利用GPS定位GSM-R系统的干扰源

0 引 言 
　　随着移动通信的不断发展，手机业务的不断扩大，各无线通信网络之间的干扰越来越受到人们的关注。GSM-R是中国铁路无线通信网络，其通信安全和业务的可靠性直接影响到我国铁路今后的发展，影响到整个国民经济的发展。所以在CSM-R系统的初建和网络优化过程中要特别注意信号的干扰问题，尽可能的做到各移动通信网络之间互不干扰。 
1 GSM-R潜在干扰分析 
1.1 CDMA干扰 
　　根据中国无线电管理委员会的规定，GSM-R的使用频率范围为上行885～889 MHz，下行930～934 MHz，而中国联通公司的CDMA系统的下行为870～880 MHz，它与GSM-R系统的频域范围只有5 MHz的保护带。CDMA采用的是扩频技术，即把信号的频谱扩展到一个更宽的频带中去，只要将接收信号解扩便可恢复出携带的信息。扩频码伪随机序列有很好的自相关性，因此，当若干个伪随机序列不同的扩频信号进入同一接收机时，只有那些伪随机序列与接收机本地产生的伪随机序列相同且同步的信号才能被接收机检测出来，所以GSM-R对CDMA系统并不会产生干扰。但是，GSM-R系统没有采用扩频技术，所以只要CDMA系统的带外信号落在GSM-R通带范围内且幅值达到一定值就会干扰GSM-R接收机接收的有用信号，导致GSM-R接收信噪比下降，影响GSM-R的通话质量，这就是CDMA系统对GSM-R的主要干扰——杂散干扰。 
1.2 GSM干扰 
　中国移动公众移动通信系统和GSM-R系统按地域共用一段频率范围，并且GSM-R系统是建立在GSM平台上的，根据规定：在直辖市、省会城市和计划单列市的城区，GSM-R系统的覆盖范围应小于铁路两侧各2 km，其他地区应小于铁路两侧各6 km，所以，如果这两个网络系统布网不够理想就会互相干扰。 
1.3 非法干扰 
　　除了以上干扰外，铁路两侧还有一些不可知的非法运营基站或大功率天线的存在，当这些天线发射出的信号频率落在GSM-R系统的通带内且幅值达到一定值时，就会干扰GSM-R系统。 
1.4 邻频干扰 
　　GSM-R系统采用GSM运行制式，在4 MHz带宽内分成20个信道，每个信道占用200 kHz，因此，相邻信道之间可能相互干扰，形成邻频干扰。根据规定，GSM-R系统200 kHz邻道干扰保护比要求为C／I≥-6 dB，400 kHz邻道干扰保护比为C／I≥-38 dB。 
1.5 同频干扰 
　　为了提高GSM-R系统的频率利用率，多个小区使用相同的频率，当两个使用相同信道频率的小区距离过近时，一个小区就可能会对另一个小区的通信产生干扰，这就是同频干扰。 
1.6 多径干扰 
　　由于发射机和接收机之间复杂的地理环境，接收机和发射机之间可能是视距传播(LOS)，也可能是非视距传播(NLOS)，电波经各种传播路径到达接收机，从而导致传播时延，接收机接收到的信号是经各种传播路径的直射波、反射波、绕射波和散射波等的矢量和。由于GSM-R信号的波长很小，所以，较小的传播时延就会产生较大的相位变化，使信号产生多径衰落，从而干扰GSM-R系统的正常有用信号。 
2 　　下面介绍装置框图的具体构成： 
　　天线：本实验采用八木天线，目的是为了能得到较好的天线增益和方向角度，更准确地指向干扰源天线，从而减小测试的误差。 
　　射频接收电路：用“超外差”式的二次变频宽中频接收机，将天线接收到的无线信号经过2次变频，输出一个中频为零的信号，即零中频信号，这种信号不存在镜像干扰问题，当信道选择在低频进行时，可以很方便地利用集成电路对信号进行数字化处理，以利于后端计算机对信号的数字化处理，提高工作效率。 
