滤波器对无线网络干扰问题的作用

　　ＧＳＭ－Ｒ作为铁路专用移动通信系统，承载着铁路调度通信和通用集群等多项重要的功能，保障其可靠、稳定的运行已成为工作中的重点内容。电磁波多在空间中传输，环境条件较为复杂且多变，干扰也随之产生，而加装滤波器可有效解决部分干扰问题。本文通过在车载ＭＴ终端加装滤波器进行模拟对比测试，结果表明：滤波器可以有效解决带外阻塞干扰、互调干扰等问题，但对带内同频、邻频干扰问题的处理效果不理想。

　　关键词：铁路综合数字移动通信系统；滤波器；无线干扰；ＭＴ终端

　　ＧＳＭ－Ｒ作为铁路专用移动通信系统，其可靠、稳定的运行关系到车载ＭＴ终端和地面设备之间信息交换的及时性、准确性和有效性。但在无线通信系统中，空间中存在多种电磁波，这些电磁波一方面来自公网信号，另一方面来自本网邻区信号或当前小区反射、折射出来的多径信号。当这些信号达到一定程度且进入车载ＭＴ终端时，将造成误码率增加，信噪比降低，影响铁路通信正常运行。我国铁路ＧＳＭ－Ｒ网络通信系统是基于公共ＧＳＭ网络通信系统发展起来的。国家无线电委员会将ＥＧＳＭ频段中的８８５～８８９ＭＨｚ／９３０～９３４ＭＨｚ频率范围用于铁路通信，此频段与中国移动、中国联通等公网通信使用的频段距离较近。根据国铁集团综合检测车检测结果发现，通信故障问题多与干扰有关，而干扰问题类型多集中于带外大信号阻塞干扰和互调干扰。为了避免公网信号对铁路通信的影响，可通过在车载ＭＴ终端加装滤波器，使进入车载ＭＴ终端的信号只有ＧＳＭ－Ｒ信号的频率分量，保障铁路通信稳定、可靠的运行。本文通过大量检测对比数据及具体案例，探讨滤波器在ＧＳＭ－Ｒ网络优化中的作用。

　　１干扰类型及特点

　　无线通信系统中的干扰类型多种多样，从频率角度划分，可分为同频、邻频干扰，杂散干扰和互调干扰等；从功率角度划分，可分为大信号阻塞干扰等。不同的干扰类型具有不同的特点。同频、邻频干扰是指空间中存在与有用信号频率相同或者相近的信号，这些信号同时被移动终端接收，移动终端无法正确区分出有用信号而造成的干扰。杂散干扰是指２个或多个设备相邻且同时工作时，其中一个设备发射信号，其杂散信号落入到另一个设备的接收频段内。发射杂散信号的设备滤波器没有提供足够的带外抑制，引起被干扰设备接收机底噪增加而导致接收机灵敏度降低。互调干扰是指２个或多个信号同时作用在通信设备的非线性器件上，产生多个新的频率信号，当这些信号和有用信号频率相同或者相邻时，对有用信号造成的干扰。互调干扰中以二阶和三阶干扰影响最大。阻塞干扰是指在有用信号之外存在一个功率很强的信号，频率上虽然不造成同频、邻频干扰，但作用于移动终端接收机后，由于接收机的非线性特性，造成有用信号增益降低或者底噪抬升，使接收机灵敏度下降。

