GSM-R 车载模块接收机抗干扰性能分析及对策研究

尹 鹏

1 背景介绍

目前国内铁路无线通信系统主要采用了GSM-R 技 术，其 技 术 来 源 于GSM［1-2］。相 比GSM，GSM-R 只是多了一些集群、高速场景等应用内容，即铁路移动通信系统和运营商的通信系统在底层技术上是相同的。国际电信联盟分配给铁路的R-GSM900 频段为921.0 M～960.0 MHz（下行），分配给运营商的E-GSM 频段为925.0 M～960.0 MHz（下行），显然大部分是共频段的。由于终端在体积、使用环境等方面的限制，其下行信号的抗干扰性能要低于基站，故本文只对下行，即终端的接收机抗干扰性能进行分析。

国内主要运营商移动和联通公司的GSM900 下行频段分别为934 M～954 MHz和954 M～960 MHz。GSM-R 模块一般是按R-GSM900 规范的全频段设计接收机带宽的，这样会造成运营商，尤其是下行信号可能落入GSM-R 模块带内，形成非常复杂的阻塞、互调等干扰，并且运营商铁路沿线的基站有可能就在GSM-R 沿线基站的切换区附近，在这些区域运营商信号有可能要比GSM-R 信号强15 dB左右，详见表1。

针对以上问题，从4 个方面进行分析，并提出对策。

1）ETSI 相关标准中关于接收机射频指标的相关规范。

2）GSM-R 带外信号的滤除。

3） GSM-R 车载模块接收机带内干扰抑制能力的检测。

4）带内干扰信号识别。

2 接收机射频指标的相关规范

国内GSM-R 车载模块主要用于CIR 设备和MT设备中，接收机射频相关指标在TB/T 3370.1—2018中引用YD/T 1214 的标准，而YD/T 1214 部分指标引用ETSI 的3GPP TS 05.05［3］标准，故在表2中将接收机相关抗干扰性能指标汇总在一起进行分析（表2 中以MS 为8W 语音车载模块，SmallMS 为2W 车载模块为例）。

表1 运营商GSM900 与GSM-R 信号强度比较

表2 接收机抗干扰性能主要指标及优化建议

根据文献［4］的故障案例分析数据，可看到在下行信号为-47 dBm 时，通话质量恶化到6 级或7 级。依 据3GPP TS 05.08 中8.2.4 条，6 级BER 大于6.4%，7 级BER 大 于12.8%［5］。

从表2 可看出，互调干扰是双干扰信号源，其他都是单干扰源。按表2 中信号幅度，增加1 个或2 个干扰信号最多使误码率下降到2%，即通话质量下降到3～4 级（2.0%＜BER＜3.2%）；依据表1 的计算，文献［4］中的故障原因可能是两家运营商的934 M～960 MHz 信号落入了标准GSM-R模块的接收机带内，如果运营商的用户较多时，这些频率都会被同时使用，从而形成非常复杂的阻塞、互调、同频等干扰，导致通话质量急剧下降。

3 GSM-R 带外信号的滤除

在GSM-R 车载模块中增加腔体滤波器，可滤除运营商934 M～960 MHz的信号，但由于滤波器的材质受温度影响，会造成滤波器频率漂移，如表3所示。铝材质在-25 ℃和60 ℃时会分别偏移1.1 MHz和0.8 MHz，再考虑到干扰主要来源于GSM-R 带宽的高频部分、主要工作在高温等因素，建议将该滤波器带宽规范为929 M～935 MHz，带外衰减25 dB 以上。

相应的国内GSM-R 车载模块的带内规范为929 M～935 MHz（以下文中的GSM-R 带内指这一6 MHz 频段，GSM-R 带外指6 MHz 频段带外信号），并将此滤波器和车载GSM-R 模块一起进行接收机指标优化，优化建议见表2。

表3 腔体滤波器温度变化引起的频率漂移

4 降低GSM-R 车载模块接收机带内干扰

加装滤波器只是滤除了GSM-R 带外的干扰，针对带内存在的干扰要从外部和内部因素两方面分析并采取措施。

1） 从外部因素来说，GSM-R 带内有一部分干扰是运营商的934 M～935 MHz 合法频谱，通过电磁环境测试，要求相关运营商优化频率，建议其在铁路沿线无线覆盖基站尽量避免使用这些频率，或尽可能减小运营商基站覆盖距离等。

2）从内部因素来说，要定期测试这些模块接收机的抗干扰指标，发现恶化情况，立刻进行维修或更换。另外，因3GPP TS 05.05 定义的指标和3GPP TS 51.010-1［6］定义的测量方法是通用规则，应根据国内的实际情况进行部分调整，可依据表2 的建议，修改相关指标，并完善、优化测量方法。

5 带内干扰信号识别

GSM-R 带内干扰主要来自运营商的934 M～935 MHz 信号频段，其基站和直放站等信源设备产生的互调信号，也有GSM-R 网内多径干扰信号等。如果这些信号形成异频干扰，依靠接收机的抗干扰性能可以保证误码率恶化在可控范围内。但如果落在同频内，根据表2 中C/Ic@同频=9 dB，当有用信号电平为-85 dBm 时，只能承受-85-9=-94 dBm 及以下的同频干扰信号。这种带内同频干扰信号，如果与有用电平信号幅度差值在6 dB内，且时延差值超过4 TA 时，会导致终端的接收灵敏度急剧恶化。使用常规的扫频仪及信令方式无法找出干扰源，且同频干扰具有随机性，因此需在滤波器内增加同频干扰监测模块，在线常态监测GSM-R 带内的干扰信号，及时捕获同频干扰信号，为解决这些干扰提供有效的数据支撑。

另外，由于车载天线故障率也较高，在同频干扰监测模块内增加天馈线监测模块，可同时实现对天馈线的实时监测，以及GSM-R 车载模块时隙功率的监测。

6 验证试验

利用无线检修测试工区直放站设备里既有的2 个双工器部件，将其H 端（高频段）和L 端（低频段）分别对接后，作为一个简易的带通滤波器。在模拟现场运用环境条件下，准备1 台射频信号源、1 台GSM 测试仪、电桥及GSM-R 车载模块，按图1 方式连接，进行试验测试。

图1 滤波试验连接示意图

首先，关闭RF 信号源输出，不串接简易滤波器，依据文献［5］ 调整GSM 测试仪信号，测试出车载模块的接收灵敏度为-108 dBm；开启RF信号源，频率调整为954 MHz、幅度为-23 dBm（相当于模拟某运营商GSM 网络的干扰信号），则测试出模块灵敏度恶化到-73 dBm；串接简易滤波器后再进行灵敏度测试，模块的接收灵敏度恢复到-108 dBm，基本上控制了干扰信号的影响，有效提升了车载无线设备的接收电平，满足了车载设备的正常运用。

从上述试验可看出，加装滤波器后，非常明显地抑制了较强的运营商信号对GSM-R 无线信号的干扰，保证了行车设备无线信号的可靠接收。

7 结论

通过对铁路GSM-R 车载模块的技术运用及指标分析，结合运营商基站下行信号对铁路GSM-R网络存在的带内和带外干扰等问题，利用外加的腔体滤波器，重新定义了GSM-R 带宽，通过优化参数配置、修改抗干扰指标、完善模块性能等方式，提出了减小或消除干扰的解决方法。同时，根据实际运用情况，为准确定位带内干扰源，建议同步增加同频干扰监测和天馈线监测模块，为GSM-R 车载模块提高抗干扰性能提供了一个整体解决方案，尤其对C3 线路车载无线设备抗干扰能力的提升具有一定的参考价值。