CN203151505U - Gsm-r同频干扰信号实时监测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种GSM-R同频干扰信号实时监测设备，包括用于检测多向GSM-R同频干扰信号的多振元天线阵、用于处理GSM-R同频干扰信号的多通道接收处理机和用作控制、管理的主控计算机，多振元天线阵的信号输出端与多通道接收处理机的信号输入端连接，多通道接收处理机用于通信和控制的以太网接口与主控计算机的以太网接口连接。本实用新型通过多振元天线阵实现在空域上对GSM-R同频信号进行实时快速测向，通过多通道接收处理机实现空域滤波分离，并由主控计算机实现实时测量，判别同频干扰的类别，确定干扰源的来波方向或位置，实现了固定站、无人值守方式对铁路GSM-R系统在时域、空域和频域不间断的、无缝自动监测覆盖。

Description

GSM-R同频干扰信号实时监测设备

技术领域

本实用新型涉及一种GSM-R同频干扰信号实时监测设备，属于GSM-R干扰信号监测领域。

背景技术

中国高速铁路的建设始于1999年，经过10多年的高速铁路建设和对既有铁路的高速化改造，中国目前已经拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网，截至2011年12月底，中国国内时速200公里以上的高速铁路里程已经接近1万公里。在建和即将兴建的高速铁路客运专线和城际铁路里程已达1.7万公里，根据中国中长期铁路网规划方案，至2012年年底，中国将建成42条高速铁路客运专线，基本建成以“四纵四横”为骨架的全国快速客运网，总里程1.3万公里；到2020年中国时速在200公里以上的高速铁路里程将会达到5万公里。高铁大大缩短了时间、空间的距离，催生了“N小时经济圈”，可以毫不夸张地说，高铁已经成为国民经济的“主动脉”。然而随着高铁的快速发展，高铁事故也频频发生，给国家带来巨大的经济损失和社会负面影响。

GSM-R（GSM for Railways）专用于铁路的日常运营管理，是非常有效的调度指挥通信工具。它在常规GSM的规范协议基础上，加入了基于位置寻址和功能寻址等功能，适用于铁路通信特别是铁路专用调度通信的需要。主要提供无线列调、编组调车通信、区段养护维修作业通信、应急通信、隧道通信等语音通信功能，可为列车自动控制与检测信息提供数据传输信道，并可提供列车自动寻址和旅客服务，可以说GSM-R就是铁路系统的“神经”。

GSM-R系统与公网GSM网络的最大不同就是可靠性要求高。由于GSM-R系统承载了列车调度和列车控制系统中的关键指令，若发生故障将引起铁路系统的混乱，甚至可能造成严重的安全事故。据无线电管理和铁路通信部门检测分析，GSM-R系统的主要干扰类型是GSM-R同□、□干扰和互调干扰三类。其中，□干扰和互调干扰可以通过计算和实测现有信号及其相互关系进行排查，而同频干扰由于干扰和被干扰信号频谱是完全重叠或混叠的，采用当前常规的无线电监测手段由于无法进行信号在频域上的分离，就不能实现监测、发现和测量，这是目前我国无线电监测行业遇到的一个全新的技术难题。

在GSM-R系统中发生GSM-R同频干扰的情形有两种：(1)铁路沿线的GSM-R基站相互间产生的同频或邻频干扰。铁路沿线每间隔2.5-3Km建设1台GSM-R基站，根据规划，一般每隔6个基站(间隔15km)就采用频率复用；(2)在铁路枢纽站地区，GSM-R采用蜂窝小区体制进行规划建设。上述两种情况，在规划GSM-R系统时当频率和功率规划设置不合理、滥用直放站及地形地貌复杂等多方面情况，就会产生GSM-R内部各基站之间的同频或邻频载波信号相互干扰。