　　２滤波器的原理及作用

　　滤波器实质上是一种选频电路，利用电容和电感的电抗随频率的变化而变化的原理，对接收到的所有信号进行处理，使有用信号尽可能无衰减地通过，无用信号尽可能大地衰减或抑制。本文所选用的滤波器为双通道无源带通滤波器，该滤波器是通过２个单通道带通滤波器并联起来实现双通道传输。采用此方法设计的双通道滤波器，每个通带的中心频率和带宽不受其他通带的影响，各个通带独立设计，在合适的位置引入传输零点，从而达到高隔离、低插损的设计要求；同时滤波器的边带抑制可以得到很好的控制。双通道带通滤波器的技术参数见表１。根据干扰类型及特点，并结合滤波器的工作原理可知，对于同频、邻频干扰，由于其频率与有用信号频率接近或相同，在经过滤波器时，无法被滤除或抑制，仍能被接收机接收而造成干扰；对于杂散干扰，由于杂散信号的频率谱平均分布，落入到滤波器通带内的杂散信号同样无法被滤除。因此，对于这些干扰类型，滤波器无法起到有效作用。多数情况下，阻塞干扰和互调干扰是由于频率相近的带外信号造成的干扰。铁路ＧＳＭ－Ｒ网络信号频率范围为８８５～８８９ＭＨｚ／９３０～９３４ＭＨｚ，带外频率相近的信号为公网信号，包括中国移动（下行频率范围：９３４～９５４ＭＨｚ，上行频率范围：８８９～９０９ＭＨｚ）、中国联通（下行频率范围：９５４～９６０ＭＨｚ，上行频率范围：９０９～９１５ＭＨｚ）等。若在车载ＭＴ终端前加装通带为８８５～８８９ＭＨｚ／９３０～９３４ＭＨｚ的滤波器，可以将公网信号有效滤除，从而达到消除干扰的目的。

　　３滤波器在实际测试中的运用实例

　　２０１９年３月，为了验证滤波器对ＧＳＭ－Ｒ无线干扰的处理效果，采用国铁集团综合检测列车对部分铁路线路进行对比测试，测试所用设备、测试方法及测试结果如下。

　　３．１主要检测设备

　　测试所用的主要检测设备包括：①车载ＭＴ终端，简称Ｔ模块，用于采集和分析网络应用层中的内容，显示干扰问题现象；②无源滤波器，用于滤除８８５～８８９ＭＨｚ／９３０～９３４ＭＨｚ之外的信号；③实时频谱仪，用于观察并分析现场电磁环境，判断干扰问题类型；④天馈单元，采用全向天线，用于接收无线电磁信号；⑤测试处理机，接收、处理、储存采集到的数据；⑥综合同步定位系统，实时采集线路的地理位置信息，便于定位干扰点位置。各设备之间连接见图１。

　　３．２测试对比指标

　　在通信网络中表征网络质量好坏的指标主要包括传输干扰时间、传输无差错时间和话音质量等。传输干扰时间是指从出现第一个出错的数据帧开始计时，到出现第一个无错的数据帧时结束；传输无差错时间是指连续传输数据过程中，从出现第一个无错的数据帧开始计时到出现第一个出错的数据帧结束的时间。根据《铁路数字移动通信系统（ＧＳＭ－Ｒ）总体技术要求》规范，传输干扰时间小于０．８ｓ的概率为９５％，小于１ｓ的概率为９９％；，传输无差错时间大于２０ｓ的概率为９５％，大于７ｓ的概率为９９％。在ＧＳＭ－Ｒ系统中，采用ＲｘＱｕａｌ衡量话音质量。根据ＧＳＭ０５．０８规范规定，误码率分为０～７级，共８个等级，０～２级为通话质量良好，清晰且无杂音；３～４级为通话质量一般，但能满足基本通话要求，偶而会有杂音或者回音；５级以上为通话质量比较差，会出现断断续续，严重时导致中断等问题，因此测试时统计话音质量小于等于４级的概率。

　　３．３测试对比方法

　　ＧＳＭ－Ｒ网络服务质量测试包括语音长呼测试、语音短呼测试和ＣＳＤ干扰率测试等多个项目，其中ＣＳＤ干扰率测试包括３．２节中的３个指标，因此测试时所有通信模块同时进行ＣＳＤ干扰率测试，便于分析２个设备在同一时间、同一地点的测试结果，以此来观察加装无源滤波器和不加装无源滤波器时各项指标的情况。为了排除模块性能对测试结果的影响，车辆沿下行运行时，Ｔ＿２模块连接无源滤波器；车辆沿上行运行时，Ｔ＿１模块连接无源滤波器。同时使用了实时频谱仪测试，观察现场电磁环境并对干扰类型进行判断。

