基于GPS定位技術(shù)優(yōu)化GSM-R網(wǎng)絡(luò)提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性

引 言

隨著移動通信的不斷發(fā)展，手機(jī)業(yè)務(wù)的不斷擴(kuò)大，各無線通信網(wǎng)絡(luò)之間的干擾越來越受到人們的關(guān)注。GSM-R是中國鐵路專用無線通信網(wǎng)絡(luò)，其通信安全和業(yè)務(wù)的可靠性直接影響到我國鐵路今后的發(fā)展，影響到整個國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。所以在CSM-R系統(tǒng)的初建和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中要特別注意信號的干擾問題，盡可能的做到各移動通信網(wǎng)絡(luò)之間互不干擾。

1、 GSM-R潛在干擾分析

1.1 CDMA干擾

根據(jù)中國無線電管理委員會的規(guī)定，GSM-R的使用頻率范圍為上行885～889 MHz，下行930～934 MHz，而中國聯(lián)通公司的CDMA系統(tǒng)的下行為870～880 MHz，它與GSM-R系統(tǒng)的頻域范圍只有5 MHz的保護(hù)帶。CDMA采用的是擴(kuò)頻技術(shù)，即把信號的頻譜擴(kuò)展到一個更寬的頻帶中去，只要將接收信號解擴(kuò)便可恢復(fù)出攜帶的信息。擴(kuò)頻碼偽隨機(jī)序列有很好的自相關(guān)性，因此，當(dāng)若干個偽隨機(jī)序列不同的擴(kuò)頻信號進(jìn)入同一接收機(jī)時，只有那些偽隨機(jī)序列與接收機(jī)本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列相同且同步的信號才能被接收機(jī)檢測出來，所以GSM-R對CDMA系統(tǒng)并不會產(chǎn)生干擾。但是，GSM-R系統(tǒng)沒有采用擴(kuò)頻技術(shù)，所以只要CDMA系統(tǒng)的帶外信號落在GSM-R通帶范圍內(nèi)且幅值達(dá)到一定值就會干擾GSM-R接收機(jī)接收的有用信號，導(dǎo)致GSM-R接收信噪比下降，影響GSM-R的通話質(zhì)量，這就是CDMA系統(tǒng)對GSM-R的主要干擾——雜散干擾。

1.2 GSM干擾

中國移動公眾移動通信系統(tǒng)和GSM-R系統(tǒng)按地域共用一段頻率范圍，并且GSM-R系統(tǒng)是建立在GSM平臺上的，根據(jù)規(guī)定：在直轄市、省會城市和計(jì)劃單列市的城區(qū)，GSM-R系統(tǒng)的覆蓋范圍應(yīng)小于鐵路兩側(cè)各2 km，其他地區(qū)應(yīng)小于鐵路兩側(cè)各6 km，所以，如果這兩個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)布網(wǎng)不夠理想就會互相干擾。

1.3 非法干擾

除了以上干擾外，鐵路兩側(cè)還有一些不可知的非法運(yùn)營基站或大功率天線的存在，當(dāng)這些天線發(fā)射出的信號頻率落在GSM-R系統(tǒng)的通帶內(nèi)且幅值達(dá)到一定值時，就會干擾GSM-R系統(tǒng)。

1.4 鄰頻干擾

GSM-R系統(tǒng)采用GSM運(yùn)行制式，在4 MHz帶寬內(nèi)分成20個信道，每個信道占用200 kHz，因此，相鄰信道之間可能相互干擾，形成鄰頻干擾。根據(jù)規(guī)定，GSM-R系統(tǒng)200 kHz鄰道干擾保護(hù)比要求為C／I≥-6 dB，400 kHz鄰道干擾保護(hù)比為C／I≥-38 dB。

1.5 同頻干擾

為了提高GSM-R系統(tǒng)的頻率利用率，多個小區(qū)使用相同的頻率，當(dāng)兩個使用相同信道頻率的小區(qū)距離過近時，一個小區(qū)就可能會對另一個小區(qū)的通信產(chǎn)生干擾，這就是同頻干擾。

1.6 多徑干擾

由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間復(fù)雜的地理環(huán)境，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間可能是視距傳播（LOS），也可能是非視距傳播（NLOS），電波經(jīng)各種傳播路徑到達(dá)接收機(jī)，從而導(dǎo)致傳播時延，接收機(jī)接收到的信號是經(jīng)各種傳播路徑的直射波、反射波、繞射波和散射波等的矢量和。由于GSM-R信號的波長很小，所以，較小的傳播時延就會產(chǎn)生較大的相位變化，使信號產(chǎn)生多徑衰落，從而干擾GSM-R系統(tǒng)的正常有用信號。

2、 實(shí)驗(yàn)裝置框圖

圖1為GSM-R干擾源排查裝置框圖。

下面介紹裝置框圖的具體構(gòu)成：

天線：本實(shí)驗(yàn)采用八木天線，目的是為了能得到較好的天線增益和方向角度，更準(zhǔn)確地指向干擾源天線，從而減小測試的誤差。

射頻接收電路：用“超外差”式的二次變頻寬中頻接收機(jī)，將天線接收到的無線信號經(jīng)過2次變頻，輸出一個中頻為零的信號，即零中頻信號，這種信號不存在鏡像干擾問題，當(dāng)信道選擇在低頻進(jìn)行時，可以很方便地利用集成電路對信號進(jìn)行數(shù)字化處理，以利于后端計(jì)算機(jī)對信號的數(shù)字化處理，提高工作效率。

