2 100 MHz频段铁路5G专网电磁兼容特性研究

蔺伟，李毅，姜博，董根才

（中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京100081）

0 引言

我国铁路移动通信系统从20世纪60年代开始，历经450 MHz无线列调、900 MHz铁路数字移动通信系统（GSM-R）等技术制式，承载了列车运行控制、行车调度指挥等业务，至今已形成全程全网的规模，是保障铁路运输安全生产的重要手段。随着智能铁路的发展，多媒体调度、新一代列控、超视距视频传输、车车接近预警等车地间通信业务需求不断拓展，既有铁路移动通信系统的承载能力不足、频率资源紧张、产业链支撑快速萎缩等问题日益突出，铁路移动通信宽带化成为技术发展的必然趋势。

无线电频率是铁路移动通信技术创新发展的基础和先决条件。根据国际电信联盟技术研究组对各国铁路移动通信系统使用情况的统计［1］，目前全球各国大都使用1 GHz以下的频段部署铁路移动通信系统。考虑到低频段频率资源有限且处于碎片化分配的状态［2］，铁路移动通信系统向中高频段进行迁移是发展的必然趋势。德国计划2029年开始大规模部署900 MHz/1.9 GHz/3.7 GHz频段第五代移动通信系统（5G系统）［3］。日本已于2019年完成列车无线电应用的40 GHz频段毫米波系统部署，并完成了时速240 km条件下的90 GHz频段铁路移动通信系统试验［4］。

3GPP标准组织将2 100 MHz（1 920～1 980 MHz/2 110～2 170 MHz）频段定义为5G的Band n1［5］。我国规划2 100 MHz频段用于移动通信业务，但目前尚未分配。与公网运营商5G系统的主流频率（2.6 GHz和3.5 GHz）相比，2 100 MHz频率电波传播特性相对良好，在铁路沿线部署时可有效复用现有GSM-R的基站站址，降低铁路5G专网的建设成本。

2 100 MHz可申请频段与中国联通第四代移动通信系统（联通LTE系统）和天通卫星通信系统（简称卫星系统）的频率相邻，受功率放大器非线性、滤波器截止频率范围较宽等因素影响，发射机除占用主信道外，在相邻频段会产生干扰；接收机除占用主信道外，也会接收相邻频段的干扰。系统间干扰可能导致通信链路可靠性降低，所承载的业务性能下降，从而影响行车安全。因此，对2 100 MHz频段铁路专网的电磁兼容特性进行研究是非常必要的。通过调研2 100 MHz频段的频谱分配情况，对铁路移动通信系统与卫星系统、联通LTE系统的电磁干扰情况进行分析，提出干扰控制的措施和建议。

1 2 100 MHz频段分配情况

2 100 MHz频段的上行频率范围为1 965～1 975 MHz，下行频率范围为2 155～2 165 MHz，总带宽为2×10 MHz。该频率处于3GPP定义的n1标准频段内，下端与联通LTE系统频率相邻，两者之间没有频率保护间隔；上端与卫星系统频率相邻，两者之间有5 MHz的频率保护间隔。该频段的分配情况见图1。

图1 2 100 MHz频谱分配情况

2 电磁兼容分析

2.1 与卫星系统频率的电磁兼容分析

根据国际电信联盟报告［6］，当卫星地球站接收到的干扰信号总功率超过-60 dBm时，将产生饱和干扰，导致地球站无法正常工作。

我国工业和信息化部规定［7-8］，2 100 MHz频段的FDD系统基站每个端口在2 170～2 200 MHz频段内无用发射应小于-65 dBm/MHz。

为避免对卫星地面接收站产生干扰，铁路5G专网基站的射频指标应严格满足以上要求。

2.2 与联通LTE系统频率的电磁兼容分析

铁路2 100 MHz目标频段与联通LTE系统处于3GPP定义的Band 1/n1频段，基站和终端产品均按照同一频段的射频指标进行设计，系统间干扰较为严重，需要进一步分析。

