孟景輝,趙 波,楊樹忠,林思雨

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

1 概述

為保證鐵路運(yùn)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(shù)字移動通信系統(tǒng)(GSM-R)的專用頻率，而GSM-R系統(tǒng)的鄰頻頻段890～915 MHz及935～950 MHz由公網(wǎng)運(yùn)營商使用。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，公網(wǎng)運(yùn)營商在該頻段布置GSM系統(tǒng)時，若頻點(diǎn)配置不當(dāng)或發(fā)射功率過強(qiáng)，則可能會對鐵路GSM-R系統(tǒng)造成互調(diào)干擾、阻塞干擾和雜散干擾等影響[1-7]。鐵路維護(hù)單位為保證GSM-R系統(tǒng)的正常運(yùn)用，采用基于實(shí)時頻譜或頻譜掃描的檢測方法以及基于服務(wù)質(zhì)量的干擾判別方法來定位外界干擾源。針對公網(wǎng)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)干擾GSM-R系統(tǒng)的問題，采用加裝濾波器和優(yōu)化運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)頻點(diǎn)配置等方法進(jìn)行解決[8-11]。

隨著寬帶移動通信技術(shù)的發(fā)展，同時為提高頻率使用率，公網(wǎng)運(yùn)營商開始重耕GSM-R系統(tǒng)的鄰頻頻段[12-15]，部署了窄帶物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和寬帶LTE系統(tǒng)，使得GSM-R網(wǎng)絡(luò)受到的系統(tǒng)外干擾更加復(fù)雜[16-18]。目前，還沒有關(guān)于900 MHz部署LTE系統(tǒng)對GSM-R系統(tǒng)的影響研究。

基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，按照GSM-R系統(tǒng)檢測規(guī)范，對不同頻段和不同接收電平的900 MHz LTE-FDD系統(tǒng)配置下GSM-R系統(tǒng)電路域和分組域業(yè)務(wù)分別進(jìn)行測試，通過對不同測試指標(biāo)的分析，明確了900 MHz部署LTE-FDD系統(tǒng)對GSM-R系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量可能產(chǎn)生的影響。

2 測試對象

2.1 測試環(huán)境

測試環(huán)境由實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的GSM-R系統(tǒng)和900MHz LTE-FDD系統(tǒng)共同組成，如圖1所示。GSM-R系統(tǒng)包括GSM-R終端、天線、可調(diào)衰減器、基站子系統(tǒng)、核心網(wǎng)和應(yīng)用服務(wù)器。LTE-FDD系統(tǒng)包括LTE終端、天線、可調(diào)衰減器、基站子系統(tǒng)、核心網(wǎng)和應(yīng)用服務(wù)器。頻譜分析儀用于監(jiān)測GSM-R終端和LTE終端接收電平情況。

圖1 實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境示意

將GSM-R系統(tǒng)下行(終端接收)部署在930～934 MHz頻段，LTE-FDD系統(tǒng)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(tǒng)頻段配置

GSM-R系統(tǒng)及LTE-FDD系統(tǒng)的發(fā)射功率均按照步進(jìn)5 dB方式調(diào)整，GSM-R終端接收電平的調(diào)整范圍是-80～-50 dbm，LTE終端接收電平的調(diào)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(tǒng)，其電路域(Circuit Switch Data，CSD)系統(tǒng)主要承載調(diào)度通話業(yè)務(wù)及列車運(yùn)行控制數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而通用分組無線服務(wù)(General Packet Radio Service，GPRS)系統(tǒng)主要承載各種調(diào)度信息和列車狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

按照TB 10430—2014《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)(GSM-R)工程檢測規(guī)程》，分別對GSM-R系統(tǒng)承載的語音業(yè)務(wù)、列車運(yùn)行控制類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行測試[19]，GSM-R系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量測試示意如圖2所示，測試點(diǎn)在Igsm。

圖2 GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量測試示意

2.3 測試指標(biāo)選取

為分析不同LTE-FDD系統(tǒng)配置對GSM-R系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的影響程度，參考TG/TX 106-2014《鐵路通信維護(hù)規(guī)則》，采用表2指標(biāo)要求[20]對影響程度進(jìn)行判定。其中，分組域服務(wù)質(zhì)量在維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中只有等級評定標(biāo)準(zhǔn)，沒有合格判定標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)分析時按照測試指標(biāo)數(shù)據(jù)的變化分析是否存在影響。

表2 GSM-R系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)及要求

列車控制類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中GSM-R系統(tǒng)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(qū)間的切換過程。按照CTCS-3線路平均基站間距約3 km計(jì)算，當(dāng)列車時速350 km時，每30 s進(jìn)行一次切換。實(shí)驗(yàn)室測試時，每30 s降低當(dāng)前服務(wù)基站的發(fā)射功率，提高目標(biāo)基站的發(fā)射功率，完成GSM-R終端的切換測試。其他指標(biāo)測試均在靜態(tài)環(huán)境下進(jìn)行。

3 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

3.1 語音業(yè)務(wù)測試數(shù)據(jù)

在不同GSM-R及LTE-FDD覆蓋情況下，GSM-R系統(tǒng)語音業(yè)務(wù)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(guān)指標(biāo)要求。

3.2 列車控制類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)測試數(shù)據(jù)

