瑞典鐵路GSM-R網絡實施情況的研究

1 瑞典鐵路GSM-R網絡實施現狀

瑞典GSM-R網絡于1997年建網，2000年提供業務，2010年提供列控業務。規劃里程為：承載話音業務線路11 000 km，承載ETCS2級業務1 500 km，ETCS3級業務140 km。網絡覆蓋方式為單網交織覆蓋，部分ETCS2級線路采用雙層覆蓋方式，覆蓋電平（95%）滿足-82/-91 dBm。

全網建有1個核心網節點（MSC/HLR/IN/NMC），1 200個BTS，11個BSC，250個直放站，全部設備由諾西提供，核心網軟件版本采用SR-14，無線軟件版本采用RG10。

全網約有7 000個用戶（不包括國外列車GSM-R用戶），平均每月承擔400 000個呼叫。2011年8月，全網業務中組呼為369個，占全部呼叫的0.14%；ETCS業務1 410個，占全部呼叫的0.47%。

全網共有2 700個機車臺，列控數據專用終端（EDOR）80套，GPH設備1 889臺，OPH設備349臺。

恩舍爾茲維克（?rnsk?ldsvik）——于默奧（Ume?）線路ETCS2級業務應用情況統計如下表1所示。

表1 恩舍爾茲維克——于默奧線路ETCS2級業務應用情況統計

下一步主要工作：建設第二個MSC；實現HLR地理冗余；確定是否采用R4架構；與CW1簽訂分析、測試及網絡優化工具的采購合同。

2 影響GSM-R終端的主要問題

2.1 公共移動網絡的干擾發射

2009年以前GSM-R系統的信號電平滿足的條件（見圖1）如下。

*相鄰基站的交叉點電平為-82 dBm/200 kHz。

*交織基站的交叉點電平（ETCS2級列控線路的某個基站故障）為-95 dBm/200 kHz。

為滿足GSM-R系統的各項業務需求，系統的信噪比需大于12 dB。1999年至2010年間，GSM-R頻帶內的噪聲電平一般低于-110 dBm/200 kHz，保證了GSM-R系統較高的質量。由于采用GSM技術的900 MHz頻段公共移動網絡占用的是P-GSM頻段，未使用與GSM-R頻段相鄰的E-GSM頻段，因此，GSM-R頻段內的信噪比可達到20 dB。噪聲主要來自GSM-R系統內的相鄰基站。

技術中立許可允許UMTS和LTE等技術使用900MHz頻段，根據2009/114/EU指令和2009/766/EU決議，900 MHz頻段范圍為880～915/925～960 MHz，由瑞典頻率管理委員會（PTS）制定GSM-R頻段的保護許可條件。這就意味著來自公共移動網絡系統（如UMTS和LTE）的發射信號會進入到GSM-R頻段，成為GSM-R系統終端的噪聲（見圖2）。

瑞典運輸管理局與PTS聯合評估了GSM-R 900 MHz頻段內的公共移動網絡干擾，評估結果顯示，公共移動網絡干擾信號在低于-107 dBm/200 kHz的情況下不會對GSM-R系統產生重大影響。根據PTS對GSM-R系統的保護決議，-107 dBm/200 kHz是公網運營商必須遵循的電平標準。最近，公網運營商和瑞典運輸管理局重新達成共識，在提前6個月向瑞典運輸管理局發出公告后，使用925～930 MHz頻段的公網運營商可將干擾功率電平提高到-95 dBm/200 kHz；使用930～960 MHz頻段的公網運營商可將干擾功率電平提高到-98 dBm/200 kHz。

2.2 強寬帶信號

兼容ETSI的GSM-R車載終端不能處理在其頻帶附近的來自公共移動網絡系統（如UMTS和LTE）的寬帶信號。終端接收器受到強寬帶信號的限制。

早期GSM和GSM-R的規范出臺時并沒有考慮3G和4G的信號，GSM-R終端的接收范圍為整個900 MHz頻段（876～915/921～960 MHz，見圖3）?？梢栽贕SM-R網絡實施過程中使用公共GSM網絡系統（漫游），也可以在沒有進行GSM-R擴展規劃的線路上使用公共網絡。

瑞典運輸管理局對不同的GSM-R機車臺進行了測量。測量表明，與來自窄帶系統的干擾相比，機車臺對來自寬帶移動網絡系統（如UMTS和LTE）的干擾更加敏感。當被電平為-33 dBm/5 MHz的UMTS系統寬帶信號干擾時，GSM-R終端接收誤碼非常嚴重（RXQuality4-5）。相比之下，帶寬較窄的其他GSM系統的干擾電平達到-5 dBm/200 kHz時，GSM-R終端接收誤碼才會達到RXQuality4-5。RXQuality4-5通常導致掉話。