2.2.1 干扰场景

由于铁路基站与联通基站、铁路终端与联通终端之间有至少155 MHz的频带隔离，干扰可以忽略不计。两系统的终端对基站、基站对终端的邻道干扰需要重点分析（见图2）。

图2 联通系统与铁路通信系统干扰情况示意图

在此重点分析联通终端发射对铁路基站接收、联通基站发射对铁路终端接收2种场景下的干扰情况。在每种场景下，可采取2种方式避免因远近效应引起的系统间干扰:（1）发射与接收设备的空间隔离方式，即联通基站与铁路终端、铁路基站与联通终端之间进行空间隔离；（2）铁路基站与联通基站邻近部署。

综上所述，重点分析的干扰场景、规避方式和需要计算的指标见表1。根据3GPP标准TR 36.942（R15），基站和终端的主要射频参数见表2。

3GPP规范中分别定义了邻道泄漏比（ACLR）和邻道选择性（ACS）参数。ACLR表示发射机产生的主信道信号与相邻信道干扰信号的功率比值，单位为dB；ACS表示接收机在主信道信号衰减与相邻信道信号衰减的比值，单位为dB。ACLR和ACS的值越大，表明设备的电磁性能越好，对其他设备的干扰以及受其他设备的干扰影响越小。3GPP规范定义了邻信道干扰功率比（ACIR）参数:ACIR=1/（1/ACLR+1/ACS），用于评价发射机产生的干扰信号对相邻频段其他系统接收机的影响。

表1 干扰场景、规避方式及需要计算的技术指标

表2 基站和终端的射频参数

根据3GPP规范TS 36.104和3GPP TS 36.101，基站发射机的ACLR=44.2 dB、基站接收机的ACS=43.5 dB；终端发射机的ACLR=30 dB，终端接收机的ACS=33 dB（10 MHz）、27 dB（20 MHz）。实际工程应用中，基站设备的ACLR和ACS参数比3GPP标准要求提高10 dB以上，终端设备ACLR和ACS参数比3GPP标准要求提高5 dB以上。不同干扰链路的ACLR、ACS和ACIR参数见表3。

表3 联通LTE系统干扰铁路通信系统的参数 dB

2.2.2 联通终端干扰铁路基站

联通终端干扰铁路基站示意见图3，当联通终端离联通基站较远、离铁路基站较近时，联通终端发射信号的功率较强，对铁路基站的接收信号产生干扰，导致铁路基站底噪被抬升、灵敏度降低。根据联通终端位置不同，可以分为车内终端和地面终端2类。两者的区别在于，车内联通终端产生的干扰信号受车厢屏蔽损耗的影响，对铁路基站的干扰降低。

图3 联通终端干扰铁路基站示意图

（1）通过联通终端与铁路基站空间隔离避免干扰的技术要求。联通终端与铁路基站的干扰隔离度需求Lue-bs计算如下:

式中:Iadj-ue为联通终端泄漏到铁路频带内的邻道干扰功率；Ibs为铁路基站频带内允许的最大干扰功率。

对于联通终端，其产生的邻道干扰功率Iadj-ue计算如下:

式中:Pmax-ue为联通终端最大发射功率；Bw为带宽转换因子；ACIR为邻道干扰比；Psh为阴影衰落余量；Gbs为铁路基站的天线增益；Gue为联通终端的天线增益；Ptr为列车车厢的车体损耗。地面联通终端产生的邻道干扰功率的计算方法类似，但无车厢车体损耗Ptr的影响。计算过程见表4。

表4 联通终端邻道干扰功率计算

铁路基站允许的最大干扰功率Ibs计算如下:

式中:N为基站的底噪功率；△I为允许一定底噪抬升带来的干扰功率。计算过程见表5。

表5 铁路基站允许的最大干扰功率计算

根据表4、表5和式（1），可以计算出联通终端（包括车内终端和地面终端）与铁路基站的空间隔离度。根据3GPP TR 36.942中的宏小区郊区和城区模型，为了避免邻道干扰，郊区场景下联通终端与铁路基站之间的空间隔离距离最小为97 m（联通终端位于车内）或497 m（联通终端位于地面）；城区场景下联通终端与铁路基站之间的空间隔离距离最小为24 m（联通终端位于车内）或122 m（联通终端位于地面）。

