无线干扰信号对CTCS—3列控的影响

刘庆新

摘要：通过对承载CTCS-3级列控信息的GSM-R系统无线信号受到干扰的原因分析，阐述了GSM-R系统设备的稳定对于CTCS-3 级列控系统传输的重要性。

关键词：GSM-R系统；CTCS-3 系统；无线信号干扰

ABSTRACT：Through the analysis of the reasons for the interference of wireless signals of GSM-R system carrying CTCS-3 level train control information，the importance of the stability of GSM-R system equipment for the transmission of CTCS-3 level train control system is expounded.

Key words：GSM-R system，CTCS-3 system，wireless signal interference

1 GSM-R系统与CTCS系统简介

1.1 GSM-R系统简介

GSM-R（GSM for Railway）是基于GSM技术，专为铁路通信设计的数字移动通信系统，为铁路应用提供综合通信服务的平台，不仅实现无线列车调度、铁路区间移动通信等语音功能，同时还承担了车次号校核信息、调度命令、列控信息传送等无线数据通信任务，在铁路安全生产中发挥着重要作用。作为承载CTCS系统传输的无线通信网络，可在CTCS系统中连续传送列车控制命令信息实现车地之间双向、大容量的数据通信，体现通信信号一体化的特点，

GSM-R系统包括网络子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、运行和业务支撑子系统（OSS /BSS）和终端设备四个部分。其中，网络子系统包括移动交换子系统（SSS）、移动智能网（IN）子系统和通用分组无线业务（GPRS）子系统。其中位于基站子系统（BSS）中的BTS（Base Transceiver Station基站发射接收机）是发射和接收GSM-R系统的无线信号的核心设备。

1.2 CTCS系统简介

CTCS是（Chinese Train Control System）的英文缩写，为中国列车运行控制系统。CTCS系统有两个子系统，即车载子系统和地面子系统。CTCS根据功能要求和配置划分应用等级，分为0～4级。CTCS-3级列控系统是基于GSM-R无线通信实现车-地信息双向传输，无线闭塞中心（RBC）生成行车许可，轨道电路实现列车占用检查，应答器实现列车定位，并具备CTCS-2级功能的列车运行控制系统。

CTCS-3系统分两个子系统，即车载子系统和地面子系统。车载子系统包括无线通信（GSM-R）车载设备、测速模块、设备维护记录单元和车载安全计算机。地面子系统由以下部分组成：应答器、轨道电路、GSM-R无线通信网络（不属于CTCS设备，但是是重要组成部分）及无线闭塞中心（RBC）。其中RBC 系统是基于故障-安全计算机平台的信号控制系统。系统能根据所控制列车的状态及其控制范围内的轨道占用、列车进路状态、临时限速命令、灾害防护和线路参数等信息，产生针对所控列车的行车许可（MA）控制信息，并通过 GSM-R 无线通信系统传输给车载子系统，保证其管辖范围内列车的运行安全。

2 GSM-R系统与CTCS-3系统的关系

由于GSM-R系统承载着地面无线闭塞中心RBC向车载列控设备（OBU）发送行车许可 MA、列车限速信息、线路坡度、轨道条件、进路适宜性等参数信息以及 OBU 通过 GSM-R系统向 RBC发送列车位置和列车状态等信息的重要业务。所以当GSM-R系统无线通信传输质量下降、设备故障以及无线信号受到外界干扰而导致的列控信息通信中断时長超出了 CTCS-3 级系统中车-地通信中断定时器所能允许的最大时长约18秒时，列控系统由CTCS-3 级降到 CTCS-2 级，从由GSM-R网络控车到传统的轨道控车，列车速度由原来的350Km/h降到300Km/h以下，造成列车晚点，打乱了正常的行车顺序，影响铁路系统运行效率甚至威胁列车行车安全。鉴于GSM-R系统不良造成列控信息的通信中断属于严重的故障，因此维护好设备质量，克服外界干扰是保证GSM-R系统正常运行的关键。

3 无线干扰信号对CTCS-3的级列控影响

3.1 各种干扰信号对CTCS-3 级列控的影响

1）来自基站设备BTS内部的干扰

基站设备中主振器、振荡器、调制器、倍频器、放大器等部件在工作时都会产生热噪声，这些噪声一旦被调制就会形成干扰信号发射出去会对基站的覆盖效果带来影响。

2）外部信号干扰

（1）强信号干扰：这种干扰是指合法的信号占用合法的频率，由于功率过强造成邻近频段接收设备阻塞。通过GSM-R系统的工作频段可以看出，由于中国联通 800MHz的 CDMA 系统基站发射频段为 870-880MHz，铁路GSM-R 系统基站接收频段为885-889MHz，两系统之间只有 5 MHz保护带，会发生CDMA系统基站和 直放站的发射造成对GSM-R系统基站和直放站的接收产生有害干扰。

（2）固定频率的干扰：这种干扰频率几乎不变，或小范围抖动，上下行都可能存在。其干扰信号呈现出稳定和频谱干净的特性，具有固定频率的干扰源工作于GSM-R移动通信频段。由于中国铁路GSM-R 频段与中国移动 900MHz增补频段公用，所以中国移动900MHz增补频段的信号源是主要干扰之一。

3）不可预测信号干扰：目前在900MHz频段的GSM系统中存在射频直放 站转发信号干扰、有线电视倍增器漏泄杂波干扰、微波及对讲机系统杂波干扰等三种常见类型的不可预测干扰。由于移动通信运营商大量采用宽频段射频转发直放站系统，会接收到不 同移动通信 网络基站的射频信号，并经过放大后转发，有可能将 与GSM-R网络相 同或相邻的射频信号放大后，造成对GSM-R 网络的干扰。

