青藏铁路GSM-R通信系统中干扰问题的分析与研究

1、 北京交通大学硕士学位论文青藏铁路GSM-R通信系统中干扰问题的分析与研究姓名：王蓓申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：钟章队20080601 上 的性 能 增益。 甊： 导 师签 名： 本 人声 明所 呈 交 的 学位 论 文 是本 人在导 师指 导 下进 行的 研 究工 作 和 取 得的 研究成 果 ， 除 了文 中 特别 加以 标 注和 致谢 之处 外 ， 论 文 中 不 包 含 其 他 人已经发表 或撰 写 过的 研 究成 果 ， 也不 包 含 为 获 得北 京交 通 大 学或其 他 教 育 机 构 的 学位 或证 书而 使 用过的 材料 。 与 我一 同工 作 的 同志对

2、 本 研 究所 做 的 任 何 贡 献 均 已在论 文 中 作了明确的 说 明并 表 示 了谢 意 。学位 论 文 作 者签 名：签 字日 期： 青藏 铁 路是 修 建在 世 界屋脊 的高 原铁 路，沿线 自 然条件 恶 劣，人 烟稀 少 ，海 开 创 了 中 国铁 路无 线 通 信的 先河 。 此 次 试 验 还 肩负着 中 国 甊技 术 标 准的 制 定、工 程 设 计 和 施 工 提供 基 础 数 据的 重 任 。 青藏 铁 路猂系 统由 下列六 个子 系 统组 成【 浚航换蛔酉 低 、 基 站 子 系，喝青藏 铁 路甊系 统频 率规 划现 状 崖虞 支 么 会 么 支 么 公 么如 表

3、 所示 。表 青 藏 铁 路式 验 段信 道号 与频 点 的对 应 青藏 铁 路 甊系 统实 现的 主要 业 务的 通 信 。一站 场通 信 ： 猂 网 络 可在铁 路车 站 内 进行 作 业 指挥和业 务 联 系 ，为 流 动作 业 人 员 与 固定 作 业 人 员 提供 通 信 联 络 系 统。主要 有 平面 调 车 电 话、驼 峰作 业 电 话、 货 运 电 话、 列 检 电 话、 车号 电 话、 商 检 电 话等专 用 通 信 。一应 急通 信 ： 在各种突发 性 事件中 ， 利 用 猂 网 络 平台 提供 的 无线 通 信业 务 ， 可以 让 各级 救援中 心指挥人 员、事件现场指挥

4、人 员及各工种作 业 人 员、有 关调 度 人 员 、 车 站 值 班员 、 助 理 值 班员 、 机 车 司 机 等， 在事件中 及时指挥和控 制 。一公 安 通 信 ： 可以 为 铁 路公 安 部 门的 乘 警 、 车 站 巡 警 、 各级 公 安 指挥人 员 在进行 突发 事件处 理 和业 务 联 系 时提供 安 全 、保 密 的 通 信 手 段 。一战 备通 信 ： 在发 生局部 战 争或重 大事件时， 可以 通 过铁 路既 有 有 线 、 无线等多 种通 信 手 段 ， 确保 铁 道部 、 铁 路局、 调 度 区 段 的 通 信 畅 通 ， 确保 调 度 中心、 指挥所与 现场的 通

5、 信 联 络 。时反 馈 出 票信 息， 进而 在列 车 上或铁 路沿 线 提供 补票、 客 票查 询 、 购 票等业务 。在列 车 行 驶过程 中 ， 通 过 猂 网 络 ， 也可以 在车 上显 示设 备或广 播 系统发 布 天 气 预报 、新闻 等一些 对 旅 客 有用 的 信 息。 不 仅 频率 利用 率 不 高， 且频率 规 划 中 的 同 频复 用 距离和 邻频复 用 距离都比较 近，这就 容易 造 成同 频干扰 和 邻频干扰 。 此 外 ， 由于 同 站址的 珺 网 使 用 的 是 等 差 的频点 分 配 碅网 隑 挡 钗 ， 同 时 腂 隑网 的 频在青 藏 铁 路 甊 通 信系

6、 统 中 ， 干扰 问题 一 直影 响 着 部 分 区段 的 通 信质 量 ，严重 地区甚 至 出现 通 信中 断。 本 论文针 对 青 藏 铁 路 上 的 干扰 问题 进行 探 讨研究 ，提出 了 一 些改 进措 施。 在论文中 ， 首 先 对 青 藏 铁 路 通 信系 统 进行 了 简 要介 绍 ， 描述 了 干扰 的 不 同 类型 ， 介 绍 了 甊 通 信系 统 适用 的 电波传 播模 型 ， 并重 点 针 对 模 型 进行 了 详 细分 析。 然后 ， 本 文从 系 统 内 、 外 干扰 角 度 进行 分 析， 不 仅 分析了 对 甊 的 干扰 ， 而且通 过 对 青 藏 铁 路 五

