900 MHz频段LTE-FDD系统部署对GSM-R系统影响实验研究

孟景辉,赵 波,杨树忠,林思雨

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所,北京 100081； 2.中国国家铁路集团有限公司工电部,北京 100844； 3.北京交通大学电子信息工程学院,北京 100044)

1 概述

为保证铁路运输安全，我国无线电管理部门将885～889 MHz以及930～934 MHz作为铁路数字移动通信系统(GSM-R)的专用频率，而GSM-R系统的邻频频段890～915 MHz及935～950 MHz由公网运营商使用。根据相关研究结果，公网运营商在该频段布置GSM系统时，若频点配置不当或发射功率过强，则可能会对铁路GSM-R系统造成互调干扰、阻塞干扰和杂散干扰等影响[1-7]。铁路维护单位为保证GSM-R系统的正常运用，采用基于实时频谱或频谱扫描的检测方法以及基于服务质量的干扰判别方法来定位外界干扰源。针对公网运营商网络干扰GSM-R系统的问题，采用加装滤波器和优化运营商网络频点配置等方法进行解决[8-11]。

随着宽带移动通信技术的发展，同时为提高频率使用率，公网运营商开始重耕GSM-R系统的邻频频段[12-15]，部署了窄带物联网系统和宽带LTE系统，使得GSM-R网络受到的系统外干扰更加复杂[16-18]。目前，还没有关于900 MHz部署LTE系统对GSM-R系统的影响研究。

基于实验室环境，按照GSM-R系统检测规范，对不同频段和不同接收电平的900 MHz LTE-FDD系统配置下GSM-R系统电路域和分组域业务分别进行测试，通过对不同测试指标的分析，明确了900 MHz部署LTE-FDD系统对GSM-R系统服务质量可能产生的影响。

2 测试对象

2.1 测试环境

测试环境由实验室内的GSM-R系统和900MHz LTE-FDD系统共同组成，如图1所示。GSM-R系统包括GSM-R终端、天线、可调衰减器、基站子系统、核心网和应用服务器。LTE-FDD系统包括LTE终端、天线、可调衰减器、基站子系统、核心网和应用服务器。频谱分析仪用于监测GSM-R终端和LTE终端接收电平情况。

图1 实验室测试环境示意

将GSM-R系统下行(终端接收)部署在930～934 MHz频段，LTE-FDD系统在935～950 MHz频段部署，按5，10，15 MHz带宽分别配置，见表1。

表1 LTE-FDD系统频段配置

GSM-R系统及LTE-FDD系统的发射功率均按照步进5 dB方式调整，GSM-R终端接收电平的调整范围是-80～-50 dbm，LTE终端接收电平的调整范围是-70～-40 dbm。

2.2 测试对象

GSM-R作为铁路专用通信系统，其电路域(Circuit Switch Data，CSD)系统主要承载调度通话业务及列车运行控制数据业务，而通用分组无线服务(General Packet Radio Service，GPRS)系统主要承载各种调度信息和列车状态监测数据业务。

按照TB 10430—2014《铁路数字移动通信系统(GSM-R)工程检测规程》，分别对GSM-R系统承载的语音业务、列车运行控制类数据业务及分组交换数据业务的服务质量指标进行测试[19]，GSM-R系统服务质量测试示意如图2所示，测试点在Igsm。

图2 GSM-R网络服务质量测试示意

2.3 测试指标选取

为分析不同LTE-FDD系统配置对GSM-R系统服务质量的影响程度，参考TG/TX 106-2014《铁路通信维护规则》，采用表2指标要求[20]对影响程度进行判定。其中，分组域服务质量在维护标准中只有等级评定标准，没有合格判定标准，数据分析时按照测试指标数据的变化分析是否存在影响。

表2 GSM-R系统服务质量指标及要求

列车控制类数据业务中GSM-R系统的传输干扰时间以及传输无差错时间的测试，需模拟GSM-R终端在小区间的切换过程。按照CTCS-3线路平均基站间距约3 km计算，当列车时速350 km时，每30 s进行一次切换。实验室测试时，每30 s降低当前服务基站的发射功率，提高目标基站的发射功率，完成GSM-R终端的切换测试。其他指标测试均在静态环境下进行。

3 测试数据及结果分析

3.1 语音业务测试数据

在不同GSM-R及LTE-FDD覆盖情况下，GSM-R系统语音业务呼叫建立失败概率均为0，<5 s和<7.5 s的语音呼叫建立时间分别>95%和>99%，均满足表2中相关指标要求。

3.2 列车控制类数据业务测试数据

在不同GSM-R及LTE-FDD覆盖情况下，GSM-R系统列车运行控制类数据业务连接建立失败概率均为0，<8.5 s和<10 s的列车运行控制类数据业务连接建立时间均为100%，最大端到端传输延迟<500 ms的概率达到100%，均满足表2中指标要求。

不同LTE频段及接收电平的情况下，传输干扰时间<0.8 s、<1 s和传输无差错时间>7 s、>20 s的百分比见图3～图6。

2）燃气方面，上海燃气行业体制经历了三轮重大改革，1997年撤销上海市煤气公司，成立上海煤气制气（集团）有限公司和上海煤气销售（集团）有限公司，实现制气和销售分离。2000年进一步撤销上述2家单位，成立上海天然气管网有限公司等九家企业，实现适度开放市场并引入竞争。2003年组建上海燃气（集团）有限公司，为申能（集团）有限公司全资子公司，负责全市燃气安全生产、服务供应和投资建设任务，为天然气大规模进入上海后的统一建设、统一管理打下了扎实的基础。