　　３．４测试结果

　　本次测试共检测１３条铁路线路，检测里程为６９３１ｋｍ，检测小区为１６４８个，分析所有检测数据，查找问题点，结合实时频谱数据判断干扰类型。未加装滤波器的情况下，共发现问题点１３８个；加装滤波器后，问题点大幅减少至５３个。其中，滤波器起有效作用的问题７２个，分别为阻塞干扰５６个，互调干扰１６个，占总问题的５２．２％。选择某条线路，对测试对比指标进行统计分析，测试结果对比情况见图２。Ｔ模块未加装滤波器时，传输干扰时间和传输无差错时间的统计概率均不合格；加装滤波器后，各项指标均得到很大提高，尤其是传输无差错时间提高了２０％，优化幅度较为明显。

　　３．５干扰问题案例

　　３．５．１滤波器有效实例车辆运行至某线路Ｋ２０＋７００处，是否加装滤波器的测试对比结果如图３所示：未连接滤波器的Ｔ模块出现干扰情况，话音质量５级且载干比较差，连接滤波器的Ｔ模块未出现此现象。分析其实时频谱测试结果，如图４所示：当前小区频点为９３０．２ＭＨｚ，未连接滤波器时，小区信号已完全被抬起的噪声淹没，而造成底噪抬升的—６６—铁道通信信号２０２０年第５６卷第１２期原因为此处存在较强的公网信号，如图中标出的９３５．２ＭＨｚ、９４１．６ＭＨｚ等，信号强度最高达到－１４ｄＢｍ，强信号进入Ｔ模块终端后，造成大信号阻塞干扰；对比接入滤波器的实时频谱图，抬起的底噪已被消除，带外大信号也被抑制（受无源滤波器带外抑制性能影响，带外大信号无法被完全消除，如９３５．２ＭＨｚ）。３．５．２滤波器无效实例某日在线路Ａ进行检测，车辆运行至Ｋ２６９＋２００处时，加装滤波器和未加装滤波器的Ｔ模块均出现载干比较差的现象，如图５所示。车辆由０４向０５基站运行时，到达切换位置之前，载干比逐渐恶化，分析此处通话服务质量及实时频谱数据，如图６所示。０４基站的ＢＣＣＨ为１０１３，ＴＣＨ为１０１０，在１０１０邻近频段中有一个１００９的频点，其瞬时电平达到－５４ｄＢｍ，而０４基站的ＴＣＨ电平为－６０ｄＢｍ，相差６ｄＢ，易发生２００ｋＨｚ邻频干扰。对此位置的扫频数据进行分析，１００９频点的位置区识别码为９９９０，与当前线路的位置区识别码８４５５不一致，判断可能为邻线信号。查找线路规划资料，此处与线路Ｂ相邻，查看线路Ｂ小区基站信息，发现线路Ｂ的ＨＹ－ＱＨＤＢ０１基站ＢＣＣＨ为１００９，距离干扰位置约为１．８ｋｍ，两条线接近平行线，很容易覆盖到干扰点位置，造成邻频干扰。从２个模块的实时频谱测试结果来看，滤波器在其中并未发挥作用。

　　４总结

　　根据大量的测试结果分析，线路中存在的干扰问题中公网运营商的原因占比较大（５０％以上）。随着公网通信的发展，其信号设备布置会越来越密，信号越来越强，干扰问题也会越来越多，多表现为大信号阻塞干扰和互调干扰，而在车载ＭＴ终端加装滤波器可有效解决这些问题。对于邻频干扰、杂散干扰等，优化效果不理想，但这些干扰多为网内问题，协调处理起来相对容易。随着无线通信的发展，铁路周边的公网信号也在不断调整，现场检测及维护人员需要多学习ＧＳＭ－Ｒ通信网络知识，了解干扰基本原理，不断积累干扰问题处理经验，保障铁路ＧＳＭ－Ｒ网络通信的稳定、可靠运行。

　　作者：全楠楠 孟景辉 杨树忠 刘晓亮