铁路GSM-R系统电磁环境测试探讨

摘要：随着我国高铁的飞速发展，GSM-R系统不仅承载了铁路的语音数据通信需求，還承担着列控系统的数据传输任务。电磁环境测试是保障铁路GSM-R系统安全稳定运行的重要手段，随着无线通信技术的发展，铁路GSM-R系统电磁环境测试需要与时俱进。鉴于此，从频谱测试、扫频测试、定点测试三个方面对铁路目前使用的几种检测手段进行了分析。

关键词：铁路;GSM-R系统;电磁环境;测试

0    引言

我国铁路无线通信采用GSM-R移动通信系统，近年来已在各条新建铁路上广泛应用。GSM-R系统运营以来达到了预期的功能要求，网络质量基本稳定，在提高我国铁路运输效率、保证铁路运输安全方面起到了重要作用。但GSM-R为2G数字移动通信系统，抗干扰能力较差，与GSM网络一样在传播过程中易受外界多种因素影响，同时由于GSM-R系统网络中设备本身的非线性、设备故障等因素影响，GSM-R通信系统在实际开通和使用中经常会受到外部干扰，导致业务应用质量和网络性能指标下降。电磁环境本身是看不见、摸不着的，只有通过适当的检测手段才能发现，因此，进行GSM-R电磁环境测试是排查、解决干扰问题的一个重要手段。

目前GSM-R系统存在的干扰主要包括两个方面：外网基站信号干扰和GSM-R网内干扰。过去我们用的较多的是频谱检测，这在模拟通信时代还可以，到了数字通信时代有些信息也很难发现或不能发现与确认。下面根据铁路目前使用的几种检测手段来说明铁路GSM-R网电磁环境测试情况。

1    频谱测试

目前GSM-R电磁环境测试主要分为两个阶段：第一个阶段是在新建线路调试开通前对铁路沿线的电磁环境进行定点检测，摸排全线电磁环境使用情况，记录每个新建基站附近的频谱使用情况，此阶段主要用于申请频率许可及台站设置工作。第二个阶段是在线路开通之后，传统的频谱仪已经不适用于高速移动的列车，应使用扫描速度更高的实时频谱仪进行测试。

实时频谱仪2010年开始进入中国，但很快就被西方国家禁运，2012年美国解禁后开始正式在铁路市场应用。实时频谱仪的检测速度为纳秒级，因此可以发现很多突发或短时间的电波干扰，通过出现时间概率用不同颜色在屏幕上显示频谱波形，如图1所示。而普通频谱仪频谱图如图2所示。

图3是对某条线路利用实时频谱仪进行的电磁环境测试情况，过去在该区间进行服务质量测试时有时会出现7级通信质量。

在实时频谱仪看到的频谱有很多脉冲干扰，如使用传统频谱仪只能看到整体电平抬高，不会知道具体原因。通过向铁路局了解，该处附近有一个军用机场，故判断这个脉冲干扰应该是雷达辐射造成的。

GSM-R系统是GSM技术在铁路系统的延伸与发展，故GSM-R系统的频谱波形和GSM一样为200 kHz的带宽。GSM技术是时分多址系统，除了BCCH信道，其他信道出现电平的时间概率最多也就百分之十几，对于出现时间很短的信号传统频谱仪很难抓住。

在GSM-G网络刚开始建设的时候，中国铁路和中国移动是按区域共用GSM-R网络的4 MHz频段，早些年由于移动运营商未根据新建铁路的区域调整自己的频段，经常会发现运营商占用铁路4 MHz频点的情况。如果直接占用BCCH或TCH，利用传统频谱仪很容易就能发现。但移动运营商的GSM信号很多时候采用跳频方式，电平出现时间只有几十毫秒，使用传统频谱仪可能看不到或看不全，即使能够记录下频谱图也很难查到信号来源。图4是用实时频谱仪在铁路线上检测到的曲线展示，其中非常浅色的波形就是GSM跳频频谱（出现的时间短）。

2013年某高铁就发现了图4的跳频频谱，使用便携频谱仪查找未发现干扰存在，采用实时频谱仪发现了该问题，通过与移动运营商交涉该处干扰得到消除。除了使用实时频谱仪发现跳频干扰外，还可采用扫频检测确认具体的小区号，更有效地要求违规单位与个人及时进行处理，保障铁路运行安全。

近年来，随着高铁的大力发展，加上移动运营商逐步缩小2G业务范围，目前很少再发现移动运营商GSM系统占用铁路GSM-R频段的情况。但是随着通信技术的发展，4G技术开始在全国应用，铁路沿线的公网覆盖也是移动运营商的重点。由于是新技术，有些地区的运营商做了一些试验性的组网，甚至有些地区出现过违规占用铁路GSM-R网络频点进行试验的情况。

图5反映了某C2线路在切换前突然出现400 m的C/I（载干比）下降和通信质量恶化。

对该线路进行了实时频谱测试，发现在这个区间，在铁路GSM-R频段内整体存在较高的电平展现，对铁路GSM-R网络造成了干扰，如图6所示。

从频谱图上根据4G宽带频谱进行判断，基本考虑为运营商LTE信号的干扰。由于占用了铁路GSM-R网络的全频段，该线路区段的GSM-R信号只要覆盖电平值稍弱都会受到干扰。

