铁路GSM

文 | 山东省枣庄市无线电监测站 刘志勇

       0 引言

  我国自2009年进入高铁快速发展时期，如今高铁已成为中国人出行的重要交通工具。保障高铁行驶安全成为铁路部门以及各相关单位关心的重要课题，高铁的通信调度是保障高铁安全的重要环节。GSM-R系统是高铁运行的神经中枢，随着各类无线通信设备的增多，其干扰问题也日趋严重。如何处理GSM-R系统的各类突发干扰，成为各级无线电管理部门的重点工作。本文就这一问题，结合作者的工作经验作一些粗浅阐释。

       1 铁路GSM-R 系统工作现状

       1.1 GSM-R 模式的确立

       GSM-R是为铁路通信设计的专用综合数字移动通信系统，在常规业务方面它延续了GSM性能，充分利用了GSM公众网成熟的通信技术，开发出组呼、广播、多优先级及紧急呼叫等功能，适用于铁路系统的移动通信和综合调度。它实现了铁路多种业务在GSM-R平台上的信息共享，并充分考虑了列车在高速环境下的要求，是真正适合现代高速铁路通信的一项功能完善、先进高效的新技术。

       GSM-R是由国际铁路联盟与欧洲电信标准组织在1993年协商提出的，是欧洲各国下一代铁路无线通信系统的标准。我国从上世纪90年代初期，重点对GSM-R通信系统和800MHz无线电集群通信系统进行了考察和比较论证，专家最终得出GSM-R技术更成熟，更适合我国铁路运输通信调度的结论。2001年，我国最终确定在中国铁路通信系统全面应用GSM-R技术。

       1.2 GSM-R 频率规划

       关于GSM-R的使用频率问题，工信部曾两次发文予以明确。2003年发布的《关于铁路专用GSM-R移动通信系统使用频率及有关问题的函》（信部无函〔2003〕394 号）规定：在铁路车站及铁路轨道沿线两侧的地域， 885-889/930-934MHz频段，即4MHz×2 带宽的频率,由铁路GSM-R系统使用，在直辖市、省会城市和计划单列市的城区，铁路GSM-R系统的覆盖范围应小于铁路轨道两侧各2km，其他地域覆盖范围应小于铁路轨道两侧各6km。2007年又发布了《关于铁道部和中国移动共用900MHz移动通信网频率资源问题的函》（信部无函〔2007〕136 号），规定中国移动使用EGSM 频段的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，铁路GSM-R 系统在铁路轨道两侧2km和6km处的最大信号电平应不大于-85dBm 和-90dBm。

       1.3 GSM-R 建设和发展

       GSM-R 系统设有控制中心，铁路线各站设基站，间隔为4-6km。基站的天线高度为20-60m，采用窄波瓣高增益定向天线，发射功率为60W。隧道内设置直放站， 形成了铁路通信调度网络，有线、无线、移动用户之间的通信变得更加快捷高效。GSM-R 除了具有语音传输功能外，更重要的是具有数据传送功能。它与GPS 卫星定位系统、机车车载计算机结合后，能够实现机车和地面之间列车控制信息的实时传送，达到控制列车运行、确保列车安全的目的。

       截至2020年年底，我国铁路里程已达14.6万km， 其中高铁有3.8 万km。按照铁路规划纲要要求，到2035年全国铁路网运营里程要达到20万km左右，其中高铁7万km 左右。GSM-R 系统经过20 年的建设，也拥有了和铁路里程相匹配的规模，几乎所有的铁路客运线路都建设了GSM-R 通信网。随着全国高铁线路的不断增加， GSM-R 也必将迎来更广阔的发展，为我国的铁路调度通信发挥越来越重要的作用。

       2 GSM-R 网络特征及干扰分析

       GSM-R 是由GSM 升级演变而来的，是基于GSM 技术实现铁路通信的新技术。它采用了独特的算法和小区规划，成功地克服了由于高速引起的信号失真，减少了信道切换，从而大大提高了通信系统的可靠性。

       2.1 GSM-R 的频率和通信特点

       GSM-R 系统工作频率为885-889MHz（移动台发，基站收）和930-934MHz（基站发，移动台收）， 共4MHz 频率带宽、21 个载频，双工收发频率间隔是45MHz，相邻频道间隔是200kHz，实际可用频道有19个。这一频段最早是由中国移动通信集团公司使用的， 后由铁路试验使用，2003 年信息产业部规定与中国移动公司共同使用，并逐渐演变为铁路专用。工作频率在900MHz 频段的GSM-R 系统，更适于每小时500km 的高速移动通信，能有效抗击频率为400-800MHz 电气化铁路电火花的干扰，更适合高速列车在隧道内穿行时的通信，能有效保证高速列车的通信质量。