（2）通过联通基站与铁路基站邻近设置避免干扰的技术要求。假设联通基站与铁路基站邻近设置，联通终端位于联通基站的小区边缘时，距离铁路基站也较远，联通终端虽然发射功率较大，但对铁路基站的干扰较小，避免产生严重的远近效应。

为了确定联通基站与铁路基站允许的最大间距，首先假设联通终端位于铁路基站下，干扰链路的路径损耗最小，对铁路基站的干扰最为严重。该场景下联通终端的发射功率取决于联通基站的位置。具体来说，联通终端与联通基站的距离越近，其发射功率越小，对铁路基站的干扰也越小。根据铁路基站允许的最大干扰功率，确定联通终端允许的最大发射功率。然后根据联通终端发射功率与路径损耗的关系，计算出联通终端（与铁路基站位置相同）与联通基站的最大距离。

联通终端产生的邻道干扰功率Iadj-ue计算如下:

式中:Pue为联通终端发射功率；Pc为联通终端与铁路基站的耦合损耗。计算过程见表6。可以看出，联通终端产生的邻道干扰功率与发射功率Pue密切相关。

表6 联通终端产生的邻道干扰计算

接下来分析联通终端的发射功率Pue与路径损耗的关系。在实际系统中，联通终端的发射功率Pue的计算如下:

式中:P1为半静态功率基数；PL为路径损耗；α为路径损耗补偿因子，用以平衡上行公平调度和整体频谱效率。当α的取值为0.7～0.8时，既能让系统接近最大容量，又避免小区边缘的数据速率过多地下降。P1取典型值-85 dBm，α取典型值0.8。

由于联通终端产生的邻道干扰Iadj-ue不大于铁路基站允许的干扰Ibs，即Iadj-ue≤Ibs。带入表6中参数，可得车内联通终端PL≤129.28，地面联通终端路径损耗PL≤98.03。

利用3GPP TR 36.942中的宏小区郊区和城区模型，计算可得郊区场景下联通基站与铁路基站的距离应小于6 248 m（联通终端位于车内）或810 m（联通终端位于地面），城区场景下联通基站与铁路基站的距离应小于1 534 m（联通终端位于车内）或199 m（联通终端位于地面）。

2.2.3 联通基站干扰铁路终端

当铁路终端离铁路基站较远、而离联通基站较近时（见图4），接收到的联通基站的干扰信号比铁路基站的有用信号功率更大，降低了铁路终端信号的信干噪比（SINR），如果低于解调门限，会出现通信中断。

图4 联通基站干扰铁路终端

（1）通过联通基站与铁路终端的空间隔离避免干扰的技术要求。联通基站与铁路终端的干扰隔离度需求Lbs-ue计算如下:

式中:Iadj-bs为联通基站泄漏到铁路终端频带内的邻道干扰功率；Iue为铁路终端允许的最大干扰功率。

联通基站产生的邻道干扰功率Iadj-bs计算如下:

式中:Pmax-bs为联通基站的最大发射功率。计算过程见表7。

表7 联通基站邻道干扰功率计算

铁路终端允许的最大干扰功率Iue计算如下:

式中:N为终端的底噪功率；△I为允许一定底噪抬升带来的干扰功率。计算过程见表8。

根据表7、表8和式（6），可以计算出联通基站与铁路终端所需的空间隔离度。根据3GPP TR 36.942中的宏小区郊区和城区模型，为了避免邻道干扰，郊区场景下联通基站与铁路终端的最小空间隔离距离为1 327 m，城区场景下联通基站与铁路终端的最小空间隔离距离为326 m。

