰信号特征初步判断干扰是否为GSM－R信号，是否为GSM－R系统内的同频干扰，是否为GSM信号，利用频谱仪、测试手机扫描该处频谱，经过多次拨打测试各小区是否有TCH使用GSM－R频点。对于采用了跳频的小区可通过测试手机直接看到参与跳频的频点，但不能由此确定该小区的全部TCH信道，计算测试点周边各小区信道的3阶互调信号是否落在GSM－R频段内，如落在GSM－R频段内，可利用频谱仪跟踪该小区BCCH信道，从而逼近该基站。在逼近过程中，可判断该基站是否存在对GSM－R的干扰。利用测试手机的FORCING FUNCTION（强制功能）中SET BCCH （锁定BCCH）功能，测试各小区的TCH频点，以减少测试时间。

非GSM干扰源的查找可利用频谱仪、安装定向天线等测试设备测试干扰源方位，利用逐步逼近的方法查找干扰源。

4 结束语

由于干扰产生的原因有多种，上述测试方法只对主要的原因进行了测试研究，受现场条件的限制，未研究阻塞性干扰等因素，特别是设备的阻塞性能指标没有进行的测试和验证。目前的网络运营和实际网络故障分析表明，GSM－R网络自身设备抗阻塞性能可能与GSM－R的实际频段等综合指标要求不符。终端设备一般为包含了P－GSM频段的2级移动台，而铁路周边被公众网络信号覆盖，特别是空旷区域，使终端模块受到接收带内大信号阻塞的可能性加大。为了合理规避该类干扰，下一步将着重分析终端设备的抗阻塞性能，以便提出科学的解决办法。

［1］ 吴伟陵.移动通信中的关键技术［M］.北京：北京邮电大学，2000.

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［3］ 中华人民共和国信息产业部.YD/T883－2009 900/1800MHz TDMA数字蜂窝移动通信网基站子系统设备技术要求及无线指标测试方法［S］.2009.

［4］ 朱辉.实用射频测试和测量［M］北京：电子工业出版社，2010.

［5］ 钟章队，吴昊，李翠然等.铁路数字移动通信系统（GSM－R）无线网络规划与优化［M］.北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2012.