7、频组 中 的 一 组 频点 基 站建模 ， 根 据 猂系 统 标 准， 详 细分 析了 系 统 的 同 频、 邻频载 干比， 同 时针 对 光 纤直放 站的 同 频干扰 ， 单 独进行 了 详 细分 析。 最 后 针 对 分 析结论， 提出 了 抗 干扰 措施， 重 点 分 析了 单 天 线干扰 删除 技 术 ， 并通 过 系统 仿真 ， 得出了 改进结果。 噪声 干扰 和 同 源基 站对 直放 站区域 的 同 频干扰 两个 方 面， 根 据 相 关 技 术 标 准和参 数 ， 进行 了 详 细分 析计 算 ； 甊系 统干 扰 相 关 概 念 与 分 析模 型随 着铁 路运 输 向高 速化 、

8、 信 息 化 方 向发 展， 铁 路通 信 技术 也 在 向高 可靠 性 的无 线移动化 方 向发 展。 无 线 网 络 历来 是 移动通 信 系 统中 最薄 弱的 环节 ， 覆盖的 好 坏 是 衡 量系 统服 务 质 量的 重 要 指 标， 而 其中 干扰 的分 析对 覆盖有 着重 要 影 响 。 因 此 在 分 析系 统干扰 时 ， 需 要 引 入 无 线 电波 覆盖模 型 来 进行分 析。 而 铁 路运 行环境的 特殊 性 ， 需 要 选取适 当的电波 模 型 。图 干扰 示 意图 蝴 同 频干扰收机中频带宽。 由 于无 线电 波 传 播 环 境 的 复 杂 性 ， 干 扰 源 种 类

9、繁 多， 归 纳起来 可分 为 系 统 外 部 干扰 和内部 干 扰 【 。 甊系 统 中 的 无 线电 波 传 播 过程 中 会 存 在 很 多外 在 的 干 扰 因 素 ：强信号 干 扰 ： 这 种 干 扰 是指 合 法 的 信号 占 用合 法 的 频率 ， 由 于功 率 过强 ， 造 成 邻 杂乱信号干扰： 这种 干扰信号频 谱不 定，此 起彼伏。具体 的 干扰源主 要有：一全 频 段 或部 分 频 段 人 为 故 意 大信号堵 塞 干扰；一人 为 故 意 瞄 准 式 或扫 描跟 踪 窄带 干扰；一工 业 噪 声、 天电 噪 声等 。系 统 内 部 干扰 猂无 线 通信资 源环 境 与

10、正常通 信条件根 据 铁道部 甊数 字 移动 通信网技 术 体 制 规 定【 ，中 国铁路 甊无 线 通信的 需要 ； ：控 制 信道及列 控 业 务信道： 疘芝 最 小 接收 电平机 车 台 收 、 大 城市 中心 护 ， 快 衰 落 保 护 浔 ； 机 车 台 收 、 大 城市机 车 台 收 、 效 区干 扰 噪声 肪 吃 肷 ； ， 高 速 锌 落 ， 从 而 形 成到 达 接收 机 的最 终信 号 。电波在沿 地 表 传播 中会受到 各种 阻碍 物 的反 射 、散 射 和 吸 收 ， 到 达 接收 天 线 的 电波是 直射 波、 反 射 波和 散 射 波的 合 成波， 再加 上 移 动

11、台 快 速移 动 而 划过 电波的 波节 和 波腹 引 起 驻 波， 而 且 高 速移 动 会带 来 多 普 勒频 移 ， 这些使得 移 动 台 接收 到 的 功 率 电平在振幅 和 相 位上 随 时随 地 都 在急剧变化 ， 这 种 现 象就是 小 尺度 衰 落 。小 尺度 衰 落 的 影 响 主要 因 素 包 括 ： 多 径 传播 和 多 普 勒频 移 。可 以 分为 快 衰 落 和 慢 衰 落 佣 嗥绽 绽 菇嵌 确 ， 而 从 多 径 角度 分为 平坦 衰 落 和 频 率 选择性 衰 落 。平均 路径 损耗 通 常 用 对 数 距离 路径 损耗 模 型 来 表 示 ： ； 拜 为 路径

12、 损耗 指 数 ， 表 明 路径 损耗 随 距离 增 长 的速率 。它的 取值 依 赖于 特 衰 落变化 服 从 瑞 利 分 布 。 甊系 统中 的电 波传 播 模型 此 模型 【 】 适 用 范 围 ： 适 用 于宏小区、 微 小区。 该模型 广泛应用 于建筑 物高 度当 带 入 甊频点 时： 模型 【 】 从 频率 、 适 用 距 离、 天 线 高 度 等方 面都符合 甊铁 路环 境的需 求 ， 基 站 天 线 高 度 。 乡 村 7 ： 市 区 一 乡 村 伎 7乡 村 7 青藏 铁 路中 使 用的 猂 系 统是一 个能提 供多 信 道无 线 通 道， 满足铁 路车 地 之间话音和 数