有關900 MHz頻帶寬帶技術基本情況的報告（例如CEPT EC 96）并沒有詳細說明其對GSM-R系統產生的影響。

為了防止GSM-R終端受到阻塞，PTS制定了如下方案，限制公共移動網絡的最大發射功率。

1）對于使用925～930 MHz頻帶的運營商

2015年6月30日以前，高于鐵路4 m的0 dBi天線接收公共移動網絡925～930 MHz頻段的基站或直放站信號的最大接收功率不得超過-33 dBm/5 MHz。

2015年6月30日以后，最大接收功率不得超過-5 dBm/5 MHz。

2）對于使用930～960 MHz頻帶的運營商

2015年6月30日以前，高于鐵路4 m的0 dBi天線接收公共移動網絡930～960 MHz頻段的基站或直放站信號的最大接收功率不得超過-23 dBm/5 MHz。

2015年6月30日以后，最大接收功率不得超過0 dBm/5 MHz。

2015年6月30日之前，列控線路?dalsbanan，Botniabanan，Haparandabanan和V?sterdalsbanan受到特殊保護，接收925～960 MHz頻帶內公網信號的最大接收功率為-33 dBm/5 MHz。

3 解決措施

GSM-R終端主要受到公共移動網絡的干擾發射和強寬帶信號兩方面的頻率干擾。PTS提出了對公共移動網絡系統的限制，但是對GSM-R只是暫時性的不完全保護，2015年6月30日后，保護大幅降低。這就要求GSM-R網絡和終端需采取實質性的措施。

3.1 特殊處理互操作性技術標準

在提出正式的修改之前需要在互操作性技術標準“命令控制和信令”中做特殊處理。

瑞典運輸管理局從EIRENE規范中為機車臺和EDOR申請國家特許，包括以下內容。

EIRENE SRS 1.4.3.2節“頻率”

機車臺和EDOR的天線系統應當具有防護濾波功能或濾波器。防護濾波功能或濾波器的頻率范圍為873～880/918～925 MHz，可以將E-GSM及P-GSM濾除。防護濾波功能或濾波器應與互操作性技術規范“控制命令及信令”保持一致，以保證未來可操作性。

EIRENE SRS 3.2.4節“覆蓋”

由于設備老化而預留的3 dB衰減的余量，很可能還包括外部防護濾波器帶來的濾波插損（約1～2 dB）。這就意味著使用防護濾波功能或外部防護濾波器不會影響既有GSM-R網絡的小區規劃。

EIRENE SRS 4.2.1節“無線接口”

機車臺和EDOR的天線系統應當具有防護濾波功能或濾波器。防護濾波功能或濾波器的頻率范圍為873～880/918～925 MHz，可以將E-GSM及P-GSM濾除。

EIRENE FRS 4.1.3節“引言”

由于具有防護濾波功能或者濾波器，GSM-R終端不會漫游到900 MHz頻段的公共GSM網絡。

從互操作性的角度看，互操作性技術規范“控制命令及信令”中的特例如下。

對于具有防護濾波功能或濾波器并且在挪威、丹麥和德國運行的瑞典列車，由于具有優于當前的抗干擾保護，其抗干擾性能將會有很大改善。目前，在國外運行的瑞典列車不會通過全國漫游至公共GSM網絡。

對于運行在瑞典的國外列車，PTS的決議意味著瑞典GSM-R系統對于這些列車的服務無法得到保證。瑞典運輸管理局無法要求國外列車安裝GSM-R防護濾波功能或濾波器，但可以進行特例申請，如敦促瑞典運輸管理局與ERA（歐洲鐵路機構）共同迅速做出修改決定，以保護國際交通中的列車不受公共移動網絡的干擾。

3.2 終端增設濾波器

在暫時性保護期間（至（含）2015年6月30日），還需要對GSM-R終端采取措施，以解決GSM-R終端阻塞的問題。

通過在GSM-R終端天線使用外部保護濾波器或使用保護濾波功能，限制終端接收范圍，使其僅覆蓋GSM-R/RE頻率873～880/918～925 MHz，可消除干擾（見圖4）。

GSM-R保護濾波器是外置的，因此不需要修改ETSI標準，僅需要修改鐵路部門（如ERA）有權限修改的標準（如EIRENE）。

安裝GSM-R防護濾波功能或濾波器不會影響瑞典列車在國外的運行，因為它們不會漫游到國外公共移動網絡。而且這些列車的運行情況將會有所改善，因為干擾風險降低了。然而沒有GSM-R防護濾波功能或濾波器的國外列車進入瑞典，會有很大的干擾風險，互操作性也不能得到保證。不過整體情況將會有所改善，因為在瑞典鐵路線上運行的大部分列車都得到了保護。沒有GSM-R防護濾波功能或濾波器的列車，可能會出現停車或晚點的情況。