随着4G的发展以及900 MHz频段的重耕，今后类似干扰可能会更多，必须改善检测和解决的手段。

图7是一个外网基站频率特性不好的案例。从实时频谱上看移动运营商的基站辐射特性出现很大问题，带外抑制太差，影响到了GSM-R通信服务质量。

从实时频谱数据不仅看到了移动运营商设备的特性劣化，而且也看到对铁路GSM-R网络的影响程度，如果单单采用传统频谱仪则只能看到一段高电平频谱，无法直观反映出运营商设备的故障。该问题在向当地运营商提出后很快得到解决。

同样，该手段也可以发现铁路自身GSM-R网基站的特性变化，图8就是某条线路基站的频谱图，也是带外抑制恶化。

本网的带外特性恶化对本网只是影响小区附近的通信质量，这在实际的网络测试曲线中也得到了证实，C/I（载干比）不满足要求，通信质量大约有4～5级质差，如图9所示。

近年来铁路沿线造成影响最多的干扰不是外网违规占用频点造成的，主要是铁路GSM-R设备自身缺陷以及铁路沿线部分区段存在弱场覆盖等情况造成了外网信号干扰，包括大信号阻塞和三阶互调，这类干扰都可以通过实时频谱测试来发现。

2    扫频测试

GSM-R系统电磁环境测试方法目前常用的还有扫频测试，特别是在查找外网占用和本网频率设置问题上比较有效。前面提到对于外网占用铁路G网的干扰从频谱上不能很快分出来，需要结合基站数据库对照判断，如使用扫频方式即可明确地知道干扰网络属性。

图10是对某一条普速铁路的扫频检测数据，可以看到在这个位置有多个频点被中国移动的网络占用（MNC=0），尽管有些频点电平不高，但这些都是违规占用，必须要求违规单位关闭。

图11是某C3线路扫频测试结果。从检测数据中看到，中国移动的网络（MNC=0）违规占用了铁路GSM-R网络频点，同样一个小区的信号（CI=28354）在铁路沿线延续了近100 km，什么小区要覆盖这么远？不论出于什么目的，移动运营商占用了铁路的网络频点肯定是违规的，需要向当地运营商和无线电管理机构反映并解决。

目前中国移动公司基本已退出GSM-R频段，但在某些地区出现了中国联通大量占用铁路GSM-R频点的现象。

图12的检测数据反映了MNC=1的联通小区也占用了铁路频点，在全国的铁路线这样的占用曾多次被发现，大部分是在普速线路（高铁线路也有，但较少）。

由以上数据可以看到，移动运营商占用铁路GSM-R频点不是个别现象，铁路相关部门要引起重视，在日常运营中对电磁环境进行广泛性、经常性的测试。

目前一般的扫频仪表只能发现运营商占用BCCH频点，对于占用铁路GSM-R网络的TCH频点需要定制扫频设备来测试。根据GSM网络的要求，在空闲状态下基站BCCH信道定期传送系统消息，其中消息类型1包括小区信道描述，包含了该小区的所有频点。图13就是通过定制设备在移动运营商的网络中发现占用了铁路1010频点。

综上所述，通过采用有效的检测手段，可以发现其他运营商违规占用铁路频点的现象，有利于相关运营维护人员分析解决GSM-R网络质量出现的相关问题。

3    定点测试

以上提到的电磁环境检测基本是在线路开通后通过动态监测实现的，目前在线路开通前也会进行定点测试，也有一些铁路局在日常维护中进行过地面定点的电磁环境测试，但具体效果不是十分理想。虽然国家无线电管理机构在全国都开展了地面棋盘式的电磁环境监测，但铁路与其他部门不一样，全线开展大规模的定点监测不太现实，可以根据具体情况在需要的区间进行定点监测。

定点监测主要是采用传统频谱仪进行测试，也可辅以扫频仪、定向天线，共同准确定位。该种手段为传统的测试方法，前文已有描述，不再赘述。

目前对铁路影响很大的还有一种干扰——多径干扰，如图14所示，主要是多径干扰的上行路径即基站处受到的影响最大，因此可以利用传统频谱仪测试手段开展多径干扰问题区间的地面监测。软件无线电技术和大数据分析可以采集无线系统底层信息，从这些信息中解出同一信号经过不同路径到达监测点的时延和电平幅度，根据多径干扰的风险门限（如时延大于12 μs，电平差大于9 dB）提出告警。

由于技术限制，非专业人员很难实现这些功能，而电磁环境监测的专业人员对铁路的特殊情况了解不够，经常是付出了劳动，效果却不明显。由于解决问题的针对性不强，得不到维护单位的支持，有技術也不能实施。因此，铁路沿线地面定点监测的技术手段和相关设备还需持续改进。

目前很多铁路局已经逐步在地面安装空口监测设备，主要安装在人口密集或容易受干扰的特定区段。通过技术手段的提升，争取把空口监测与电磁环境监测结合起来，就不仅可以分清责任还能确定问题的原因，帮助责任部门解决问题。

4    结语

随着无线通信技术的快速发展，4G、5G系统也准备逐步应用于铁路行业，铁路运营对无线通信系统的依赖也越来越大。无线通信的电磁环境问题应得到铁路管理部门高度重视，建议铁路的无线电管理部门尽快针对铁路GSM-R系统制定详细的电磁环境测试方案和管理办法，尽早发现存在的问题，并及时解决，保证铁路运输安全。

[参考文献]

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[2] 曾祥兵，高建平.GSM-R网络干扰监测及分析[J].铁路技术创新，2011（6）：39-42.

[3] 廖剑锋.分析GSM-R技术在我国铁路通信中的应用现状与发展前景[J].通讯世界，2016（4）：122-123.

收稿日期：2020-05-13

作者简介：顾仁杰（1981—），男，江苏南通人，工程师，研究方向：无线通信。