       GSM-R 网络结构是交叠的椭圆形线状覆盖，形成了以线为主、线面结合的沿铁路路轨的椭圆形链状网（铁路沿线网络覆盖示意图如图1 所示）。这种线性覆盖方式， 大多使用定向8 字形天线或者功分器，将一个小区分为两个方向。这样做大大减少了过区的切换次数，克服了蜂窝的边缘处出现的信号电平弱、场强冗余值低、通话质量差、基站与移动终端连接不上等各类问题，保证了网络的通信质量。在GSM-R 频率规划中，也和GSM 一样采用频率复用方式，但不能出现同频复用小区扇区方向正对的情况，否则就会产生干扰。

       2.2 GSM-R 干扰分析

       GSM-R 频率干扰分同频干扰、邻频干扰、互调干扰、带外干扰、阻塞干扰这几种类型。同频干扰相对直观简单，主要是因为干扰源发射信道和GSM-R 接收端使用了同一频率造成；相隔一定带宽的两个近邻频率形成邻频干扰，引发情况是发射端或接收端滤波器性能不良、小区间频率规划不合理、蜂窝小区覆盖范围超标；互调干扰相对复杂，常见的有三阶互调和五阶互调，是由于多个干扰信号同时加载到接收机端，组合成新的频率， 对GSM-R 形成干扰；带外干扰是指其他发射机在发射有用信号的同时，由于器件本身的原因和滤波器带外抑制的限制，在它的工作频带外产生杂散、谐波等无用信号， 这些信号落到GSM-R 的工作频带内，就会形成干扰； 较强的外界信号与弱的有用信号同时进入GSM-R 接收端，强信号使接收端器件失真造成非线性，或GSM-R 自身信号强度过大，造成接收机阻塞，这就形成了阻塞干扰。这些干扰对GSM-R 系统来说，其危害性是多方面的，比如掉话、连接丢失、数据接收不到、C3 通信降级或超时、语音通话质量降低、数据通信误码丢包，甚至造成数据通信中断、通信连接失败、无法正常跨区切换、通信系统被阻塞等。

      3 GSM-R 频率干扰应急处理机制

       3.1 GSM-R 频率干扰存在的可能性分析

       针对以上干扰分析中出现的GSM-R 干扰类型，我们就可以判断GSM-R 干扰有可能出现下面几种情况：

       第一种情况，GSM-R 频点和中国移动通信公司的GSM 频点实行分区域共用，所以首先应考虑的是这两方的同频干扰。

       第二种情况，由于电信运营商的GSM 频点较少， 中国联通和中国电信为了给客户提供较好的通信服务质量，会非法擅自使用GSM-R 频段的频点，从而造成对GSM-R 系统的干扰。

       第三种情况，电信公司的CDMA 下行频率的频段是870MHz-880MHz，而GSM-R 的上行频率的频段是885-889MHz，两个频段的频带间隔只有5MHz 的保护距离。CDMA 的基站功率较大，发射信号较强，如果电信公司的发射滤波器带外抑制不好，就会对GSM-R 的上行频段形成干扰。这种干扰极易出现在GSM-R 两区中间的衔接处，这一区域GSM-R 场强电平值较低，属于GSM-R 的“软肋”。

       第四种情况，移动通信运营商为了扩大铁路沿线的覆盖范围，增加高速列车上的信号场强，会在铁路沿线放置很多大功率GSM 发射基站或直放站。由于部分设备性能指标低下，发射设备带外信号抑制水平不高，造成这些杂散信号直接进入GSM-R 下行频段930-934MHz，使GSM-R 信号被阻塞，不能正常通信。

       第五种情况，GSM-R 频点较少，各条铁路线路的设计和建设的单位及人员不同，在设计规划中，由于自身频率复用不合理，造成了内部的同频干扰。这种现象容易在铁路枢纽、铁路并行线、铁路交叉线上出现。