安裝外置的GSM-R防護濾波器，無需更改機車臺和EDOR。

3.3 提高信號電平

GSM-R頻段內，公共移動網絡發射的電平值高達-95 dBm/200 kHz的干擾信號阻礙了GSM-R系統基站間的全冗余覆蓋。瑞典運輸管理局決定將GSM-R系統的信號電平至少提高12 dB以維持當前的冗余覆蓋。

3.4 修改互操作性技術標準

修改互操作性技術標準“命令控制和信令”，附錄A、索引32（EIRENE FRS）和索引33（EIRENE SRS）。注：M為必須滿足的要求；I為描述說明；O為可選要求。

為支持機車臺和EDOR濾波，EIRENE規范需要進行修改。

瑞典運輸管理局建議如下。

下列應適用于機車臺和EDOR：

EIRENE SRS 1.4.3.2節“頻率”

1.4.3.2頻率：設備能夠工作在以下頻段）（Ⅰ）。

頻段 頻率[MHz]鐵路GSM（M） 876～880/921～925公共GSM（O） 880～921/925～960

201X-XX-XX以后生產的設備應能夠工作在873-880/918-925（GSM-RE）頻段。

注意：R-GSM頻段包括公共GSM（P-GSM）和擴展GSM（E-GSM）頻段。

EIRENE SRS 3.2節“覆蓋”

3.2 覆蓋

3.2.1：對于網絡規劃，覆蓋電平定義為車頂天線處（通常高于軌面4 m）的場強。假設全向天線的增益為0 dBi。在覆蓋區內該標準將滿足一定概率。（目標覆蓋功率電平取決于實際傳播條件帶來的統計波動）（I）

3.2.2：必須符合下列最小值：（M）

——95%的覆蓋范圍，覆蓋電平至少高于國家允許的鄰頻段所發射的最大帶外信號（干擾發射）12 dB，或是以下情況：

3.2.3：推薦符合下列最小值：（I）

——95%的覆蓋范圍，覆蓋電平至少高于國家允許的鄰頻段所發射的最大帶外信號（干擾發射）12 dB，或是以下情況：

3.2.4：網絡中的EIRENE移動安裝應符合3.2.2和3.2.3中的標準

注1：指定的覆蓋概率是指至少95%的概率下每個采樣點（間隔100 m）測量的覆蓋電平應大于或等于以上數值。上述指定的覆蓋電平考慮了天線和接收機之間的最大3 dB損耗，以及老化等原因產生的3dB附加余量。如果總損耗不超過3 dB，外部防護濾波功能設備或濾波器可以安裝在天線和接收機之間（I）。

注2：需要驗證ETCS 2/3級列控線路有關覆蓋電平和限速的值，如有必要，首次實施ETCS后將進行評審（I）。

EIRENE SRS 4.2節“無線接口”

4.2 無線接口

4.2.1 所有移動設備應工作在以下頻段：

表4-1 頻率波段

201Y-YY-YY以后生產的設備應能夠工作在873～880/918～925（GSM-RE）頻段。

注意：R-GSM頻段包括公共GSM（P-GSM）和擴展GSM（E-GSM）頻段。

EIRENE FRS 4.1.3節“引言”

4.1.3:所有移動設備應可工作在鐵路使用的頻段876～880/921～925 MHz（201Z-ZZ-ZZ后為873～880/918～925 MHz）（M）。

移動設備可工作在頻段880～915/925～960 MHz（O）。

3.5 建議公網基站安裝濾波器

建議公網運營商在基站安裝“限制信號發射濾波器”，降低基站的輸出功率，或將基站建立在遠離鐵路的區域，這樣就可以將干擾發射限制在-95/-98 dBm/200 kHz以下。

4 經濟成本

將GSM-R系統的信號提高12 dB，以應對公用干擾發射的電平提升，估計成本接近1 500～2 000萬歐元。

GSM-R終端防護濾波功能或濾波器的快速實施，可以使公共移動網絡運營商較早獲得更高的基站輸出功率。在機車臺和EDOR安裝GSM-R防護濾波功能或濾波器需獲得多方經濟支持。沒有經濟支持，鐵路部門就不得不自己解決成本，估計成本為800～1 000萬歐元。

若不允許GSM-R終端安裝防護濾波功能或濾波器，瑞典鐵路的GSM-R和ERTMS運營將非常危險，成本也不可估計。這將給鐵路運營帶來問題，列車晚點或取消，意外事故風險增加，最終將導致鐵路系統無法管理。