2 100 MHz頻段鐵路5G專網(wǎng)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(tǒng)從20世紀60年代開始，歷經(jīng)450 MHz無線列調(diào)、900 MHz鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）等技術制式，承載了列車運行控制、行車調(diào)度指揮等業(yè)務，至今已形成全程全網(wǎng)的規(guī)模，是保障鐵路運輸安全生產(chǎn)的重要手段。隨著智能鐵路的發(fā)展，多媒體調(diào)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(yè)務需求不斷拓展，既有鐵路移動通信系統(tǒng)的承載能力不足、頻率資源緊張、產(chǎn)業(yè)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(fā)展的必然趨勢。

無線電頻率是鐵路移動通信技術創(chuàng)新發(fā)展的基礎和先決條件。根據(jù)國際電信聯(lián)盟技術研究組對各國鐵路移動通信系統(tǒng)使用情況的統(tǒng)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(tǒng)?？紤]到低頻段頻率資源有限且處于碎片化分配的狀態(tài)［2］，鐵路移動通信系統(tǒng)向中高頻段進行遷移是發(fā)展的必然趨勢。德國計劃2029年開始大規(guī)模部署900 MHz/1.9 GHz/3.7 GHz頻段第五代移動通信系統(tǒng)（5G系統(tǒng)）［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(tǒng)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(tǒng)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(guī)劃2 100 MHz頻段用于移動通信業(yè)務，但目前尚未分配。與公網(wǎng)運營商5G系統(tǒng)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(xiàn)有GSM-R的基站站址，降低鐵路5G專網(wǎng)的建設成本。

2 100 MHz可申請頻段與中國聯(lián)通第四代移動通信系統(tǒng)（聯(lián)通LTE系統(tǒng)）和天通衛(wèi)星通信系統(tǒng)（簡稱衛(wèi)星系統(tǒng)）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(fā)射機除占用主信道外，在相鄰頻段會產(chǎn)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(tǒng)間干擾可能導致通信鏈路可靠性降低，所承載的業(yè)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(wǎng)的電磁兼容特性進行研究是非常必要的。通過調(diào)研2 100 MHz頻段的頻譜分配情況，對鐵路移動通信系統(tǒng)與衛(wèi)星系統(tǒng)、聯(lián)通LTE系統(tǒng)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(nèi)，下端與聯(lián)通LTE系統(tǒng)頻率相鄰，兩者之間沒有頻率保護間隔；上端與衛(wèi)星系統(tǒng)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(wèi)星系統(tǒng)頻率的電磁兼容分析

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

我國工業(yè)和信息化部規(guī)定［7-8］，2 100 MHz頻段的FDD系統(tǒng)基站每個端口在2 170～2 200 MHz頻段內(nèi)無用發(fā)射應小于-65 dBm/MHz。

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

2.2 與聯(lián)通LTE系統(tǒng)頻率的電磁兼容分析

鐵路2 100 MHz目標頻段與聯(lián)通LTE系統(tǒng)處于3GPP定義的Band 1/n1頻段，基站和終端產(chǎn)品均按照同一頻段的射頻指標進行設計，系統(tǒng)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(lián)通基站、鐵路終端與聯(lián)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(tǒng)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(lián)通系統(tǒng)與鐵路通信系統(tǒng)干擾情況示意圖

在此重點分析聯(lián)通終端發(fā)射對鐵路基站接收、聯(lián)通基站發(fā)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(tǒng)間干擾:（1）發(fā)射與接收設備的空間隔離方式，即聯(lián)通基站與鐵路終端、鐵路基站與聯(lián)通終端之間進行空間隔離；（2）鐵路基站與聯(lián)通基站鄰近部署。

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

3GPP規(guī)范中分別定義了鄰道泄漏比（ACLR）和鄰道選擇性（ACS）參數(shù)。ACLR表示發(fā)射機產(chǎn)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(guī)范定義了鄰信道干擾功率比（ACIR）參數(shù):ACIR=1/（1/ACLR+1/ACS），用于評價發(fā)射機產(chǎn)生的干擾信號對相鄰頻段其他系統(tǒng)接收機的影響。

表1 干擾場景、規(guī)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(shù)