在不同GSM-R及LTE-FDD覆蓋情況下，GSM-R系統(tǒng)列車運(yùn)行控制類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)連接建立失敗概率均為0，<8.5 s和<10 s的列車運(yùn)行控制類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)連接建立時間均為100%，最大端到端傳輸延遲<500 ms的概率達(dá)到100%，均滿足表2中指標(biāo)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?xì)夥矫?，上海燃?xì)庑袠I(yè)體制經(jīng)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(tuán)）有限公司和上海煤氣銷售（集團(tuán)）有限公司，實(shí)現(xiàn)制氣和銷售分離。2000年進(jìn)一步撤銷上述2家單位，成立上海天然氣管網(wǎng)有限公司等九家企業(yè)，實(shí)現(xiàn)適度開放市場并引入競爭。2003年組建上海燃?xì)猓瘓F(tuán)）有限公司，為申能（集團(tuán)）有限公司全資子公司，負(fù)責(zé)全市燃?xì)獍踩a(chǎn)、服務(wù)供應(yīng)和投資建設(shè)任務(wù)，為天然氣大規(guī)模進(jìn)入上海后的統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一管理打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(dāng)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(biāo)不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)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(biāo)不滿足標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)要求。從整體趨勢看，當(dāng)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(qiáng)，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(biāo)要求。當(dāng)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(biāo)不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。從整體趨勢看，當(dāng)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(tǒng)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(tǒng)無業(yè)務(wù)只發(fā)射參考信號情況下(LTE系統(tǒng)頻帶設(shè)為935～950 MHz時，不符合運(yùn)營商部署，RRU設(shè)備不允許在該頻段下終端接入)，對GSM-R系統(tǒng)傳輸干擾時間和傳輸無差錯時間無影響。

3.3 分組域業(yè)務(wù)測試數(shù)據(jù)

選擇LTE終端接收電平為-40 dBm時，即LTE系統(tǒng)存在較大干擾時，不同GSM-R覆蓋強(qiáng)度下的128字節(jié)UDP包平均數(shù)據(jù)傳送延遲、1024字節(jié)UDP包平均數(shù)據(jù)傳送延遲和數(shù)據(jù)吞吐量的測試結(jié)果見圖7～圖9。

圖7 不同GSM-R終端接收電平下UDP128字節(jié)分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平均傳送延遲影響

圖8 不同GSM-R終端接收電平下UDP1024字節(jié)分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平均傳送延遲影響

結(jié)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(tǒng)的UDP傳輸延遲沒有影響。當(dāng)GSM-R接收低電平>65 dbm時，存在較強(qiáng)LTE信號，會增加UDP傳輸延遲。有無LTE信號，GSM-R系統(tǒng)128字節(jié)和1 024字節(jié)的UDP數(shù)據(jù)平均延遲分別<0.5 s和<2 s，按照《鐵路通信維護(hù)規(guī)則》評價，數(shù)據(jù)傳輸平均延遲等級評定均為1級。

從圖9可以看出，當(dāng)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(tǒng)平均數(shù)據(jù)吞吐量沒有明顯變化，按照《鐵路通信維護(hù)規(guī)則》評價，數(shù)據(jù)吞吐量等級評定均為5級。

3.4 測試結(jié)果分析

(1)當(dāng)900 MHz LTE-FDD系統(tǒng)信號電平≤-40 dBm時，GSM-R系統(tǒng)語音業(yè)務(wù)中呼叫建立時間及呼叫失敗概率滿足GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求；

(2)當(dāng)900 MHz LTE-FDD系統(tǒng)信號電平≤-40 dBm時，GSM-R系統(tǒng)列車控制類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中連接建立時間、連接建立失敗概率和最大端到端數(shù)據(jù)延遲均滿足GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)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(tǒng)，當(dāng)LTE信號電平<-60 dbm時，對GSM-R系統(tǒng)列車控制類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中傳輸干擾時間和傳輸無差錯時間指標(biāo)無影響，當(dāng)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(dāng)900 MHz LTE-FDD系統(tǒng)信號電平≤-40 dBm時，對GSM-R系統(tǒng)分組域平均數(shù)據(jù)傳輸延遲和數(shù)據(jù)吞吐量評定等級無影響。

4 結(jié)論

為評估公網(wǎng)運(yùn)營商對900 MHz頻段重耕對鐵路GSM-R系統(tǒng)可能造成的影響，首先在實(shí)驗(yàn)室搭建了900 MHz LTE-FDD系統(tǒng)干擾下的GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量測試系統(tǒng)，測試了不同頻帶配置和不同干擾強(qiáng)度下，LTE-FDD系統(tǒng)對GSM-R系統(tǒng)語音、列車控制類數(shù)據(jù)傳輸和分組域數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的影響，得到以下結(jié)論。

(1)根據(jù)GSM-R語音呼叫建立時間、呼叫失敗概率、列車運(yùn)行控制類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)連接建立時間、連接建立失敗概率、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)最大端到端延遲5個指標(biāo)測試結(jié)果來看，于935～950 MHz部署LTE-FDD系統(tǒng)，不會對GSM-R系統(tǒng)造成顯著影響。

(2)在935～945 MHz部署LTE-FDD系統(tǒng)，可能會對GSM-R系統(tǒng)傳輸干擾率及傳輸無差錯時間等指標(biāo)造成負(fù)面影響，導(dǎo)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(tǒng)傳輸干擾指標(biāo)的影響會隨著LTE-FDD系統(tǒng)信號電平強(qiáng)度的降低而減弱，在935～945 MHz部署LTE-FDD系統(tǒng)應(yīng)該與鐵路保持隔離距離。

(3)當(dāng)GSM-R系統(tǒng)與LTE-FDD系統(tǒng)保護(hù)頻帶>11 MHz時，LTE干擾不會對GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)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(tǒng)。