瑞典鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)實(shí)施情況的研究

1 瑞典鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)實(shí)施現(xiàn)狀

瑞典GSM-R網(wǎng)絡(luò)于1997年建網(wǎng)，2000年提供業(yè)務(wù)，2010年提供列控業(yè)務(wù)。規(guī)劃里程為：承載話音業(yè)務(wù)線路11 000 km，承載ETCS2級(jí)業(yè)務(wù)1 500 km，ETCS3級(jí)業(yè)務(wù)140 km。網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式為單網(wǎng)交織覆蓋，部分ETCS2級(jí)線路采用雙層覆蓋方式，覆蓋電平（95%）滿足-82/-91 dBm。

全網(wǎng)建有1個(gè)核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（MSC/HLR/IN/NMC），1 200個(gè)BTS，11個(gè)BSC，250個(gè)直放站，全部設(shè)備由諾西提供，核心網(wǎng)軟件版本采用SR-14，無線軟件版本采用RG10。

全網(wǎng)約有7 000個(gè)用戶（不包括國(guó)外列車GSM-R用戶），平均每月承擔(dān)400 000個(gè)呼叫。2011年8月，全網(wǎng)業(yè)務(wù)中組呼為369個(gè)，占全部呼叫的0.14%；ETCS業(yè)務(wù)1 410個(gè)，占全部呼叫的0.47%。

全網(wǎng)共有2 700個(gè)機(jī)車臺(tái)，列控?cái)?shù)據(jù)專用終端（EDOR）80套，GPH設(shè)備1 889臺(tái)，OPH設(shè)備349臺(tái)。

恩舍爾茲維克（?rnsk?ldsvik）——于默奧（Ume?）線路ETCS2級(jí)業(yè)務(wù)應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)如下表1所示。

表1 恩舍爾茲維克——于默奧線路ETCS2級(jí)業(yè)務(wù)應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)

下一步主要工作：建設(shè)第二個(gè)MSC；實(shí)現(xiàn)HLR地理冗余；確定是否采用R4架構(gòu)；與CW1簽訂分析、測(cè)試及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工具的采購(gòu)合同。

2 影響GSM-R終端的主要問題

2.1 公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的干擾發(fā)射

2009年以前GSM-R系統(tǒng)的信號(hào)電平滿足的條件（見圖1）如下。

*相鄰基站的交叉點(diǎn)電平為-82 dBm/200 kHz。

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

為滿足GSM-R系統(tǒng)的各項(xiàng)業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)的信噪比需大于12 dB。1999年至2010年間，GSM-R頻帶內(nèi)的噪聲電平一般低于-110 dBm/200 kHz，保證了GSM-R系統(tǒng)較高的質(zhì)量。由于采用GSM技術(shù)的900 MHz頻段公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)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(nèi)的信噪比可達(dá)到20 dB。噪聲主要來自GSM-R系統(tǒng)內(nèi)的相鄰基站。

技術(shù)中立許可允許UMTS和LTE等技術(shù)使用900MHz頻段，根據(jù)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(huì)（PTS）制定GSM-R頻段的保護(hù)許可條件。這就意味著來自公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如UMTS和LTE）的發(fā)射信號(hào)會(huì)進(jìn)入到GSM-R頻段，成為GSM-R系統(tǒng)終端的噪聲（見圖2）。

瑞典運(yùn)輸管理局與PTS聯(lián)合評(píng)估了GSM-R 900 MHz頻段內(nèi)的公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)干擾，評(píng)估結(jié)果顯示，公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)干擾信號(hào)在低于-107 dBm/200 kHz的情況下不會(huì)對(duì)GSM-R系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。根據(jù)PTS對(duì)GSM-R系統(tǒng)的保護(hù)決議，-107 dBm/200 kHz是公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商必須遵循的電平標(biāo)準(zhǔn)。最近，公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商和瑞典運(yùn)輸管理局重新達(dá)成共識(shí)，在提前6個(gè)月向瑞典運(yùn)輸管理局發(fā)出公告后，使用925～930 MHz頻段的公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)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(wǎng)運(yùn)營(yíng)商可將干擾功率電平提高到-98 dBm/200 kHz。

2.2 強(qiáng)寬帶信號(hào)

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(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如UMTS和LTE）的寬帶信號(hào)。終端接收器受到強(qiáng)寬帶信號(hào)的限制。

早期GSM和GSM-R的規(guī)范出臺(tái)時(shí)并沒有考慮3G和4G的信號(hào)，GSM-R終端的接收范圍為整個(gè)900 MHz頻段（876～915/921～960 MHz，見圖3）?？梢栽贕SM-R網(wǎng)絡(luò)實(shí)施過程中使用公共GSM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（漫游），也可以在沒有進(jìn)行GSM-R擴(kuò)展規(guī)劃的線路上使用公共網(wǎng)絡(luò)。