計(jì)算機(jī)：作數(shù)據(jù)的最后綜合處理。首先，將射頻接收電路的數(shù)字輸出信號作為輸入，將其與標(biāo)準(zhǔn)的無干擾的GSM-R數(shù)字信號作相關(guān)計(jì)算，即以一個無干擾的GSM-R信號為標(biāo)準(zhǔn)信號，將接收信號與該標(biāo)準(zhǔn)信號作時域的相關(guān)運(yùn)算求得相關(guān)值Pxy，并根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一定的相關(guān)值范圍，當(dāng)實(shí)際值Pxy超出限制值時就將其視為是有干擾信號的影響并記下該點(diǎn)。當(dāng)一個干擾源發(fā)出的信號有足夠多的測試點(diǎn)時計(jì)算得到干擾源位置。

全球定位系統(tǒng)（globe position system，GPS）：該系統(tǒng)能全天候較精確地得到測試點(diǎn)的經(jīng)緯度，以它為輔助工具得到若干個測試點(diǎn)的位置，為最后算法的設(shè)計(jì)提供計(jì)算工具。

本實(shí)驗(yàn)沒有使用傳統(tǒng)的干擾源定位裝置——頻譜分析儀，而是直接將接收到的信號通過以太網(wǎng)線送到計(jì)算機(jī)中。這種處理方式利用了時域的方法分析是否存在干擾，減小了處理時間，提高了定位的實(shí)時性，但同時，其計(jì)算結(jié)果并沒有像頻域法那樣能分析干擾信號的特點(diǎn)或判斷是什么樣的干擾源，但已足夠用來定位干擾源。

3 、算法設(shè)計(jì)

無線電波的傳播環(huán)境甚是復(fù)雜，建筑物群的分布和密度、植被覆蓋等都會對傳播路徑損耗產(chǎn)生影響，所以要準(zhǔn)確得到傳播損耗是非常困難的，我們一般通過結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶痛_定性模式來得到具體的路徑損耗值。在實(shí)際工作中最常用到的傳播路徑損耗有自由空間模式、奧村模式（Okumura）、Hata模式、COST231-Hata模式、Egli模式等，具體的測試環(huán)境選擇具體的合適的模式。下面以最簡單的自由空間電波傳播路徑損耗模式來分析定位干擾源的算法。

假設(shè)測試點(diǎn)測量到的干擾源是由同一個干擾源發(fā)出的且是全向天線，當(dāng)有3個以上測試點(diǎn)時，我們就可以設(shè)計(jì)一個簡單的定位算法。設(shè)干擾源N（x，y），發(fā)射天線的功率為一相對的穩(wěn)定值P1，第1個檢測到干擾的點(diǎn)T1為（0，0），接收功率為P1，第2個測試點(diǎn)T2為（0，a），接收功率為P2，第3個測試點(diǎn)T3為（m，n），接收功率為P3。

利用GPS得到測試點(diǎn)1、2、3點(diǎn)的坐標(biāo)，由式（4）、（5） 可精確解出x，y，得到干擾源的位置。以上分析的假設(shè)條件是干擾源天線為一全向天線，但在實(shí)際情況中，天線往往是有一定的方向性，比如有些CDMA基站和GSM基站的天線為120度，此時，以上計(jì)算結(jié)果不是精確值。當(dāng)其中一個測試點(diǎn)處于干擾源天線的非覆蓋區(qū)時，其發(fā)射天線的功率與覆蓋區(qū)中的發(fā)射天線功率不同，因此上述的算法就不適用，所以在實(shí)際測試過程中，適當(dāng)?shù)剡x擇測試點(diǎn)之間的距離，盡量使測試點(diǎn)都在干擾源天線覆蓋區(qū)內(nèi)。

4 、實(shí)驗(yàn)測試

為了驗(yàn)證以上算法的正確性，我們做了一次實(shí)際測試。已知某天線發(fā)出干擾信號，選擇3個干擾測試點(diǎn)，利用GPS測得其經(jīng)緯度分別為（N：39°54′38.4″，E：116°18′48.9″）、（N：39°55′1.7″，E：116°19′5.2″）、（N：39°54′54.4″，E：116°19′24.4″），測試接收電平均值分別為：79.2、78.1、77.5（單位：dBμV），由于測試電磁環(huán)境較好，周圍地勢平坦，因此我們近似采用自由空間的傳播模式，根據(jù)上面闡述的算法設(shè)計(jì)，可求得干擾源的具體位置為（N：39°55′5.19″，E：116°18′1.51″）；同時，該干擾的實(shí)際位置為（N：39°55′5.62″，E：116°18′1.91″），誤差為14 m，這與用算法求得的位置有些偏差，這種誤差的產(chǎn)生是由于GPS本身就存在水平面小于5 m的誤差，同時又由于天線的仰角、實(shí)際電磁環(huán)境的影響，但這不影響我們確定干擾源，這個誤差完全可被接收，因此可驗(yàn)證只要在具體的電磁環(huán)境中選擇合適的電波傳播模式就能在誤差允許的范圍內(nèi)得到干擾源的具體位置。

5、 結(jié) 論

根據(jù)實(shí)際的干擾排查經(jīng)驗(yàn)，GSM-R系統(tǒng)的干擾主要來自網(wǎng)外天線的干擾，在實(shí)際工作中，利用GPS的定位得到測試點(diǎn)的經(jīng)緯度、選擇具體合適的電波傳播路徑損耗模型就可以大概測得干擾源的位置范圍，然后排查干擾源，從而優(yōu)化GSM-R網(wǎng)絡(luò)，凈化無線通信網(wǎng)絡(luò)的電磁環(huán)境，提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

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