900 MHz頻段LTE-FDD系統部署對GSM-R系統影響實驗研究

孟景輝,趙 波,楊樹忠,林思雨

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所,北京 100081； 2.中國國家鐵路集團有限公司工電部,北京 100844； 3.北京交通大學電子信息工程學院,北京 100044)

1 概述

為保證鐵路運輸安全，我國無線電管理部門將885～889 MHz以及930～934 MHz作為鐵路數字移動通信系統(GSM-R)的專用頻率，而GSM-R系統的鄰頻頻段890～915 MHz及935～950 MHz由公網運營商使用。根據相關研究結果，公網運營商在該頻段布置GSM系統時，若頻點配置不當或發射功率過強，則可能會對鐵路GSM-R系統造成互調干擾、阻塞干擾和雜散干擾等影響[1-7]。鐵路維護單位為保證GSM-R系統的正常運用，采用基于實時頻譜或頻譜掃描的檢測方法以及基于服務質量的干擾判別方法來定位外界干擾源。針對公網運營商網絡干擾GSM-R系統的問題，采用加裝濾波器和優化運營商網絡頻點配置等方法進行解決[8-11]。

隨著寬帶移動通信技術的發展，同時為提高頻率使用率，公網運營商開始重耕GSM-R系統的鄰頻頻段[12-15]，部署了窄帶物聯網系統和寬帶LTE系統，使得GSM-R網絡受到的系統外干擾更加復雜[16-18]。目前，還沒有關于900 MHz部署LTE系統對GSM-R系統的影響研究。

基于實驗室環境，按照GSM-R系統檢測規范，對不同頻段和不同接收電平的900 MHz LTE-FDD系統配置下GSM-R系統電路域和分組域業務分別進行測試，通過對不同測試指標的分析，明確了900 MHz部署LTE-FDD系統對GSM-R系統服務質量可能產生的影響。

2 測試對象

2.1 測試環境

測試環境由實驗室內的GSM-R系統和900MHz LTE-FDD系統共同組成，如圖1所示。GSM-R系統包括GSM-R終端、天線、可調衰減器、基站子系統、核心網和應用服務器。LTE-FDD系統包括LTE終端、天線、可調衰減器、基站子系統、核心網和應用服務器。頻譜分析儀用于監測GSM-R終端和LTE終端接收電平情況。

圖1 實驗室測試環境示意

將GSM-R系統下行(終端接收)部署在930～934 MHz頻段，LTE-FDD系統在935～950 MHz頻段部署，按5，10，15 MHz帶寬分別配置，見表1。

表1 LTE-FDD系統頻段配置

GSM-R系統及LTE-FDD系統的發射功率均按照步進5 dB方式調整，GSM-R終端接收電平的調整范圍是-80～-50 dbm，LTE終端接收電平的調整范圍是-70～-40 dbm。

2.2 測試對象

GSM-R作為鐵路專用通信系統，其電路域(Circuit Switch Data，CSD)系統主要承載調度通話業務及列車運行控制數據業務，而通用分組無線服務(General Packet Radio Service，GPRS)系統主要承載各種調度信息和列車狀態監測數據業務。

按照TB 10430—2014《鐵路數字移動通信系統(GSM-R)工程檢測規程》，分別對GSM-R系統承載的語音業務、列車運行控制類數據業務及分組交換數據業務的服務質量指標進行測試[19]，GSM-R系統服務質量測試示意如圖2所示，測試點在Igsm。

圖2 GSM-R網絡服務質量測試示意

2.3 測試指標選取

為分析不同LTE-FDD系統配置對GSM-R系統服務質量的影響程度，參考TG/TX 106-2014《鐵路通信維護規則》，采用表2指標要求[20]對影響程度進行判定。其中，分組域服務質量在維護標準中只有等級評定標準，沒有合格判定標準，數據分析時按照測試指標數據的變化分析是否存在影響。