目前铁路通信和无线电管理部门对于GSM-R通信保障和专用频段电磁环境保护，都是采取被动方式(而非对干扰进行主动、实时监测和预报预警)，即当GSM-R系统出现影响正常通信的干扰时才进行干扰排除和查找工作，通常是工作人员使用频谱监测设备对GSM-R进行频谱分析，或使用移动通信网络路测设备查找违法使用GSM-R频率资源的基站，这样只能解决很少一部份的干扰，对于干扰信号出现时间短、出现规律性不强等低截获概率信号就难以监测抓捕到；而对于GSM-R同频或邻频干扰，就只有采用高铁运行“天窗”时间，进行基站关电方式进行判别同频信号情况，而这种方式是给铁路运营安全带来隐患，不符合铁路GSM-R运行规范。因此，目前还没有完全有效的针对GSM-R干扰特别是GSM-R同频干扰的实时监测、分析和查找的专用设备。

《铁道通信信号》-2008.44(2).-48-50，刊出了龙腾写的文章“GSM-R网络中同频干扰检测与分析”，其摘要为：提出了一种简单、有效、基于BSIC扫描的同频干扰检测与分析工具，简单介绍其原理，给出分析算法及软硬件的实现框架，针对GSM-R线状结构及列车运行特点简化了分析窗口，为分析GSM-R网络干扰、优化网络提供一种简单有效的路测工具。其工作原理为：GSM-R干扰主要分为同频干扰、邻频干扰及互调干扰三大类。同频干扰由于信号叠加在一起,只参照电平是不能区分的。为此，研究一种基于BCCH扫描及其BSIC解码方案,来分析同频干扰情况。由于同频基站在规划时会在若干个复用距离内使用不同的BSIC，所以可以连续扫描所有BCCH频点，并跟踪每一个频点上BSIC的解码情况，用于判断2个同频复用的基站是否会相互干扰。具体方法为：如果某一个频点在某一个较小的距离内解出2个不同的BSIC，则判定为有同频干扰。由于干扰检测对象为匀速运行的列车，所以在具体实现的过程中，可以使用时间窗口代替距离窗口以简化分析。时间窗口的合理选取，需根据测试硬件的抽样速度、车速和距离保护间隔计算得到。本分析方法简单实用，容易实现，不但能检测出GSM-R网内同频干扰情况，同时也能检测出GSM-R和中国移动G网间潜在的干扰问题，并准确定位出干扰基站。小结：由于本系统基于解码BSIC，所以只能检测出多个BCCH载波之间的同频干扰，对BCCH载频以外的其他载频不能检测同频干扰。另外，对于直放站远端机和基站本身之间，由于其BSIC完全一样，所以本系统也不能检出同频干扰。对于非BCCH频点的干扰,需通过短呼收集频点配置信息结合场强覆盖综合分析，而直放站产生的同频干扰可以通过理论建模、传播预测进行分析,希望今后对这两方面的同频干扰进一步研究。

上述同频干扰检测与分析工具有以下不足：(1)当在监测点接收的不同基站而BCCH载波相同的同频信号，只能解调解码其中的较强的载波信号，且当载波信号强度之差(即信干比)小于7dB时，解调器就无法解调；(2)由于不能实现对弱小的同频BCCH信号进行解调解码，这样就不能识别、测量全部混叠的基站BCCH信号，解调其基站BSIC码；(3)对于混叠入基站BCCH载频的其它非BCCH调频干扰类型，不能检测出同频干扰；(4)对于直放站远端机和基站本身之间，由于其BSIC完全一样，所以不能检出同频干扰；(5)采用上述及现有监测检测技术手段，不能实现固定站方式对铁路沿线全部GSM-R基站同频干扰信号进行无缝、实时和不间断的干扰监测。

综上所述，由于现有技术没有真正解决在频域或空域上对同频信号的分离问题，没有根本性的技术突破，难以真正实现同频信号的检测和测量，在实现BCCH解调解码技术时也有很多局限性，只能是一种辅助技术手段。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种GSM-R同频干扰信号实时监测设备。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

本实用新型所述GSM-R同频干扰信号实时监测设备，包括用于检测多向GSM-R同频干扰信号的多振元天线阵、用于处理GSM-R同频干扰信号的多通道接收处理机和用作控制、管理的主控计算机，所述多振元天线阵的信号输出端与所述多通道接收处理机的信号输入端连接，所述多通道接收处理机用于通信和控制的以太网接口与所述主控计算机的以太网接口连接。