13、据 通 信 、 地 面 移 动通 信 的 新的 铁 路专 用移 动通 信 技 术 。 要 实现铁路沿 线 和 枢 纽 地 区 连 续 可靠 的 场强 覆 盖， 不仅 要 求 基 站 信 号的 连 续 覆 盖， 而 且要求 同 基 站 信 号不同 功率源 的 连 续 覆 盖， 青藏 铁 路 甊系 统在弱 场区 引 入了 直 放站 设备 ； 同 时 由 于 频 带 资 源 的 有 限性以及 地 形 的 复 杂性给 频 率规划 带 来了 困难， 移动终 端又处 于 高速运 行 状态， 这 就给 系 统中 带 来了 同 频 干 扰 、 邻 频 干 扰 、 噪 声 影 响等 一 系 列 干 扰 问题，

14、对 青藏 铁 路 甊系 统的 干 扰 性分析 十 分必 要 。共 用 频 率资 源 ： ；铁 道部 在铁 路车 站 及 铁 路轨 道沿 线 两侧的 地 域 内使 用， 建 设铁 路中 国联 通 网 络 对 甊系 统的 干 扰 分析 由 于 是以扩频 技 术 为基 础的 ， 即 把信 息的 频 谱 扩展 到 一 个更宽 的 频 带中 去传 播 ， 而 接收 端只 需 将 接收 到 的 信 号解扩频 便 可得 到 携带 的 信 息。 由 于 扩频码伪 随 机 序 列 有 良 好的 自相 关 性， 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 伪 随

15、 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， 其他 信 号类 似 于 噪 声 干 扰 ， 只 对 接收 机 输出信 号的 误码率扰 和 杂散 干 扰 ， 其中 最 重 要 的 干 扰 来自于 杂散 干 扰 。 浠 慕 坏 鞑 锫 涞 紾 接收 带 内； 互调 干 扰 分析 联 通 第一 载波 中 心频 率为 诺 辣嗪盼调 频 率为： ， 为 甊频 率。 但 此 种 是通 ， 其三 阶互 杂散 干 扰 分析则 甊基 站 容许的 最 大 干 扰 电 平 为： 对 甊 的杂 散干 扰 ，同时根 据 基站 高 度、 天 线 参

16、 数 等 的变 化，此 距离可以 适 当 图 五 频 组 干 扰 分析 不 意 图多， 频 点 作 为 工作 载 频 的 干 扰 分析 区 段 示 意 图 为 了 满足 铁 路 沿 线线性 覆盖 ， 青 藏 铁 路 上 一 般使 用 八 字天 线或者 功 分器 将 一 以 表示 为 】： 图 翟 馗 杀 仁疽 馔 疘 一阶邻频 分 析 ，、 、丫、 疘 二 阶邻频 分 析各 两 个， 分 别 为 、 号 基 站 。 载 干比 公式化 简 为 关 于 距离的 比 甀 、：，一工 一一一，、图 二 阶邻频 载 干比 示 意图 疘 妗， ， 甀 灰 籭；，、 粅一 歹 气 ：一 灰 籔。 狪琁一一一

17、一 灰灰灰籌 一 一 一 卜 一 一一 产 一 籐 一 、；。， 、： ： 、 疘 疘 # # 灰粄一一一： 骸 ：一 一 一 灰 灰 灰 灰 籮 一 一 一 一 十一 一 一 二一 一 籣 、。一 一： 一 一 一 十一 一 一 一 为 服务 频点 载干 比 示意 图 疘五 频一 组 频点 载干 比 范围 站 间 距 缩小 ，所 以 在实 际 情 况中 ，应注意 同 邻频基 站 的 实 际 距 离 。一 籆 ， ，灰 灰 籮卜，：，一 才 ：、 ：一 ：弘 灰灰 灰 疘 ； 窑 适 厶 堂 亟： 堂 僮途 塞壹蘧迭 蹬 裕 築丕筮王 垫 岔蚯近 端机远 端机光 纤 直放 站 产 生 干扰 的

18、原因 主要分 为两 个 方面 分 析 ：夺 直放 站 对 宿主基站 的噪 声 干扰 ；在 青藏 铁 路 甊 系统 中 ， 直放 站 在 隧 道等一 些覆 盖盲 区 和 弱 区 得 到 了广泛 带 宽 ， ; 驹 肷 凳 话 阄 。下 表为 不 同值条 件 下 ， ， 的结 果 。 璐 令 细 一 带 卜 则 ： 鳍 。 这 时， 可 以 认 为直放 站 引入基本放站在 基站接收端产 生 的噪声 电 平 为 。 覆 盖区 域出 现 通 信 中 断 ， 即源小 区 向移动 台 下 发 站区 域下 向一 个 小 区 切 换 失 败 的信令流程 示 意图。 癆 ； 雂 嘲 量 较差， 经过 分 析 ，

