Annons

Störtåliga GSM-R radiomoduler

Sedan mobilbandet (GSM-E) över 925 MHz tilläts användas för UMTS, HSPA och LTE upptäckte man att dessa kunde störa GSM-R – järnvägarnas mobilsystem. Problemet kan lösas med filter. Här ger Funkwerk AG sin syn på hur problemet i stället på ett elegantare sätt löses med radiodelar med högre dynamik.

Sedan 2006 uppträder allt starkare störningar i de europeiska GSM-R-näten. Till att börja med var orsaken till dessa störningar oklar, men detaljerade studier identifierade bärarsignaler i angränsande frekvensband som störningsorsak.
I synnerhet leder öppningen av GSM-E-bandet för användning av offentliga nätoperatörer till en försämring av situationen för GSM-R. GSM-E-bandet släpptes fritt i Tyskland i slutet av 2005 av den tyska nätbyrån, BNetzA, och från 2006 har detta spektrum använts. Redan då kunde man observera radiostörningar som till en början var oförklarliga.
Frekvensbanden i intervallet 800/900 MHz är, på grund av sina idealiska utbredningsförhållanden, särskilt lämpade för mobilradiosystem och används därför intensivt. Figuren nedan illustrerar situationen i området för nedlänkfrekvensområdet.

LTE-bärvåg i omedelbar närhet till radionätet och på ca 1 km avstånd till ett tågspår tillhörande DB AG.

Särskilt kritiskt övre delen av GSM-R-spektrum eftersom den direkt gränsar till det publikt använda frekvensbandet.

Störmekanismer
De viktigaste störmekanismerna är blockering (alltför hög omgivningande fältstyrka) och störningar från intermodulationsprodukter (två avlägsna bärvågor genererar en så kallad blandningsprodukt i GSM-R-området).
Båda störningsfenomenen uppstår i terminalmottagarens frekvens. Dessutom finns det andra störmekanismer, t ex oönskad emission i undre sidbandet från publika sändare i R-GSM-bandet (utombandemission).
Problemet förvärras av det i praktiekn använda antalet GSM-R-bärvågor på en geografisk plats och den begränsade möjligheten att använda frekvenshopp.
I publika nät används ett större antal bärarvågor och därmed också en mindre cellstorlek, liksom även frekvenshopp. Båda åtgärderna minskar störningspåverkan från intilliggande bärarvågor.

Historia
Påföljderna undersöktes i ett samarbete mellan UIC och GSM-R-tillverkarna och rekommendationer till åtgärder togs fram på europeisk nivå (ECC Rapport 162).
År 2011 utvecklades och publicerades en första version av standarden ETSI TS 102-933 v1.1.1 i samarbete med relevanta branschpartners och med stöd av de europeiska järnvägarna. Denna standard reviderades år 2014 med hänsyn till störningar från LTE (ETSI TS 102 933 v1.3.1) och kompletterades med motsvarande föreskrifter för hur mätningar skulle genomföras.

Tekniska motåtgärder
För att motverka de beskrivna störningarna finns det i princip två metoder. Störningarna kan bäst undvikas genom åtgärder på störningskällan eller genom åtgärder på mottagaren. De genomförda undersökningarna har visat att möjligheterna till avstörningsåtgärder på mottagarsidan är små. I flera länder ha operatörerna av de publika näten föreskrivits takgränser för utstrålad effekt, men bara under en begränsad tidsperiod. Denna övergångsperiod ska utnyttjas av järnvägarna för att inleda och genomföra lämpliga motåtgärder.

Åtgärder på sändaren/störkällan
Följande åtgärder kan vidtas på sändaren: Minskad effekt från den störande sändaren, flyttning av den störande sändarens sändningsfrekvens och användning av bandspärrfilter för att skydda GSM-R-intervallet. Inte alla störningar kan påverkas i sändaren. Det gäller särskilt om det rör sig om egenskaper som är betydelsefulla för den kommersiella användningen av sändaren.

Åtgärder i mottagaren
På mottagarsidan måste en högre immunitet uppnås mot de ovan beskrivna effekterna. Detta kan åstadkommas antingen genom ytterligare ett externt filter eller genom att tillämpa förbättrad radioteknik.
Störningssignaler, som redan finns i mottagningsbandet för GSM-R, kan inte påverkas positivt genom dessa åtgärder.
Att använda extern filterteknik för GSM-R-terminaler ger förutom en fördel flera betydelsefulla nackdelar.
Fördelen med ett externt filter är de enkelt kan kopplas in i den befintliga antennvägen. Däremot finns det flera nackdelar.
* De kända filtren har en betydande mekanisk storlek. Därför måste måste man kunna hittas läpliga installationsplatser på befintliga fordon. Det kan dockk leda till att mekaniska ombyggnader krävs på befintliga fordon vilket alltid medför betydande kostnader för konstruktion och godkännande.
* Det läggs till en extra dämpning i antennvägen som inte kan kompenseras, både genom själva filtret och genom den extra koaxialkontakten. Vid behov hela antennsystemet på fordonet omarbetas.
* Filtret måste kunna överbryggas för att möjliggöra den i de flesta länder nödvändiga funktionen för nationell roaming i de publika näten (som reserv vid bortfall av GSM-R eller som vanligt driftläge). Det kräver ytterligare RF-komponenter och definierade omkopplingskriterier. Denna omkoppling kan antingen göras manuellt eller via tågets radioenhet.
* Externa filter måste kunna hantera den totala sändningseffekten för radiomodulen (8 Watt).