作为优选，所述多振元天线阵为八振元超短波频段偶极子天线阵，所述多通道接收处理机为八通道超短波频段监测接收处理机。

进一步，所述多振元天线阵为由八个垂直极化偶极子天线振元组成的八振元有源监测和测向一体化天线；所述多通道接收处理机由接收单元、基于FPGA/DSP的数字信号处理单元和供电单元组成。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型通过多振元天线阵实现在空域上对GSM-R同频信号进行实时快速测向，通过多通道接收处理机实现空域滤波分离，并由主控计算机实现实时测量，判别同频干扰的类别，确定干扰源的来波方向或位置。通过本实用新型能够实现固定站、无人值守方式对铁路GSM-R系统在时域、空域和频域不间断的、无缝自动监测覆盖。

附图说明

图1是本实用新型所述GSM-R同频干扰信号实时监测设备的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中所述五信道空间谱估计测向设备的原理框图；

图3是本实用新型实施例中所述五信道空间谱估计测向流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，本实用新型所述GSM-R同频干扰信号实时监测设备，包括用于检测多向GSM-R同频干扰信号的八振元天线阵1、用于处理GSM-R同频干扰信号的八通道接收处理机2和用作控制、管理的主控计算机3，八振元天线阵1的信号输出端与八通道接收处理机2的信号输入端连接，八通道接收处理机2用于通信和控制的以太网接口与主控计算机3的以太网接口连接。其中，八振元天线阵1为由八个垂直极化偶极子天线振元组成的八振元有源监测和测向一体化天线，是一种八振元超短波频段偶极子天线阵；八通道接收处理机为八通道超短波频段监测接收处理机，由接收单元、基于FPGA/DSP的数字信号处理单元和供电单元组成，此为现有技术，图中未示。

本系统采用空间谱估计技术(Spatial Spectrum Estimation)和数字波束合成技术（DBF，Digital Beam Form）实现对GSM-R干扰特别是同频干扰信号的实时监测。其中，利用空间谱估计技术对同频信号进行空间分离和测向，再利用数字波束合成技术按照测向结果在空域上对同频信号进行空域滤波，即增强被测同频信号、减弱其它同频信号，在此基础上对被测信号进行信号分析，如为BCCH信道，还能在基带数字信号上进行基站BSIC解码，获取基站的基本信息。

如图2所示，经过处理的八信道信号RF1、RF2、RF3、RF4、RF5、RF6、RF7和RF8经过八路A/D即模/数转换电路后由八路信号的现场可编程门阵列FPGA单元进行运算处理，最后由数字信号处理DSP单元完成空间谱估计计算过程。

如图3所示，空间谱估计测向流程如下：

八路快速傅里叶变换FFT频谱数据被接收后转换为测向频率点相位与幅度信息，该信息经过结合样本库数据的空间谱相关运算后得到信号的个数及对应角度信息，用于下一步的数字波束合成。

数字波束合成技术是天线波束形成原理与数字信号处理技术相结合的产物，目前广泛应用于阵列信号处理领域（如智能天线技术、相控阵雷达技术）。数字波束合成基于各个天线元不同的相移会形成不同的天线阵方向图这一基本原理，为了在特定方向形成主瓣指向（或在特定方向形成零点对准），先根据所需天线方向性计算出相应的相移值，在中频采样信号中对各路接收信号分别进行相移，从而在数字处理后的样本中呈现出所需的空间波束指向特性，有效提高信干比。系统采用八元圆阵天线，阵元均匀分布在圆周上。由于圆阵是关于原点对称的，因而没有方向性，必须对阵元信号进行相移才能形成方向性。实现方法是采用数字信号处理技术形成特定方向波束，即将不同阵元接收的信号经过数字移相，形成对准不同方位的波束，加强所需方向接收，减弱其他方向接收。

上述数字波束合成技术的功能是：通过对特定方向期望信号的增强接收和其它方向信号的抑制接收，实现对同频信号在空域的分离。在本项专利技术中将数字波束合成与空间频估计联合使用，两者的关系是：空间谱估计测向是为了确定信号的方位，从接收数据中测出信号方向，不管信号是期望信号还是干扰信号，在估计方向图中都表现为峰值，而此峰值并不是实际阵列输出功率。数字波束合成技术实际上是数字空域滤波，其根本目的是有效提取期望信号并抑制干扰，在方向图中表现为在期望信号方向形成峰值，在干扰信号方向形成零陷。空间谱估计测向是波束合成的前端处理，确定期望信号和干扰方向后，阵列对期望信号方向形成波束并在干扰方向形成零陷。