       第六种情况，铁路沿线附近的学校、监狱等单位， 由于自身需要，在其所辖区域设置了手机屏蔽器。这种屏蔽器由于功率过大、天线过高，从而对近距离的铁路造成干扰。

       第七种情况，即三阶或五阶互调干扰。

       第八种情况，包括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。

       3.2 GSM-R 频率干扰应急处理机制的准备工作

       凡事预则立，不预则废。铁路频率的干扰处理也一样， 为了快速找到干扰源、排除干扰，就要未雨绸缪，做好以下方面的准备工作。

       （1）建立起GSM-R 频率保护长效机制

       工信部曾下发《关于建立铁路无线电专用频率保护工作长效机制的通知》，作为地市级无线电管理机构，不仅要认真贯彻落实，还要研究制定相应的工作机制、组织架构和工作流程。为了做好GSM-R 频段的保护工作，山东省枣庄市与铁路部门定期召开协调会议和监测会议，出台铁路无线电台站电磁环境保护办法，将铁路频率保护纳入日常监测工作中，固化为无线电监测的长期任务。

       （2）组建GSM-R 频率保护专用监测网

       山东省分别于2017年和2019年分两期组建了山东铁路专用业务无线电监测网，该监测网由固定站CS-806AH、小型固定站CS-803G-H和移动站DDF550组成，覆盖了京沪高铁沿线的德州、济南、泰安、济宁和枣庄5个地市。枣庄设固定站6个、移动站1个。北京中星世通电子科技有限公司在承建该网的过程中，将无线电频谱监测和测向融为一体，当发现无线电干扰信号后，利用多站组网测向，可对目标信号进行交会定位，从频段扫描监测到干扰信号分析，再到报表自动生成，基本实现了智能化监测功能。枣庄市的铁路频率专用监测网，能够发现GSM-R频段的潜在干扰和事实干扰，实现干扰源的快速判断，并实时告警。系统支持对GSM-R 上行频率885-889MHz 和下行频率930-934MHz 并行分析，同时还支持对GSM、GSM-R 以及CDMA 信号的解码， 能够主动发现干扰信号并自动识别干扰信号类型，支持对GSM-R 同频干扰、GSM-R 邻频干扰、GSM 互调干扰、CDMA 带外干扰、模拟/ 数字电视干扰、集群干扰、跳频干扰、突发干扰、噪声干扰等干扰类型的识别（GSM-R 固定监测站如图2、图3 所示）。

       （3）制定GSM-R 频率保护方案，细化协调联动机制

  加强对GSM-R 频率干扰的预防性监测，进行频率干扰预防机制研究和频率保护方案研究。与相邻省市如泰安、济宁、江苏徐州等加强协调合作，建立联动机制，在频率协调、台站设置、干扰查处、设备调用、技术支持等各个环节相互支持配合。将无线电管理执法相关的各部门如公安、市场监管、广播电视、应急管理等纳入频率干扰应急处理的临时机构，便于频率干扰发生时应急处置的实施。

       （4）清理铁路沿线的电磁环境，做到周边设台应知尽知

       完善无线电频率台站数据库、无线电管理地理信息库， 细致了解铁路周边的电磁环境和地理环境，监测GSM-R 频段内所有频点的使用情况，进行详细记录。清理铁路沿线的电磁环境，包括外部清理和内部清理。

       外部清理包括加强对铁路周边电磁环境的日常监测， 提升铁路沿线蜂窝基站年检比例。彻底清理铁路周边建设的高功率基站和直放站，对这些基站进行监测和检测。对查找到的超指标或不符合规定指标发射的情况进行纠正， 提高发射设备性能，加装滤波器，坚决抑制带外杂散对铁路专用频率的干扰。要求三大电信运营商优化铁路沿线频率规划，要求其在沿铁路线建设的基站和直放站，不使用靠近GSM-R 频段的频率，并与铁路专用频率隔开一定的带宽。

       内部清理包括严格规范GSM-R 设置台站的管理，做好台站的年审年检工作和电磁环境测试，加强对GSM-R 台站的检测。优化铁路GSM-R 网络性能，提高设备抗干扰能力。在机车移动台接收侧和基站接收侧加装滤波器，过滤掉带外的杂散信号，提升网络通信质量。

       （5）建设一套无线电监测专用应急调度通信网

这种通信网可以是普通的超短波对讲通信网，也可以是集群调度网，或者是卫星通信网。如果辖区距离较远， 也可以使用短波通信设备。总之，一切都是为了便于开展应急调度和监测调度，保证通信灵活便捷。

       （6）做好监测、检测设备的日常维护，确保应急设备运行良好

       为了使“瓷器活”做得又快又好，就必须有“金刚钻”。针对枣庄范围内的各固定监测站和移动监测站，建立巡检制度，以监测设备生产厂家的第三方巡检和无线电监测站技术人员巡检相结合的方式进行，对天馈单元、监测设备单元、测向设备单元、工控机单元、监测网络、防雷接地、监测机房运行保障单元进行全面维护，确保各个监测站设备灵敏度优良；对于检测设备室的频谱分析仪、手持式测向设备、压制设备等可搬移检测设备，制订《维护记录表》， 详细记录设备运行、维修维护情况，保证测试灵敏度和测量速度。