　　计算机：作数据的zui后综合处理。首先，将射频接收电路的数字输出信号作为输入，将其与标准的无干扰的GSM-R数字信号作相关计算，即以一个无干扰的GSM-R信号为标准信号，将接收信号与该标准信号作时域的相关运算求得相关值Pxy，并根据实际经验设定一定的相关值范围，当实际值Pxy超出限制值时就将其视为是有干扰信号的影响并记下该点。当一个干扰源发出的信号有足够多的测试点时计算得到干扰源位置。 
　　定位系统(globe position system，GPS)：该系统能全天候较地得到测试点的经纬度，以它为辅助工具得到若干个测试点的位置，为zui后算法的设计提供计算工具。 
　　本实验没有使用传统的干扰源定位装置——频谱分析仪，而是直接将接收到的信号通过以太网线送到计算机中。这种处理方式利用了时域的方法分析是否存在干扰，减小了处理时间，提高了定位的实时性，但同时，其计算结果并没有像频域法那样能分析干扰信号的特点或判断是什么样的干扰源，但已足够用来定位干扰源。 
3 算法设计 
　　无线电波的传播环境甚是复杂，建筑物群的分布和密度、植被覆盖等都会对传播路径损耗产生影响，所以要准确得到传播损耗是非常困难的，我们一般通过结合经验模式和确定性模式来得到具体的路径损耗值。在实际工作中zui常用到的传播路径损耗有自由空间模式、奥村模式(Okumura)、Hata模式、COST231-Hata模式、Egli模式等，具体的测试环境选择具体的合适的模式。下面以zui简单的自由空间电波传播路径损耗模式来分析定位干扰源的算法。 
　　假设测试点测量到的干扰源是由同一个干扰源发出的且是全向天线，当有3个以上测试点时，我们就可以设计一个简单的定位算法。设干扰源N(x，y)，发射天线的功率为一相对的稳定值P1，第1个检测到干扰的点T1为(0，0)，接收功率为P1，第2个测试点T2为(0，a)，接收功率为P2，第3个测试点T3为(m，n)，接收功率为P3。 
　　利用GPS得到测试点1、2、3点的坐标，由式(4)、(5) 可解出x，y，得到干扰源的位置。以上分析的假设条件是干扰源天线为一全向天线，但在实际情况中，天线往往是有一定的方向性，比如有些CDMA基站和GSM基站的天线为120度，此时，以上计算结果不是值。当其中一个测试点处于干扰源天线的非覆盖区时，其发射天线的功率与覆盖区中的发射天线功率不同，因此上述的算法就不适用，所以在实际测试过程中，适当地选择测试点之间的距离，尽量使测试点都在干扰源天线覆盖区内。 
4 实验测试 
　　为了验证以上算法的正确性，我们做了一次实际测试。已知某天线发出干扰信号，选择3个干扰测试点，利用GPS测得其经纬度分别为(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″)，测试接收电平均值分别为：79.2、78.1、77.5(单位：dBμV)，由于测试电磁环境较好，周围地势平坦，因此我们近似采用自由空间的传播模式，根据上面阐述的算法设计，可求得干扰源的具体位置为(N：39°55′5.19″，E：116°18′1.51″)；同时，该干扰的实际位置为(N：39°55′5.62″，E：116°18′1.91″)，误差为14 m，这与用算法求得的位置有些偏差，这种误差的产生是由于GPS本身就存在水平面小于5 m的误差，同时又由于天线的仰角、实际电磁环境的影响，但这不影响我们确定干扰源，这个误差*可被接收，因此可验证只要在具体的电磁环境中选择合适的电波传播模式就能在误差允许的范围内得到干扰源的具体位置。 
5 结 论 
　　根据实际的干扰排查经验，GSM-R系统的干扰主要来自网外天线的干扰，在实际工作中，利用GPS的定位得到测试点的经纬度、选择具体合适的电波传播路径损耗模型就可以大概测得干扰源的位置范围，然后排查干扰源，从而优化GSM-R网络，净化无线通信网络的电磁环境，提高系统的运行可靠性。