本实用新型所述GSM-R同频干扰信号实时监测设备具有以下功能：

1、干扰信号频谱监测功能：

（1）信号监测：实现扫描监测、信号识别、参数测量、监听录音和解调等基本监测功能；

（2）干扰信号监测报警；

（3）监测信号存储与回放；

2、单频、多频及同频多信号测向功能：

（1）单信号测向；

（2）宽带多信号测向：

（3）GSM-R或其它同频多信号测向；

3、基站基本信息获取及基站干扰判别功能：

（1）能够利用GSM、GSM-R和CDMA基站发射的广播同步信息，在数字基带信号上进行解调解码，获取GSM-R和GSM基站的基站ID号、载波配置信息。

（2）能够测量GSM-R和GSM基站的BCCH载波的信号强度，根据干扰情况，识别可能引起干扰的GSM基站。

4、同频信号分离测量和干扰判别功能：实现GSM-R及其他同频信号的分离、测量和干扰判别功能。

本实用新型所述GSM-R同频干扰信号实时监测设备的主要性能指标如下：

（1）监测测向频率范围：700MHz～1000MHz（涵盖GSM-R工作频段：上行885-889MHz；下行930-934MHz）。

（2）接收机通道数：八通道。

（3）监测测向信号极化方式：垂直极化。

（4）频率分辨率：≤1Hz。

（5）频率稳定度：≤±1x10^-7。

（6）监测灵敏度：优于3-12μV/m。

（7）测向灵敏度：优于5-14μV/m。

（8）监测测向带宽：10MHz。

（9）相位噪声：≤-120dBc/Hz。(10KHz偏离，f＝800MHz)

（10）镜频抑制：≥90dB。

（11）中频抑制：≥90dB。

（12）测向精度：优于1.0°。

（13）测向体制：空间谱估计，兼容相关干涉仪。

（14）同频多信号测向和频谱分离处理能力：6个及以下同频非相干信号。

（15）信号最小持续时间：不大于2ms。

（16）测向抗扰度：带内（单信号测向）抗扰度：不小于0dB；带外（单信号测向）抗扰度：不小于60dB。

（17）扫描速度：优于5GHz/s。

（18）供电：AC220V。

（19）设备功耗：小于200W。

（20）接收处理机重量：小于32kg。

（21）环境适应性：工作温度：-20℃～＋55℃；贮存温度：-50℃～＋65℃。

（22）接收处理机可靠性：MTBF≥2000h。

（23）接收处理机维修性：MTTR≤30min。

（24）接收处理机接口：1路千兆LAN口、8路射频输入口、1路校准输出口、1路GPS天线口、1路AC220V电源输入口、1路DC12V电源输出口。

Claims (4)

1.一种GSM-R同频干扰信号实时监测设备，其特征在于：包括用于检测多向GSM-R同频干扰信号的多振元天线阵，用于处理GSM-R同频干扰信号的多通道接收处理机，和用作控制、管理的主控计算机；所述多振元天线阵的信号输出端与所述多通道接收处理机的信号输入端连接，所述多通道接收处理机用于通信和控制的以太网接口与所述主控计算机的以太网接口连接。

2.根据权利要求1所述的GSM-R同频干扰信号实时监测设备，其特征在于：所述多振元天线阵为八振元超短波频段偶极子天线阵，所述多通道接收处理机为八通道超短波频段监测接收处理机。

3.根据权利要求2所述的GSM-R同频干扰信号实时监测设备，其特征在于：所述多振元天线阵为由八个垂直极化偶极子天线振元组成的八振元有源监测和测向一体化天线；

4.根据权利要求2所述的GSM-R同频干扰信号实时监测设备，其特征在于：所述多通道接收处理机由接收单元、基于FPGA/DSP的数字信号处理单元和供电单元组成。

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