瑞典運(yùn)輸管理局對(duì)不同的GSM-R機(jī)車臺(tái)進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量表明，與來自窄帶系統(tǒng)的干擾相比，機(jī)車臺(tái)對(duì)來自寬帶移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如UMTS和LTE）的干擾更加敏感。當(dāng)被電平為-33 dBm/5 MHz的UMTS系統(tǒng)寬帶信號(hào)干擾時(shí)，GSM-R終端接收誤碼非常嚴(yán)重（RXQuality4-5）。相比之下，帶寬較窄的其他GSM系統(tǒng)的干擾電平達(dá)到-5 dBm/200 kHz時(shí)，GSM-R終端接收誤碼才會(huì)達(dá)到RXQuality4-5。RXQuality4-5通常導(dǎo)致掉話。

有關(guān)900 MHz頻帶寬帶技術(shù)基本情況的報(bào)告（例如CEPT EC 96）并沒有詳細(xì)說明其對(duì)GSM-R系統(tǒng)產(chǎn)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)的最大發(fā)射功率。

1）對(duì)于使用925～930 MHz頻帶的運(yùn)營(yíng)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)925～930 MHz頻段的基站或直放站信號(hào)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(duì)于使用930～960 MHz頻帶的運(yùn)營(yíng)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)930～960 MHz頻段的基站或直放站信號(hào)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(hù)，接收925～960 MHz頻帶內(nèi)公網(wǎng)信號(hào)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)的干擾發(fā)射和強(qiáng)寬帶信號(hào)兩方面的頻率干擾。PTS提出了對(duì)公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的限制，但是對(duì)GSM-R只是暫時(shí)性的不完全保護(hù)，2015年6月30日后，保護(hù)大幅降低。這就要求GSM-R網(wǎng)絡(luò)和終端需采取實(shí)質(zhì)性的措施。

3.1 特殊處理互操作性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

在提出正式的修改之前需要在互操作性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)“命令控制和信令”中做特殊處理。

瑞典運(yùn)輸管理局從EIRENE規(guī)范中為機(jī)車臺(tái)和EDOR申請(qǐng)國(guó)家特許，包括以下內(nèi)容。

EIRENE SRS 1.4.3.2節(jié)“頻率”

機(jī)車臺(tái)和EDOR的天線系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有防護(hù)濾波功能或?yàn)V波器。防護(hù)濾波功能或?yàn)V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(hù)濾波功能或?yàn)V波器應(yīng)與互操作性技術(shù)規(guī)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(jié)“覆蓋”

由于設(shè)備老化而預(yù)留的3 dB衰減的余量，很可能還包括外部防護(hù)濾波器帶來的濾波插損（約1～2 dB）。這就意味著使用防護(hù)濾波功能或外部防護(hù)濾波器不會(huì)影響既有GSM-R網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)規(guī)劃。

EIRENE SRS 4.2.1節(jié)“無線接口”

機(jī)車臺(tái)和EDOR的天線系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有防護(hù)濾波功能或?yàn)V波器。防護(hù)濾波功能或?yàn)V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(jié)“引言”

由于具有防護(hù)濾波功能或者濾波器，GSM-R終端不會(huì)漫游到900 MHz頻段的公共GSM網(wǎng)絡(luò)。

從互操作性的角度看，互操作性技術(shù)規(guī)范“控制命令及信令”中的特例如下。

對(duì)于具有防護(hù)濾波功能或?yàn)V波器并且在挪威、丹麥和德國(guó)運(yùn)行的瑞典列車，由于具有優(yōu)于當(dāng)前的抗干擾保護(hù)，其抗干擾性能將會(huì)有很大改善。目前，在國(guó)外運(yùn)行的瑞典列車不會(huì)通過全國(guó)漫游至公共GSM網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)于運(yùn)行在瑞典的國(guó)外列車，PTS的決議意味著瑞典GSM-R系統(tǒng)對(duì)于這些列車的服務(wù)無法得到保證。瑞典運(yùn)輸管理局無法要求國(guó)外列車安裝GSM-R防護(hù)濾波功能或?yàn)V波器，但可以進(jìn)行特例申請(qǐng)，如敦促瑞典運(yùn)輸管理局與ERA（歐洲鐵路機(jī)構(gòu)）共同迅速做出修改決定，以保護(hù)國(guó)際交通中的列車不受公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的干擾。

3.2 終端增設(shè)濾波器

在暫時(shí)性保護(hù)期間（至（含）2015年6月30日），還需要對(duì)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(hù)濾波器或使用保護(hù)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(hù)濾波器是外置的，因此不需要修改ETSI標(biāo)準(zhǔn)，僅需要修改鐵路部門（如ERA）有權(quán)限修改的標(biāo)準(zhǔn)（如EIRENE）。

安裝GSM-R防護(hù)濾波功能或?yàn)V波器不會(huì)影響瑞典列車在國(guó)外的運(yùn)行，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)漫游到國(guó)外公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。而且這些列車的運(yùn)行情況將會(huì)有所改善，因?yàn)楦蓴_風(fēng)險(xiǎn)降低了。然而沒有GSM-R防護(hù)濾波功能或?yàn)V波器的國(guó)外列車進(jìn)入瑞典，會(huì)有很大的干擾風(fēng)險(xiǎn)，互操作性也不能得到保證。不過整體情況將會(huì)有所改善，因?yàn)樵谌鸬滂F路線上運(yùn)行的大部分列車都得到了保護(hù)。沒有GSM-R防護(hù)濾波功能或?yàn)V波器的列車，可能會(huì)出現(xiàn)停車或晚點(diǎn)的情況。