4）非法信号的干扰：也称为人为干扰是指非法运营者在没有得到许可的情况下，违反国家无线电管理条例，私自使用与GSM-R相同的频段造成的干扰。

5）來自互调信号的干扰

指当有多个不同频率的信号加到非线性器件上时，非线性变换将产生许多组合频率信号，其中一部分可能落到接收机通带内，成为对有用信号的干扰。产生互调干扰的原因很多，主要有以下3个方面：

（1）在非线性部件，各输入信号混频产生互调成分。

（2）输入信号频率必须满足其组合频率能落到接收机通带之内。

（3）输入信号功率足够大，由此产生幅度较大的互调干扰成分。

6）来自邻频信号的干扰

邻频干扰是来自相邻的或相近的频道干扰，相近频道可以是相隔几个或几十个频道。包括2方面：一是由于工作频带紧随的若干频道的寄生边带功率、宽带噪声、杂散辐射等产生的干扰；二是指移动通信网内，一组空间离散的邻近工作频道引入的干扰，如果邻信道载波功率过大，就会对有用信号产生干扰。因为GSM-R系统使用的频率有限，所以采用在4MHz带宽内分成20个信道，每个信道占用200kHz。根据规定GSM-R系统的200kHz邻道干扰保护比要求为C/I≥-6dB。400kHz邻道干扰保护比为C/I≥-38dB。但是由于设备硬件质量的原因，相邻信道之间可能相互干扰，形成邻频干扰。

7）来自同频信号的干扰

为了提高GSM-R系统的频率利用率，铁路沿线多个不相邻的小区使用相同的频率，当两个使用相同信道频率的小区距离过近时，一个小区的通信信号就可能会对另一个小区的信号产生干扰，这就是同频干扰。这些无用信号与有用信号一样在超外差接收机中经放大变频而落入中频通带内，因此只要在接收机输入端存在同频干扰，接收系统就无法滤除和抑制。存在同频干扰的频率范围为f±B /2，f为有用信号载波频率，B为接收机中频带宽。

8）多径干扰

无线射频信号的传输由于路径的不同，接收机接收到的信号是经各种传播路径的直射波、反射波、绕射波和散射波等的向量和。由于GSM-R信号的波长很小，所以，较小的传播时延就会产生较大的相位变化，形成多径干扰。

3.2 下列原因造成信号对CTCS-3 级列控干扰

1）越区切换对CTCS-3 级列控的干扰

由于GSM-R系统无线信号在传播的过程中存在着反射、绕射和散射等现象以及路径损耗、多径效应、阴影效应及多普勒效应等而引起的信号衰减。为保证无线传输信号质量，哈大高铁GSM-R无线系统采用了单网交织覆盖方式，铁路沿线每隔3km便安装一个高度为35米左右的BTS无线铁塔，满足两个小区重叠区内的信号电平大于-90dBm的要求。由于小区距离近，时速300千米以上的动车车载台在多径环境中接收信号瞬时会出现多普勒扩展现象，在重叠区容易产生越区切换时延大、频繁切换、切换前后链路中断率、接收信号信噪比和误码率高的问题，这些都会影响CTCS-3 级列控信息传输的稳定性。包括降低 RBC 和 OBU 之间列控信息传输实时性，降低CTCS-3 级系统运行效率和控制精度。经过研究表明，在两小区的重叠区内，列控信息传输质量较差，会造成较高的列控系统故障发生几率和更为严重的列控系统故障，严重降低了 CTCS-3 级系统安全性能。所以保证GSM-R网络正常，特别是提高重叠区内信号传输质量，对保证列控系统的可靠性、安全性、工作效率有着决定性的作用。

2）数据帧重传对CTCS-3 级列控的干扰

为了保证列控信息传输可靠性，数据链路层采用多选择性重传机制，以实现车载台和基站对数据传输的差错控制。数据重传机制分为 2 个部分。

⑴ 若接收端接收到失序的数据帧，则向发送端发送选择性拒绝帧，并请求重传所有失序帧前未接收或发生错误的数据帧。发送端根据选择性拒绝帧中失序帧的帧号，向接收端重传数据帧，待确认接收端重传数据帧接收完成后，再向其传送下一个数据帧。

⑵ 发送端发送完一个数据帧后会启动定时器T1，若超出 T1时间还未接收到接收端回馈的接收确认帧，则向接收端发送监控命令帧，接收端接收到监控命令帧后，会向发送端发送包括未接收数据帧序号等信息的监控命令帧，发送端根据监控命令帧中的信息发起重传。所以列控信息的传输时延除了路径传输时延以外，还有错误数据帧所带来的数据帧重传延迟。频繁的重传延迟会造成 RBC 和OBU之间列控信息交互中断，导致列车紧急制动以及降级运行。

以上的各种对GSM-R系统无线信号的干扰，会导致 RBC和 OBU（车载列控设备）之间列控信息传输时延增加，降低了 CTCS-3级系统的实时性、效率、控制精度、可靠性和安全性。

4 结束语

综上所述，我们意识到GSM-R系统是CTCS-3 级列控系统的基础和关键，在GSM-R系统设备日常的维护中，应该综合采用各种维修手段，通过实时的网络监控，不断地网络优化，高质量的设备维修，精准的故障处理才能保障GSM-R系统设备和信号传输的稳定，杜绝或减少无线信号干扰，才能保障CTCS-3级系统的正常使用，从而保证高铁列车的安全和正点。

参考文献

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（作者单位：中国铁路沈阳局集团有限公司科学技术研究所）