表8 铁路终端允许的最大干扰功率计算

（2）通过联通基站与铁路基站的邻近设置避免干扰的技术要求。考虑铁路终端位于联通基站下面（铁路终端与联通基站在同一位置），在该场景下铁路终端受到联通基站的干扰最为严重。联通基站产生的邻道干扰Iadj-bs计算如下:

式中:Pmax-bs为联通基站的最大发射功率；Pc为铁路终端与联通基站的耦合损耗。计算过程见表9。

表9 联通基站产生的邻道干扰计算

假设铁路终端的最小SINR为-5 dB，则要求在联通基站下，铁路基站的信号功率应该大于Iadj-bs+SINR=-54.9 dBm，即铁路基站到铁路终端的路径损耗小于Pmax-bs－（-54.9）=100.9 dBm。

根据3GPP TR 36.942的宏基站郊区和城区模型，计算得到郊区场景下联通基站与铁路基站的距离要小于977 m；城区场景下联通基站与铁路基站的距离要小于240 m。

以上电磁兼容特性的理论分析是在最严苛的条件下，规避联通和铁路系统间干扰的技术要求。

2.2.4 联通系统干扰对铁路系统影响

分铁路区间和铁路车站2个实际场景，分析联通系统与铁路系统间的干扰。

（1）铁路区间。①联通终端对铁路基站的干扰:在实际场景下，列车在正线运行时，车内联通终端产生的干扰信号要经过封闭车厢的穿透损耗，因此对铁路基站的干扰信号强度进一步衰减20～30 dB，而铁路车载终端使用车顶天线，不受车厢穿透损耗的影响。因此，可忽略车内联通用户对铁路基站的干扰。对于经过郊区、丘陵、山地等人口稀少的铁路区段，铁路沿线地面的联通终端数量少，联通用户接近铁路基站下方的概率小，对铁路基站的干扰影响小。对于经过人口稠密的铁路区段，联通用户接近铁路基站下方的概率相对较大，对铁路基站会产生一定干扰影响。②联通基站对铁路车载终端的干扰:当铁路车载终端经过铁路沿线的联通基站且距离铁路基站较远时，可能对铁路车载终端的接收产生一定干扰，但列车在铁路区间运行速度较快，干扰持续的时间较短。

（2）铁路车站。对于车站区域，联通基站和铁路基站均设置在车站范围，两者基站的间距较小。在空间开阔区域，两系统基站和终端的远近效应不明显，干扰影响较小。但是由于车站范围内的建筑物复杂，当两系统的覆盖电平明显不均衡时，在阴影区域可能产生系统间干扰。

3 2 100 MHz铁路专网频率干扰控制

3.1 与卫星系统的干扰控制

按照工业和信息化部要求［9］，在卫星地球站的干扰协调区（指以卫星地球站为中心一定范围内的地理区域）内设置的5G基站，与卫星地球站进行干扰协调，以避免对合法使用的卫星地球站造成有害干扰。在获得2 100 MHz频段使用许可证后，及时向当地无线电管理机构了解需要干扰保护的地球站信息。

为避免铁路基站对相邻卫星系统频段的干扰，采用在铁路基站加装2×10 MHz窄带滤波器、降低5G基站发射功率及调整5G基站天线最大辐射方向等综合措施。

3.2 与联通LTE系统的干扰控制

考虑到采用终端和基站的空间隔离措施在工程实施上存在难度，建议采用基站共建共享模式，铁路基站与联通基站同站址部署，以规避系统间干扰。对于不具备同站址布设条件的情况，铁路基站与联通基站站址应邻近设置。

4 结束语

2 100 MHz频段传播特性良好，适用于部署铁路5G专网系统。但要充分考虑与相邻频段的中国联通LTE系统、天通卫星通信系统的电磁干扰。为避免铁路基站对相邻卫星频段的干扰，采用在铁路基站加装2×10 MHz窄带滤波器、降低基站发射功率及调整基站天线最大辐射方向等综合措施。为避免与相邻频段联通通信系统的干扰，采用铁路基站与联通基站同站址或邻近部署的方式，具备工程可实施性。