安裝外置的GSM-R防護(hù)濾波器，無需更改機(jī)車臺(tái)和EDOR。

3.3 提高信號(hào)電平

GSM-R頻段內(nèi)，公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)射的電平值高達(dá)-95 dBm/200 kHz的干擾信號(hào)阻礙了GSM-R系統(tǒng)基站間的全冗余覆蓋。瑞典運(yùn)輸管理局決定將GSM-R系統(tǒng)的信號(hào)電平至少提高12 dB以維持當(dāng)前的冗余覆蓋。

3.4 修改互操作性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

修改互操作性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)“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(jī)車臺(tái)和EDOR濾波，EIRENE規(guī)范需要進(jìn)行修改。

瑞典運(yùn)輸管理局建議如下。

下列應(yīng)適用于機(jī)車臺(tái)和EDOR：

EIRENE SRS 1.4.3.2節(jié)“頻率”

1.4.3.2頻率：設(shè)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(chǎn)的設(shè)備應(yīng)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(kuò)展GSM（E-GSM）頻段。

EIRENE SRS 3.2節(jié)“覆蓋”

3.2 覆蓋

3.2.1：對(duì)于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，覆蓋電平定義為車頂天線處（通常高于軌面4 m）的場(chǎng)強(qiáng)。假設(shè)全向天線的增益為0 dBi。在覆蓋區(qū)內(nèi)該標(biāo)準(zhǔn)將滿足一定概率。（目標(biāo)覆蓋功率電平取決于實(shí)際傳播條件帶來的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)）（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(guó)家允許的鄰頻段所發(fā)射的最大帶外信號(hào)（干擾發(fā)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(guó)家允許的鄰頻段所發(fā)射的最大帶外信號(hào)（干擾發(fā)射）12 dB，或是以下情況：

3.2.4：網(wǎng)絡(luò)中的EIRENE移動(dòng)安裝應(yīng)符合3.2.2和3.2.3中的標(biāo)準(zhǔn)

注1：指定的覆蓋概率是指至少95%的概率下每個(gè)采樣點(diǎn)（間隔100 m）測(cè)量的覆蓋電平應(yīng)大于或等于以上數(shù)值。上述指定的覆蓋電平考慮了天線和接收機(jī)之間的最大3 dB損耗，以及老化等原因產(chǎn)生的3dB附加余量。如果總損耗不超過3 dB，外部防護(hù)濾波功能設(shè)備或?yàn)V波器可以安裝在天線和接收機(jī)之間（I）。

注2：需要驗(yàn)證ETCS 2/3級(jí)列控線路有關(guān)覆蓋電平和限速的值，如有必要，首次實(shí)施ETCS后將進(jìn)行評(píng)審（I）。

EIRENE SRS 4.2節(jié)“無線接口”

4.2 無線接口

4.2.1 所有移動(dòng)設(shè)備應(yīng)工作在以下頻段：

表4-1 頻率波段

201Y-YY-YY以后生產(chǎn)的設(shè)備應(yīng)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(kuò)展GSM（E-GSM）頻段。

EIRENE FRS 4.1.3節(jié)“引言”

4.1.3:所有移動(dòng)設(shè)備應(yīng)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(dòng)設(shè)備可工作在頻段880～915/925～960 MHz（O）。

3.5 建議公網(wǎng)基站安裝濾波器

建議公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商在基站安裝“限制信號(hào)發(fā)射濾波器”，降低基站的輸出功率，或?qū)⒒窘⒃谶h(yuǎn)離鐵路的區(qū)域，這樣就可以將干擾發(fā)射限制在-95/-98 dBm/200 kHz以下。

4 經(jīng)濟(jì)成本

將GSM-R系統(tǒng)的信號(hào)提高12 dB，以應(yīng)對(duì)公用干擾發(fā)射的電平提升，估計(jì)成本接近1 500～2 000萬歐元。

GSM-R終端防護(hù)濾波功能或?yàn)V波器的快速實(shí)施，可以使公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商較早獲得更高的基站輸出功率。在機(jī)車臺(tái)和EDOR安裝GSM-R防護(hù)濾波功能或?yàn)V波器需獲得多方經(jīng)濟(jì)支持。沒有經(jīng)濟(jì)支持，鐵路部門就不得不自己解決成本，估計(jì)成本為800～1 000萬歐元。

若不允許GSM-R終端安裝防護(hù)濾波功能或?yàn)V波器，瑞典鐵路的GSM-R和ERTMS運(yùn)營(yíng)將非常危險(xiǎn)，成本也不可估計(jì)。這將給鐵路運(yùn)營(yíng)帶來問題，列車晚點(diǎn)或取消，意外事故風(fēng)險(xiǎn)增加，最終將導(dǎo)致鐵路系統(tǒng)無法管理。