根據(jù)3GPP規(guī)范TS 36.104和3GPP TS 36.101，基站發(fā)射機的ACLR=44.2 dB、基站接收機的ACS=43.5 dB；終端發(fā)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(shù)比3GPP標準要求提高10 dB以上，終端設備ACLR和ACS參數(shù)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(shù)見表3。

表3 聯(lián)通LTE系統(tǒng)干擾鐵路通信系統(tǒng)的參數(shù) dB

2.2.2 聯(lián)通終端干擾鐵路基站

聯(lián)通終端干擾鐵路基站示意見圖3，當聯(lián)通終端離聯(lián)通基站較遠、離鐵路基站較近時，聯(lián)通終端發(fā)射信號的功率較強，對鐵路基站的接收信號產(chǎn)生干擾，導致鐵路基站底噪被抬升、靈敏度降低。根據(jù)聯(lián)通終端位置不同，可以分為車內(nèi)終端和地面終端2類。兩者的區(qū)別在于，車內(nèi)聯(lián)通終端產(chǎn)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(lián)通終端干擾鐵路基站示意圖

（1）通過聯(lián)通終端與鐵路基站空間隔離避免干擾的技術要求。聯(lián)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(lián)通終端泄漏到鐵路頻帶內(nèi)的鄰道干擾功率；Ibs為鐵路基站頻帶內(nèi)允許的最大干擾功率。

對于聯(lián)通終端，其產(chǎn)生的鄰道干擾功率Iadj-ue計算如下:

式中:Pmax-ue為聯(lián)通終端最大發(fā)射功率；Bw為帶寬轉(zhuǎn)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(lián)通終端的天線增益；Ptr為列車車廂的車體損耗。地面聯(lián)通終端產(chǎn)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(lián)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(jù)表4、表5和式（1），可以計算出聯(lián)通終端（包括車內(nèi)終端和地面終端）與鐵路基站的空間隔離度。根據(jù)3GPP TR 36.942中的宏小區(qū)郊區(qū)和城區(qū)模型，為了避免鄰道干擾，郊區(qū)場景下聯(lián)通終端與鐵路基站之間的空間隔離距離最小為97 m（聯(lián)通終端位于車內(nèi)）或497 m（聯(lián)通終端位于地面）；城區(qū)場景下聯(lián)通終端與鐵路基站之間的空間隔離距離最小為24 m（聯(lián)通終端位于車內(nèi)）或122 m（聯(lián)通終端位于地面）。

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

為了確定聯(lián)通基站與鐵路基站允許的最大間距，首先假設聯(lián)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(lián)通終端的發(fā)射功率取決于聯(lián)通基站的位置。具體來說，聯(lián)通終端與聯(lián)通基站的距離越近，其發(fā)射功率越小，對鐵路基站的干擾也越小。根據(jù)鐵路基站允許的最大干擾功率，確定聯(lián)通終端允許的最大發(fā)射功率。然后根據(jù)聯(lián)通終端發(fā)射功率與路徑損耗的關系，計算出聯(lián)通終端（與鐵路基站位置相同）與聯(lián)通基站的最大距離。

聯(lián)通終端產(chǎn)生的鄰道干擾功率Iadj-ue計算如下:

式中:Pue為聯(lián)通終端發(fā)射功率；Pc為聯(lián)通終端與鐵路基站的耦合損耗。計算過程見表6?？梢钥闯?，聯(lián)通終端產(chǎn)生的鄰道干擾功率與發(fā)射功率Pue密切相關。

表6 聯(lián)通終端產(chǎn)生的鄰道干擾計算

接下來分析聯(lián)通終端的發(fā)射功率Pue與路徑損耗的關系。在實際系統(tǒng)中，聯(lián)通終端的發(fā)射功率Pue的計算如下:

式中:P1為半靜態(tài)功率基數(shù)；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(diào)度和整體頻譜效率。當α的取值為0.7～0.8時，既能讓系統(tǒng)接近最大容量，又避免小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率過多地下降。P1取典型值-85 dBm，α取典型值0.8。

由于聯(lián)通終端產(chǎn)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(shù)，可得車內(nèi)聯(lián)通終端PL≤129.28，地面聯(lián)通終端路徑損耗PL≤98.03。

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

2.2.3 聯(lián)通基站干擾鐵路終端

當鐵路終端離鐵路基站較遠、而離聯(lián)通基站較近時（見圖4），接收到的聯(lián)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(diào)門限，會出現(xiàn)通信中斷。

