2 100 MHz頻段鐵路5G專網電磁兼容特性研究

藺偉，李毅，姜博，董根才

（中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，北京100081）

0 引言

我國鐵路移動通信系統從20世紀60年代開始，歷經450 MHz無線列調、900 MHz鐵路數字移動通信系統（GSM-R）等技術制式，承載了列車運行控制、行車調度指揮等業務，至今已形成全程全網的規模，是保障鐵路運輸安全生產的重要手段。隨著智能鐵路的發展，多媒體調度、新一代列控、超視距視頻傳輸、車車接近預警等車地間通信業務需求不斷拓展，既有鐵路移動通信系統的承載能力不足、頻率資源緊張、產業鏈支撐快速萎縮等問題日益突出，鐵路移動通信寬帶化成為技術發展的必然趨勢。

無線電頻率是鐵路移動通信技術創新發展的基礎和先決條件。根據國際電信聯盟技術研究組對各國鐵路移動通信系統使用情況的統計［1］，目前全球各國大都使用1 GHz以下的頻段部署鐵路移動通信系統。考慮到低頻段頻率資源有限且處于碎片化分配的狀態［2］，鐵路移動通信系統向中高頻段進行遷移是發展的必然趨勢。德國計劃2029年開始大規模部署900 MHz/1.9 GHz/3.7 GHz頻段第五代移動通信系統（5G系統）［3］。日本已于2019年完成列車無線電應用的40 GHz頻段毫米波系統部署，并完成了時速240 km條件下的90 GHz頻段鐵路移動通信系統試驗［4］。

3GPP標準組織將2 100 MHz（1 920～1 980 MHz/2 110～2 170 MHz）頻段定義為5G的Band n1［5］。我國規劃2 100 MHz頻段用于移動通信業務，但目前尚未分配。與公網運營商5G系統的主流頻率（2.6 GHz和3.5 GHz）相比，2 100 MHz頻率電波傳播特性相對良好，在鐵路沿線部署時可有效復用現有GSM-R的基站站址，降低鐵路5G專網的建設成本。

2 100 MHz可申請頻段與中國聯通第四代移動通信系統（聯通LTE系統）和天通衛星通信系統（簡稱衛星系統）的頻率相鄰，受功率放大器非線性、濾波器截止頻率范圍較寬等因素影響，發射機除占用主信道外，在相鄰頻段會產生干擾；接收機除占用主信道外，也會接收相鄰頻段的干擾。系統間干擾可能導致通信鏈路可靠性降低，所承載的業務性能下降，從而影響行車安全。因此，對2 100 MHz頻段鐵路專網的電磁兼容特性進行研究是非常必要的。通過調研2 100 MHz頻段的頻譜分配情況，對鐵路移動通信系統與衛星系統、聯通LTE系統的電磁干擾情況進行分析，提出干擾控制的措施和建議。

1 2 100 MHz頻段分配情況

2 100 MHz頻段的上行頻率范圍為1 965～1 975 MHz，下行頻率范圍為2 155～2 165 MHz，總帶寬為2×10 MHz。該頻率處于3GPP定義的n1標準頻段內，下端與聯通LTE系統頻率相鄰，兩者之間沒有頻率保護間隔；上端與衛星系統頻率相鄰，兩者之間有5 MHz的頻率保護間隔。該頻段的分配情況見圖1。

圖1 2 100 MHz頻譜分配情況

2 電磁兼容分析

2.1 與衛星系統頻率的電磁兼容分析

根據國際電信聯盟報告［6］，當衛星地球站接收到的干擾信號總功率超過-60 dBm時，將產生飽和干擾，導致地球站無法正常工作。

我國工業和信息化部規定［7-8］，2 100 MHz頻段的FDD系統基站每個端口在2 170～2 200 MHz頻段內無用發射應小于-65 dBm/MHz。

為避免對衛星地面接收站產生干擾，鐵路5G專網基站的射頻指標應嚴格滿足以上要求。

2.2 與聯通LTE系統頻率的電磁兼容分析

鐵路2 100 MHz目標頻段與聯通LTE系統處于3GPP定義的Band 1/n1頻段，基站和終端產品均按照同一頻段的射頻指標進行設計，系統間干擾較為嚴重，需要進一步分析。