表2 GSM-R系統服務質量指標及要求

列車控制類數據業務中GSM-R系統的傳輸干擾時間以及傳輸無差錯時間的測試，需模擬GSM-R終端在小區間的切換過程。按照CTCS-3線路平均基站間距約3 km計算，當列車時速350 km時，每30 s進行一次切換。實驗室測試時，每30 s降低當前服務基站的發射功率，提高目標基站的發射功率，完成GSM-R終端的切換測試。其他指標測試均在靜態環境下進行。

3 測試數據及結果分析

3.1 語音業務測試數據

在不同GSM-R及LTE-FDD覆蓋情況下，GSM-R系統語音業務呼叫建立失敗概率均為0，<5 s和<7.5 s的語音呼叫建立時間分別>95%和>99%，均滿足表2中相關指標要求。

3.2 列車控制類數據業務測試數據

在不同GSM-R及LTE-FDD覆蓋情況下，GSM-R系統列車運行控制類數據業務連接建立失敗概率均為0，<8.5 s和<10 s的列車運行控制類數據業務連接建立時間均為100%，最大端到端傳輸延遲<500 ms的概率達到100%，均滿足表2中指標要求。

不同LTE頻段及接收電平的情況下，傳輸干擾時間<0.8 s、<1 s和傳輸無差錯時間>7 s、>20 s的百分比見圖3～圖6。

2）燃氣方面，上海燃氣行業體制經歷了三輪重大改革，1997年撤銷上海市煤氣公司，成立上海煤氣制氣（集團）有限公司和上海煤氣銷售（集團）有限公司，實現制氣和銷售分離。2000年進一步撤銷上述2家單位，成立上海天然氣管網有限公司等九家企業，實現適度開放市場并引入競爭。2003年組建上海燃氣（集團）有限公司，為申能（集團）有限公司全資子公司，負責全市燃氣安全生產、服務供應和投資建設任務，為天然氣大規模進入上海后的統一建設、統一管理打下了扎實的基礎。

圖3 不同LTE頻段和電平對GSM-R電路域傳輸干擾時間<0.8 s指標影響

圖4 不同LTE頻段和電平對GSM-R電路域傳輸干擾時間<1 s指標影響

圖5 不同LTE頻段和電平對GSM-R電路域傳輸無差錯時間>7 s指標影響

圖6 不同LTE頻段和電平對GSM-R電路域傳輸無差錯時間>20 s指標影響

從圖3可以看出，不同LTE頻段及接收電平情況下，傳輸干擾時間<0.8 s的百分比均大于95%，滿足表2中指標要求。

從圖4可以看出，不同LTE頻段及接收電平情況下，傳輸干擾時間<1 s的百分比大部分>99%，除個別情況外基本滿足表2中要求。當LTE 935～945 MHz頻段接收信號電平≥-60 dBm時，傳輸干擾時間<1 s指標不滿足標準要求；當LTE 935～940 MHz頻段接收信號電平≥-45 dBm時，傳輸干擾時間<1 s指標不滿足標準要求。

從圖5可以看出，不同LTE頻段及接收電平情況下，傳輸無差錯時間>7 s百分比均小于99%，不滿足表2中指標要求。從整體趨勢看，當LTE接收信號電平≥-60 dbm時，傳輸無差錯時間>7 s百分比開始下降，隨著干擾信號增強，LTE信號為935～940 MHz和935～945 MHz頻段，傳輸無差錯時間>7 s百分比有明顯下降。

從圖6可以看出，不同LTE頻段，接收電平≤-65 dbm情況下，傳輸無差錯時間>20 s百分比大于95%，滿足表2中指標要求。當935～940 MHz和935～945 MHz頻段LTE信號接收電平≥-60 dbm和940～945 MHz和940～950 MHz頻段LTE信號接收電平≥-45 dbm時，傳輸無差錯時間>20 s指標不滿足標準要求。從整體趨勢看，當LTE接收信號電平增大時，傳輸無差錯時間>20 s百分比開始下降。