圖4 聯(lián)通基站干擾鐵路終端

（1）通過聯(lián)通基站與鐵路終端的空間隔離避免干擾的技術要求。聯(lián)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(lián)通基站泄漏到鐵路終端頻帶內(nèi)的鄰道干擾功率；Iue為鐵路終端允許的最大干擾功率。

聯(lián)通基站產(chǎn)生的鄰道干擾功率Iadj-bs計算如下:

式中:Pmax-bs為聯(lián)通基站的最大發(fā)射功率。計算過程見表7。

表7 聯(lián)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(jù)表7、表8和式（6），可以計算出聯(lián)通基站與鐵路終端所需的空間隔離度。根據(jù)3GPP TR 36.942中的宏小區(qū)郊區(qū)和城區(qū)模型，為了避免鄰道干擾，郊區(qū)場景下聯(lián)通基站與鐵路終端的最小空間隔離距離為1 327 m，城區(qū)場景下聯(lián)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(lián)通基站與鐵路基站的鄰近設置避免干擾的技術要求?？紤]鐵路終端位于聯(lián)通基站下面（鐵路終端與聯(lián)通基站在同一位置），在該場景下鐵路終端受到聯(lián)通基站的干擾最為嚴重。聯(lián)通基站產(chǎn)生的鄰道干擾Iadj-bs計算如下:

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

表9 聯(lián)通基站產(chǎn)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(lián)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(jù)3GPP TR 36.942的宏基站郊區(qū)和城區(qū)模型，計算得到郊區(qū)場景下聯(lián)通基站與鐵路基站的距離要小于977 m；城區(qū)場景下聯(lián)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(guī)避聯(lián)通和鐵路系統(tǒng)間干擾的技術要求。

2.2.4 聯(lián)通系統(tǒng)干擾對鐵路系統(tǒng)影響

分鐵路區(qū)間和鐵路車站2個實際場景，分析聯(lián)通系統(tǒng)與鐵路系統(tǒng)間的干擾。

（1）鐵路區(qū)間。①聯(lián)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(nèi)聯(lián)通終端產(chǎn)生的干擾信號要經(jīng)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(nèi)聯(lián)通用戶對鐵路基站的干擾。對于經(jīng)過郊區(qū)、丘陵、山地等人口稀少的鐵路區(qū)段，鐵路沿線地面的聯(lián)通終端數(shù)量少，聯(lián)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(jīng)過人口稠密的鐵路區(qū)段，聯(lián)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(chǎn)生一定干擾影響。②聯(lián)通基站對鐵路車載終端的干擾:當鐵路車載終端經(jīng)過鐵路沿線的聯(lián)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(chǎn)生一定干擾，但列車在鐵路區(qū)間運行速度較快，干擾持續(xù)的時間較短。

（2）鐵路車站。對于車站區(qū)域，聯(lián)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(qū)域，兩系統(tǒng)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(nèi)的建筑物復雜，當兩系統(tǒng)的覆蓋電平明顯不均衡時，在陰影區(qū)域可能產(chǎn)生系統(tǒng)間干擾。

3 2 100 MHz鐵路專網(wǎng)頻率干擾控制

3.1 與衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾控制

按照工業(yè)和信息化部要求［9］，在衛(wèi)星地球站的干擾協(xié)調(diào)區(qū)（指以衛(wèi)星地球站為中心一定范圍內(nèi)的地理區(qū)域）內(nèi)設置的5G基站，與衛(wèi)星地球站進行干擾協(xié)調(diào)，以避免對合法使用的衛(wèi)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?shù)責o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(wèi)星系統(tǒng)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(fā)射功率及調(diào)整5G基站天線最大輻射方向等綜合措施。

3.2 與聯(lián)通LTE系統(tǒng)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(lián)通基站同站址部署，以規(guī)避系統(tǒng)間干擾。對于不具備同站址布設條件的情況，鐵路基站與聯(lián)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(wǎng)系統(tǒng)。但要充分考慮與相鄰頻段的中國聯(lián)通LTE系統(tǒng)、天通衛(wèi)星通信系統(tǒng)的電磁干擾。為避免鐵路基站對相鄰衛(wèi)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(fā)射功率及調(diào)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(lián)通通信系統(tǒng)的干擾，采用鐵路基站與聯(lián)通基站同站址或鄰近部署的方式，具備工程可實施性。