2.2.1 干擾場景

由于鐵路基站與聯通基站、鐵路終端與聯通終端之間有至少155 MHz的頻帶隔離，干擾可以忽略不計。兩系統的終端對基站、基站對終端的鄰道干擾需要重點分析（見圖2）。

圖2 聯通系統與鐵路通信系統干擾情況示意圖

在此重點分析聯通終端發射對鐵路基站接收、聯通基站發射對鐵路終端接收2種場景下的干擾情況。在每種場景下，可采取2種方式避免因遠近效應引起的系統間干擾:（1）發射與接收設備的空間隔離方式，即聯通基站與鐵路終端、鐵路基站與聯通終端之間進行空間隔離；（2）鐵路基站與聯通基站鄰近部署。

綜上所述，重點分析的干擾場景、規避方式和需要計算的指標見表1。根據3GPP標準TR 36.942（R15），基站和終端的主要射頻參數見表2。

3GPP規范中分別定義了鄰道泄漏比（ACLR）和鄰道選擇性（ACS）參數。ACLR表示發射機產生的主信道信號與相鄰信道干擾信號的功率比值，單位為dB；ACS表示接收機在主信道信號衰減與相鄰信道信號衰減的比值，單位為dB。ACLR和ACS的值越大，表明設備的電磁性能越好，對其他設備的干擾以及受其他設備的干擾影響越小。3GPP規范定義了鄰信道干擾功率比（ACIR）參數:ACIR=1/（1/ACLR+1/ACS），用于評價發射機產生的干擾信號對相鄰頻段其他系統接收機的影響。

表1 干擾場景、規避方式及需要計算的技術指標

表2 基站和終端的射頻參數

根據3GPP規范TS 36.104和3GPP TS 36.101，基站發射機的ACLR=44.2 dB、基站接收機的ACS=43.5 dB；終端發射機的ACLR=30 dB，終端接收機的ACS=33 dB（10 MHz）、27 dB（20 MHz）。實際工程應用中，基站設備的ACLR和ACS參數比3GPP標準要求提高10 dB以上，終端設備ACLR和ACS參數比3GPP標準要求提高5 dB以上。不同干擾鏈路的ACLR、ACS和ACIR參數見表3。

表3 聯通LTE系統干擾鐵路通信系統的參數 dB

2.2.2 聯通終端干擾鐵路基站

聯通終端干擾鐵路基站示意見圖3，當聯通終端離聯通基站較遠、離鐵路基站較近時，聯通終端發射信號的功率較強，對鐵路基站的接收信號產生干擾，導致鐵路基站底噪被抬升、靈敏度降低。根據聯通終端位置不同，可以分為車內終端和地面終端2類。兩者的區別在于，車內聯通終端產生的干擾信號受車廂屏蔽損耗的影響，對鐵路基站的干擾降低。

圖3 聯通終端干擾鐵路基站示意圖

（1）通過聯通終端與鐵路基站空間隔離避免干擾的技術要求。聯通終端與鐵路基站的干擾隔離度需求Lue-bs計算如下:

式中:Iadj-ue為聯通終端泄漏到鐵路頻帶內的鄰道干擾功率；Ibs為鐵路基站頻帶內允許的最大干擾功率。

對于聯通終端，其產生的鄰道干擾功率Iadj-ue計算如下:

式中:Pmax-ue為聯通終端最大發射功率；Bw為帶寬轉換因子；ACIR為鄰道干擾比；Psh為陰影衰落余量；Gbs為鐵路基站的天線增益；Gue為聯通終端的天線增益；Ptr為列車車廂的車體損耗。地面聯通終端產生的鄰道干擾功率的計算方法類似，但無車廂車體損耗Ptr的影響。計算過程見表4。

表4 聯通終端鄰道干擾功率計算

鐵路基站允許的最大干擾功率Ibs計算如下:

式中:N為基站的底噪功率；△I為允許一定底噪抬升帶來的干擾功率。計算過程見表5。

表5 鐵路基站允許的最大干擾功率計算

根據表4、表5和式（1），可以計算出聯通終端（包括車內終端和地面終端）與鐵路基站的空間隔離度。根據3GPP TR 36.942中的宏小區郊區和城區模型，為了避免鄰道干擾，郊區場景下聯通終端與鐵路基站之間的空間隔離距離最小為97 m（聯通終端位于車內）或497 m（聯通終端位于地面）；城區場景下聯通終端與鐵路基站之間的空間隔離距離最小為24 m（聯通終端位于車內）或122 m（聯通終端位于地面）。