19、 发 现 一 般 是由于宿主基站 对 直放 站 区 域的同频 干扰 造 成 的。 、 一一一一一一灰灰灰灰灰籰一一一一一一灰灰灰灰灰粆一一一一一一灰灰灰灰弧珆一一一一一一 ! ! 一、 疘求 。 若 此 时由于地 形 、 参数 设置 等因 素， 同时满 足基站 和 同源直放 站 两 路 信 号 时 参数 ， 避免满 足同频 干扰 的条 件 。 根 据 铁路 甊网 络链 状覆 盖的 特 点 ，在 青藏 铁路的 五 频 组网 络规 划中 ，同频 小 区和 邻 频 小 区，般情 况下 都 有 很 远 的 距 离 ，存 在 干 扰 比 较小 。在 青藏 铁路上 ，比 较严 重 的干 扰 ，是弯道 地形

20、 下 的同 频 小 区干 扰 和 直 放站 区域宿 主 基站 同 频信号的 干 扰 ，针 对 这 种情 况，下 文 提出的 单天线 干 扰 删 除 技 术 ，对 此 种干 扰 的影响 ，可以 有 一 定 的改 善 。根 据 前文 的分 析 ，同 频 干 扰 作 为 限 制 网 络质量 的重 要 因素 ，在 网 络规 划、运行的 过 程中 都显 得 极为 重 要 。在 通 过 各种措 施 尽量 减小 同 频 干 扰 的同 时 ，在 物 理层 实 施 的主 动的 减小 同 频 干 扰 的措 施 对 于 减小 同 频 干 扰 的影响 具有 极其 重 要 的意义。类 似 于 系统中 ，多用户检 测 通

21、 过 检 测 来 自 码 分 干 扰 用户的信号，消 除干 扰 从而提高 系统容 量 的思路【 】 【 珿 领 域也一 直 致力 于 研究 在 物 理采 用单天线 干 扰 技 术 消 除 技 术 ，能 够有 效地在 物 理层 减小 同 频 干 扰 ，从 而提高无在 甊系统的 网 络规 划设 计 过 程中 ，采 取 相 应 措 施 保 证同 频 复 用比 足够的 链 状 小 区 系 统 薪 捎肕 表 达 式 为 ： 图 蜂窝 系 统同 频干扰 分 析 仿 真 示 意 图 移动台 等效 噪 声 方 差“下 行 工 作 频率阴 影 衰落模型小 尺 度 衰落模型移动台 于 本 小 区内 的分 布 ”同

22、 频干扰 源个数小 区半 径 图 蜂窝 系 统模型中 腜 曲 线类似 于 得 到系 统干扰 的仿 真 方 法 ， 可以 仿 真 得 到有用信 号 功 率 。 进 而 根 据 等 链状分 布 小区 中 同频干 扰的 仿真图 瓽 系 统同频干 扰 分 析仿真示 意 图 移动台等 效噪 声 方差”下 行 工 作 频率 鼁 相 比， 链状小区 分 布 的 猂网 络采 用 理想 的 消 除 主 导 干 扰的 技 术 ，能够获 得更 大 的 增 益 。，、图 链状分 布 小区 模 型 中 不同的 同频复 用 比下 的 鹊腜 曲 线 髓 ， 算 法 为 例 ，给 出 一 种 实 用的，且 适 用于 甊 网

23、络 的单 天 线 刀 ， 簦 渲 蠰 表 示 信道的 记 忆深 度 垂灿 蠰 惴 阅 勘晷 藕 诺 男 诺 烙敫 扇 判 藕 诺 男 诺 澜 辛:瞎 兰啤 。【，一一浚， ， 一第 玎个同 频 干扰 信号 没 的 训练 序 列排列成 向量 为 ： 【 ，。 琺， 唬 琺，。，。， 。甩， 琋同 样 将 个 同 频 干 扰 信 号的 信 道组合为 一 个 统一 的 列向量 ：对 应训 练 序 列参考 比特 的 接收 符 号为 ： 则 最大 似然 准 则 可以 转 化 为 一 个 更 简 单的 形式 ：鬈 ， 删 嘴 卿 撇 贰 啤颇瘛 蝍唬 畂由 于 前 文 中 节的 分析 ， 在 甊系统中 ， 更 适 合采用的 是只 删 除 主导 干扰 的 技 术悸 堑礁丛 佣 群 托阅艿恼 壑 ， 因 此前 文 中 ， 这 就保 证