图3 不同LTE频段和电平对GSM-R电路域传输干扰时间<0.8 s指标影响

图4 不同LTE频段和电平对GSM-R电路域传输干扰时间<1 s指标影响

图5 不同LTE频段和电平对GSM-R电路域传输无差错时间>7 s指标影响

图6 不同LTE频段和电平对GSM-R电路域传输无差错时间>20 s指标影响

从图3可以看出，不同LTE频段及接收电平情况下，传输干扰时间<0.8 s的百分比均大于95%，满足表2中指标要求。

从图4可以看出，不同LTE频段及接收电平情况下，传输干扰时间<1 s的百分比大部分>99%，除个别情况外基本满足表2中要求。当LTE 935～945 MHz频段接收信号电平≥-60 dBm时，传输干扰时间<1 s指标不满足标准要求；当LTE 935～940 MHz频段接收信号电平≥-45 dBm时，传输干扰时间<1 s指标不满足标准要求。

从图5可以看出，不同LTE频段及接收电平情况下，传输无差错时间>7 s百分比均小于99%，不满足表2中指标要求。从整体趋势看，当LTE接收信号电平≥-60 dbm时，传输无差错时间>7 s百分比开始下降，随着干扰信号增强，LTE信号为935～940 MHz和935～945 MHz频段，传输无差错时间>7 s百分比有明显下降。

从图6可以看出，不同LTE频段，接收电平≤-65 dbm情况下，传输无差错时间>20 s百分比大于95%，满足表2中指标要求。当935～940 MHz和935～945 MHz频段LTE信号接收电平≥-60 dbm和940～945 MHz和940～950 MHz频段LTE信号接收电平≥-45 dbm时，传输无差错时间>20 s指标不满足标准要求。从整体趋势看，当LTE接收信号电平增大时，传输无差错时间>20 s百分比开始下降。

综合图3～图6可以看出，LTE信号为945～950 MHz频段，接收电平≤-40 dbm情况下，对GSM-R系统传输干扰时间和传输无差错时间无影响。LTE信号为935～50 MHz频段，系统无业务只发射参考信号情况下(LTE系统频带设为935～950 MHz时，不符合运营商部署，RRU设备不允许在该频段下终端接入)，对GSM-R系统传输干扰时间和传输无差错时间无影响。

3.3 分组域业务测试数据

选择LTE终端接收电平为-40 dBm时，即LTE系统存在较大干扰时，不同GSM-R覆盖强度下的128字节UDP包平均数据传送延迟、1024字节UDP包平均数据传送延迟和数据吞吐量的测试结果见图7～图9。

图7 不同GSM-R终端接收电平下UDP128字节分组交换数据业务平均传送延迟影响

图8 不同GSM-R终端接收电平下UDP1024字节分组交换数据业务平均传送延迟影响

结合图7、图8可以看出，GSM-R接收电平在65 dbm以下时，有无LTE干扰，对GSM-R系统的UDP传输延迟没有影响。当GSM-R接收低电平>65 dbm时，存在较强LTE信号，会增加UDP传输延迟。有无LTE信号，GSM-R系统128字节和1 024字节的UDP数据平均延迟分别<0.5 s和<2 s，按照《铁路通信维护规则》评价，数据传输平均延迟等级评定均为1级。

从图9可以看出，当LTE终端接收电平≤-40 dBm时，不同GSM-R接收电平情况下，GSM-R系统平均数据吞吐量没有明显变化，按照《铁路通信维护规则》评价，数据吞吐量等级评定均为5级。

3.4 测试结果分析

(1)当900 MHz LTE-FDD系统信号电平≤-40 dBm时，GSM-R系统语音业务中呼叫建立时间及呼叫失败概率满足GSM-R网络服务质量要求；

(2)当900 MHz LTE-FDD系统信号电平≤-40 dBm时，GSM-R系统列车控制类数据业务中连接建立时间、连接建立失败概率和最大端到端数据延迟均满足GSM-R网络服务质量要求；

(3)在935～940 MHz、940～945 MHz、935～940 MHz及940～950 MHz频段配置LTE-FDD系统，当LTE信号电平<-60 dbm时，对GSM-R系统列车控制类数据业务中传输干扰时间和传输无差错时间指标无影响，当LTE信号电平>-60 dbm时，会对传输干扰时间和传输无差错时间造成不良影响；

(4)当900 MHz LTE-FDD系统信号电平≤-40 dBm时，对GSM-R系统分组域平均数据传输延迟和数据吞吐量评定等级无影响。

4 结论

为评估公网运营商对900 MHz频段重耕对铁路GSM-R系统可能造成的影响，首先在实验室搭建了900 MHz LTE-FDD系统干扰下的GSM-R网络服务质量测试系统，测试了不同频带配置和不同干扰强度下，LTE-FDD系统对GSM-R系统语音、列车控制类数据传输和分组域数据传输业务服务质量的影响，得到以下结论。

(1)根据GSM-R语音呼叫建立时间、呼叫失败概率、列车运行控制类数据业务连接建立时间、连接建立失败概率、数据业务最大端到端延迟5个指标测试结果来看，于935～950 MHz部署LTE-FDD系统，不会对GSM-R系统造成显著影响。

(2)在935～945 MHz部署LTE-FDD系统，可能会对GSM-R系统传输干扰率及传输无差错时间等指标造成负面影响，导致传输干扰时间变长、传输无差错时间变短，同时对GSM-R系统传输干扰指标的影响会随着LTE-FDD系统信号电平强度的降低而减弱，在935～945 MHz部署LTE-FDD系统应该与铁路保持隔离距离。

(3)当GSM-R系统与LTE-FDD系统保护频带>11 MHz时，LTE干扰不会对GSM-R网络服务质量造成影响，因此可以在铁路沿线945 MHz以上频段部署LTE系统。