（2）通過聯通基站與鐵路基站鄰近設置避免干擾的技術要求。假設聯通基站與鐵路基站鄰近設置，聯通終端位于聯通基站的小區邊緣時，距離鐵路基站也較遠，聯通終端雖然發射功率較大，但對鐵路基站的干擾較小，避免產生嚴重的遠近效應。

為了確定聯通基站與鐵路基站允許的最大間距，首先假設聯通終端位于鐵路基站下，干擾鏈路的路徑損耗最小，對鐵路基站的干擾最為嚴重。該場景下聯通終端的發射功率取決于聯通基站的位置。具體來說，聯通終端與聯通基站的距離越近，其發射功率越小，對鐵路基站的干擾也越小。根據鐵路基站允許的最大干擾功率，確定聯通終端允許的最大發射功率。然后根據聯通終端發射功率與路徑損耗的關系，計算出聯通終端（與鐵路基站位置相同）與聯通基站的最大距離。

聯通終端產生的鄰道干擾功率Iadj-ue計算如下:

式中:Pue為聯通終端發射功率；Pc為聯通終端與鐵路基站的耦合損耗。計算過程見表6。可以看出，聯通終端產生的鄰道干擾功率與發射功率Pue密切相關。

表6 聯通終端產生的鄰道干擾計算

接下來分析聯通終端的發射功率Pue與路徑損耗的關系。在實際系統中，聯通終端的發射功率Pue的計算如下:

式中:P1為半靜態功率基數；PL為路徑損耗；α為路徑損耗補償因子，用以平衡上行公平調度和整體頻譜效率。當α的取值為0.7～0.8時，既能讓系統接近最大容量，又避免小區邊緣的數據速率過多地下降。P1取典型值-85 dBm，α取典型值0.8。

由于聯通終端產生的鄰道干擾Iadj-ue不大于鐵路基站允許的干擾Ibs，即Iadj-ue≤Ibs。帶入表6中參數，可得車內聯通終端PL≤129.28，地面聯通終端路徑損耗PL≤98.03。

利用3GPP TR 36.942中的宏小區郊區和城區模型，計算可得郊區場景下聯通基站與鐵路基站的距離應小于6 248 m（聯通終端位于車內）或810 m（聯通終端位于地面），城區場景下聯通基站與鐵路基站的距離應小于1 534 m（聯通終端位于車內）或199 m（聯通終端位于地面）。

2.2.3 聯通基站干擾鐵路終端

當鐵路終端離鐵路基站較遠、而離聯通基站較近時（見圖4），接收到的聯通基站的干擾信號比鐵路基站的有用信號功率更大，降低了鐵路終端信號的信干噪比（SINR），如果低于解調門限，會出現通信中斷。

圖4 聯通基站干擾鐵路終端

（1）通過聯通基站與鐵路終端的空間隔離避免干擾的技術要求。聯通基站與鐵路終端的干擾隔離度需求Lbs-ue計算如下:

式中:Iadj-bs為聯通基站泄漏到鐵路終端頻帶內的鄰道干擾功率；Iue為鐵路終端允許的最大干擾功率。

聯通基站產生的鄰道干擾功率Iadj-bs計算如下:

式中:Pmax-bs為聯通基站的最大發射功率。計算過程見表7。

表7 聯通基站鄰道干擾功率計算

鐵路終端允許的最大干擾功率Iue計算如下:

式中:N為終端的底噪功率；△I為允許一定底噪抬升帶來的干擾功率。計算過程見表8。

根據表7、表8和式（6），可以計算出聯通基站與鐵路終端所需的空間隔離度。根據3GPP TR 36.942中的宏小區郊區和城區模型，為了避免鄰道干擾，郊區場景下聯通基站與鐵路終端的最小空間隔離距離為1 327 m，城區場景下聯通基站與鐵路終端的最小空間隔離距離為326 m。