綜合圖3～圖6可以看出，LTE信號為945～950 MHz頻段，接收電平≤-40 dbm情況下，對GSM-R系統傳輸干擾時間和傳輸無差錯時間無影響。LTE信號為935～50 MHz頻段，系統無業務只發射參考信號情況下(LTE系統頻帶設為935～950 MHz時，不符合運營商部署，RRU設備不允許在該頻段下終端接入)，對GSM-R系統傳輸干擾時間和傳輸無差錯時間無影響。

3.3 分組域業務測試數據

選擇LTE終端接收電平為-40 dBm時，即LTE系統存在較大干擾時，不同GSM-R覆蓋強度下的128字節UDP包平均數據傳送延遲、1024字節UDP包平均數據傳送延遲和數據吞吐量的測試結果見圖7～圖9。

圖7 不同GSM-R終端接收電平下UDP128字節分組交換數據業務平均傳送延遲影響

圖8 不同GSM-R終端接收電平下UDP1024字節分組交換數據業務平均傳送延遲影響

結合圖7、圖8可以看出，GSM-R接收電平在65 dbm以下時，有無LTE干擾，對GSM-R系統的UDP傳輸延遲沒有影響。當GSM-R接收低電平>65 dbm時，存在較強LTE信號，會增加UDP傳輸延遲。有無LTE信號，GSM-R系統128字節和1 024字節的UDP數據平均延遲分別<0.5 s和<2 s，按照《鐵路通信維護規則》評價，數據傳輸平均延遲等級評定均為1級。

從圖9可以看出，當LTE終端接收電平≤-40 dBm時，不同GSM-R接收電平情況下，GSM-R系統平均數據吞吐量沒有明顯變化，按照《鐵路通信維護規則》評價，數據吞吐量等級評定均為5級。

3.4 測試結果分析

(1)當900 MHz LTE-FDD系統信號電平≤-40 dBm時，GSM-R系統語音業務中呼叫建立時間及呼叫失敗概率滿足GSM-R網絡服務質量要求；

(2)當900 MHz LTE-FDD系統信號電平≤-40 dBm時，GSM-R系統列車控制類數據業務中連接建立時間、連接建立失敗概率和最大端到端數據延遲均滿足GSM-R網絡服務質量要求；

(3)在935～940 MHz、940～945 MHz、935～940 MHz及940～950 MHz頻段配置LTE-FDD系統，當LTE信號電平<-60 dbm時，對GSM-R系統列車控制類數據業務中傳輸干擾時間和傳輸無差錯時間指標無影響，當LTE信號電平>-60 dbm時，會對傳輸干擾時間和傳輸無差錯時間造成不良影響；

(4)當900 MHz LTE-FDD系統信號電平≤-40 dBm時，對GSM-R系統分組域平均數據傳輸延遲和數據吞吐量評定等級無影響。

4 結論

為評估公網運營商對900 MHz頻段重耕對鐵路GSM-R系統可能造成的影響，首先在實驗室搭建了900 MHz LTE-FDD系統干擾下的GSM-R網絡服務質量測試系統，測試了不同頻帶配置和不同干擾強度下，LTE-FDD系統對GSM-R系統語音、列車控制類數據傳輸和分組域數據傳輸業務服務質量的影響，得到以下結論。

(1)根據GSM-R語音呼叫建立時間、呼叫失敗概率、列車運行控制類數據業務連接建立時間、連接建立失敗概率、數據業務最大端到端延遲5個指標測試結果來看，于935～950 MHz部署LTE-FDD系統，不會對GSM-R系統造成顯著影響。

(2)在935～945 MHz部署LTE-FDD系統，可能會對GSM-R系統傳輸干擾率及傳輸無差錯時間等指標造成負面影響，導致傳輸干擾時間變長、傳輸無差錯時間變短，同時對GSM-R系統傳輸干擾指標的影響會隨著LTE-FDD系統信號電平強度的降低而減弱，在935～945 MHz部署LTE-FDD系統應該與鐵路保持隔離距離。

(3)當GSM-R系統與LTE-FDD系統保護頻帶>11 MHz時，LTE干擾不會對GSM-R網絡服務質量造成影響，因此可以在鐵路沿線945 MHz以上頻段部署LTE系統。