       （7）练好技术基本功，不断提高业务水平

       GSM- R 频率干扰应急处理，技术含量高、专业性强，需要纯熟的技术作为支撑。无线电监测机构应组织技术人员开展多种形式的模拟技术演练，提高全体技术人员的水平，提高无线电监测技术人员对频率干扰发生的预见能力以及干扰发生后的快速判断能力，在平时查找干扰信号的实战中，积累和总结经验，提升能力。

       3.3 GSM-R 频率干扰应急处理机制的具体实施

       3.3.1 组织指挥体系的建立

       为了实现对频率干扰处理的快速侦测、快速反应、快速处置能力，首先要建立频率干扰处理的组织指挥系统，成立无线电应急处置办公室，负责GSM-R 频率干扰应急处置工作的组织、指挥和调度。无线电应急处置办公室由无线电管理机构、无线电监测机构负责人和技术人员组成。在这一机构的设置过程中，一定要明确相应的职责，防止遇事推诿的现象发生，处置工作坚持“预防为主、分级负责”“谁主管、谁负责”的各小组协调作业原则，做到早发现、早布置、早处理，尽量把干扰消除在萌芽状态。无线电应急处置办公室内部设置干扰处理领导小组、干扰处理监测小组和干扰处理查处小组， 其目的是建立统一指挥、职责明确、运转有序、反应迅速、处置有力的应急处置体系，最大限度降低干扰对铁路调度通信的危害。

       3.3.2 干扰接报研判

       干扰信号的获取，主要依靠组建的铁路频率专用监测网进行监测捕捉，其次是铁路部门的干扰申诉。干扰处理监测小组接到和监测到干扰信息后，就进入干扰应急处理启动流程，会在30分钟内将干扰信息进行再确认， 并详细记录在《干扰信息记录表》上，包括时间、地点、干扰现象、干扰类别等，以便后续技术人员进行干扰分析、研判和查找。

       监测小组按规定流程将干扰情况向领导小组汇报，由领导小组确定具体的实施方案，根据干扰的轻重程度，决定采取相应的措施。

       按照流程，监测小组将第一手初步干扰信息资料移交到查处小组，查处小组根据干扰的类型、方式、强弱等对干扰做初期分析研究。依据上述列出的干扰存在的可能性及以往经验，初步判断干扰源的行业、领域，为下一步的干扰查找铺好路、打好基础，这是最有效的少走弯路的干扰应急处理办法，能够极大地节省时间。

       3.3.3 干扰应急响应

       前期的干扰预判完成后，就进入了干扰查找流程。利用GSM-R 专用监测网，监测小组会对干扰源初期的预判进行有针对性的再一次监测监听，利用固定监测站多站交叉测向定位，找出干扰源所处的大致方向。然后查处小组再利用移动监测车/ 监测站进行追踪查找，利用手持式监测设备进行逼近查找，直至查找到干扰源。

       3.3.4 后期处置保障

       领导小组在后期的干扰处置中发挥着重要作用，对查找到的干扰源，视不同情况分别作出相应的处理：干扰源设台违法的，依据《中华人民共和国无线电管理条例》对违法设台撤除或没收；需要实行无线电管制措施的， 依据《中华人民共和国无线电管制规定》实行管制。因合法设台产生的干扰，在GSM-R 网络内部的情形，如果是同邻频干扰，可以调整天线高低和角度、增大或降低基站发射功率、调整整个系统的其他参数、调换相邻区同频点基站；如果是互调干扰和直放站干扰，可用监测设备比如频谱分析仪等工具，检查各硬件的性能指标， 更换设备；对于GSM-R 网络外部造成的干扰，可以关闭GSM-R 基站，对线路进行动态清频测试，对部分干扰较强路段进行静态测试，排查外部干扰源，要求设台单位停机或矫正设备参数。

       4 结束语

       随着我国高铁规模的扩大，GSM-R 网络基站的建设也会越来越多，为了保证GSM-R 通信的正常运行，无线电管理部门的任务越来越艰巨。通过制定GSM-R 干扰应急处理机制，细化干扰应急处理流程，极大地提高了干扰响应速度，从而缩短了干扰处理时间，提高了干扰源查找效率，相对减轻了无线电管理部门的工作压力，这种机制的制定不失为无线电管理的好措施。