表8 鐵路終端允許的最大干擾功率計算

（2）通過聯通基站與鐵路基站的鄰近設置避免干擾的技術要求。考慮鐵路終端位于聯通基站下面（鐵路終端與聯通基站在同一位置），在該場景下鐵路終端受到聯通基站的干擾最為嚴重。聯通基站產生的鄰道干擾Iadj-bs計算如下:

式中:Pmax-bs為聯通基站的最大發射功率；Pc為鐵路終端與聯通基站的耦合損耗。計算過程見表9。

表9 聯通基站產生的鄰道干擾計算

假設鐵路終端的最小SINR為-5 dB，則要求在聯通基站下，鐵路基站的信號功率應該大于Iadj-bs+SINR=-54.9 dBm，即鐵路基站到鐵路終端的路徑損耗小于Pmax-bs－（-54.9）=100.9 dBm。

根據3GPP TR 36.942的宏基站郊區和城區模型，計算得到郊區場景下聯通基站與鐵路基站的距離要小于977 m；城區場景下聯通基站與鐵路基站的距離要小于240 m。

以上電磁兼容特性的理論分析是在最嚴苛的條件下，規避聯通和鐵路系統間干擾的技術要求。

2.2.4 聯通系統干擾對鐵路系統影響

分鐵路區間和鐵路車站2個實際場景，分析聯通系統與鐵路系統間的干擾。

（1）鐵路區間。①聯通終端對鐵路基站的干擾:在實際場景下，列車在正線運行時，車內聯通終端產生的干擾信號要經過封閉車廂的穿透損耗，因此對鐵路基站的干擾信號強度進一步衰減20～30 dB，而鐵路車載終端使用車頂天線，不受車廂穿透損耗的影響。因此，可忽略車內聯通用戶對鐵路基站的干擾。對于經過郊區、丘陵、山地等人口稀少的鐵路區段，鐵路沿線地面的聯通終端數量少，聯通用戶接近鐵路基站下方的概率小，對鐵路基站的干擾影響小。對于經過人口稠密的鐵路區段，聯通用戶接近鐵路基站下方的概率相對較大，對鐵路基站會產生一定干擾影響。②聯通基站對鐵路車載終端的干擾:當鐵路車載終端經過鐵路沿線的聯通基站且距離鐵路基站較遠時，可能對鐵路車載終端的接收產生一定干擾，但列車在鐵路區間運行速度較快，干擾持續的時間較短。

（2）鐵路車站。對于車站區域，聯通基站和鐵路基站均設置在車站范圍，兩者基站的間距較小。在空間開闊區域，兩系統基站和終端的遠近效應不明顯，干擾影響較小。但是由于車站范圍內的建筑物復雜，當兩系統的覆蓋電平明顯不均衡時，在陰影區域可能產生系統間干擾。

3 2 100 MHz鐵路專網頻率干擾控制

3.1 與衛星系統的干擾控制

按照工業和信息化部要求［9］，在衛星地球站的干擾協調區（指以衛星地球站為中心一定范圍內的地理區域）內設置的5G基站，與衛星地球站進行干擾協調，以避免對合法使用的衛星地球站造成有害干擾。在獲得2 100 MHz頻段使用許可證后，及時向當地無線電管理機構了解需要干擾保護的地球站信息。

為避免鐵路基站對相鄰衛星系統頻段的干擾，采用在鐵路基站加裝2×10 MHz窄帶濾波器、降低5G基站發射功率及調整5G基站天線最大輻射方向等綜合措施。

3.2 與聯通LTE系統的干擾控制

考慮到采用終端和基站的空間隔離措施在工程實施上存在難度，建議采用基站共建共享模式，鐵路基站與聯通基站同站址部署，以規避系統間干擾。對于不具備同站址布設條件的情況，鐵路基站與聯通基站站址應鄰近設置。

4 結束語

2 100 MHz頻段傳播特性良好，適用于部署鐵路5G專網系統。但要充分考慮與相鄰頻段的中國聯通LTE系統、天通衛星通信系統的電磁干擾。為避免鐵路基站對相鄰衛星頻段的干擾，采用在鐵路基站加裝2×10 MHz窄帶濾波器、降低基站發射功率及調整基站天線最大輻射方向等綜合措施。為避免與相鄰頻段聯通通信系統的干擾，采用鐵路基站與聯通基站同站址或鄰近部署的方式，具備工程可實施性。