Förbättrad radioteknik
Att tillämpa förbättrad radioteknik ger betydande fördelar, men även här måste nackdelar anges.
Följande fördelar ska nämnas:
* Filterfunktionen kan realiseras med relativt små moduler, eftersom endast mottagningsvägen måste beaktas (varje radiomodul separerar internt mottagningsvägen och sändningsvägen).
* I det här fallet får man inte nackdelen av extra dämpningen. det betyder att den känslighet på -104 dBm som standarden kräver fortfarande gäller. Därmed är det inte nödvändigt att genomföra förändringar av fordonets befintliga antennsystem.
* Radiomodulen tillgår hela den informations som finns i det använda frekvensbandet. Med hjälp av denna information kan en effektiv kontroll ske genom interna avstörningsåtgärder. Roamingen i det publika mobilnätet begränsas inte av radiomodulen.
* Vid användning av den förbättrade radiotekniken måste enbart moduler i tågets radioenhet bytas. Inga andra ändringar av fordonet är nödvändiga.
Däremot finns nackdelen av ett ingrepp i en certifierad och godkänd tågradioenhet. Detta medför alltid en komplicerad och kostsam omcertifiering av tågradions delkomponent.

Funkwerks lösning
Funkwerk AG har som ledande tillverkare och utvecklare av tågradioenheter, med tillhörande radiokomponenter, valt vägen att satsa på en förbättrad radiomodul. Den nya, specialutvecklade filtertekniken har integrerats i GSM-R-modulen "MT5E". På basis av modemet MT5E har en komplett familj nu kommit till för olika applikationer/användare som t ex  som grund för en EDOR-enhet och för speciella applikationer som tågradioenheter för SNCF och Beneluxländerna.
Internt har följande krav ställts på den lösning som ska implementeras:
* Elektrisk och mekanisk kompatibilitet med tidigare använda radiomoduler
* Ingen ökad strömförbrukning
* Ingen förändring av den interna värmebalansen för befintliga tågradioenheter och de tågradioenheter som ska eftermonteras
* Ingen påverkan på befintlig applikationsprogramvara, d v s identiskt beteende på AT-gränssnittet i jämförelse med tidigare modem
* Samma beteende på servicegränssnittet till befintliga Funkwerk GSM-R-produkter
* Hundraprocentig kompatibilitet med alla Funkwerk-tågradioenheter (MESA23, MESA24, MESA25, MESA26)
* En implementering av en variant av modemet med TDMA-gränssnitt för BiMode-tågradioenheten hos SNCF
* Uppnående av det tekniska ledarskapet för GSM-R-radiomoduler och bestämning av riktmärken avseende de tekniska parametrar som kan uppnås
På basis av dessa krav gjordes en teknisk implementering där radiomodulen inkluderar ett eller flera filter i enlighet med aktuella droiftsförhållanden i mottagningsvägen.

Validering av lösningen i laboratoriet
Den implementerade lösningen för MT5E testades i det DAkkS-certifierade laboratoriet hos Funkwerk AG gentemot standarden ETSI TS 102 933-1 V1.3.1. Testuppbyggnaden förtydligas i den nedanstående blockschema.

Testuppkoppling enligt standarden ETSI TS 102 933-1  för att mäta de förbättrade mottagarparametrarna

Mätresultat
I standarden ETSI TS 102 933-1 V1.3.1 krävs endast en mätning för beskrivningen av blockeringsförhållandena i kanalen 970. Ur Funkwerk AGs perspektiv beskriver denna mätning inte utförligt blockeringsbeteendet för en GSM-R-radiomodul. Av denna anledning har Funkwerk AG implementerat en automatiserad mätplats, som bekvämt tillåter mätningarna av alla GSM-R-användningskanaler med hänsyn till den ovan nämnda standarden.
Grafen visar fältstyrkan för en möjlig LTE-störkälla enligt villkoren i ETSI TS 102 933-2 (nyttosignal -100 dBm) – men över alla GSM-R-kanaler, medan standarden endast kräver mätningen på kanalen 970.
Här kan man se att standarden uppfylls även på den högsta GSM-R-kanalen. Den störande närmast intilliggande signalen tillåts vara 85 dBm starkare (ca 300 miljoner gånger) vid denna punkt.

Mätningar i praktiken
Inom ramen för praktiskt genomförda test av GSM-R-modemet MT5E verifierades beteendet för MT5E bland annat på två kända platser som klassificerats som kritiska.
Den första mätningskörningen genomfördes på stationsområdet i DBS järnvägsnät. Enligt uppgifter från DB AG (tyska statsjärnvägarna) utsätts GSM-R-radion för järnvägsdrift för extrema störningar på en flera hundra meter lång sträcka i stationens omgivning, med upp till tio totala bortfall av tågradiokommunikationen. Orsaken är en radiomast installerad av en publik mobiloperatör i järnvägsspårens omedelbara närhet. Som referensmodem användes radiomodulerna MT2, MT3 och MT5 samt modulerna från en konkurrent. Följande scenarier testades:
* Cellbyte i det störda området av GSM-R-radiocellen
* Beteende efter ett strömpåslag (första registrering) i radiocellens direkta område.
Cellbytet från den angränsande radiocellen till den undersökta järnvägsstationens cell genomfördes endast av enheterna MT2 och MT5E. Ingen av de andra radiomodulerna kunde utföra detta cellbyte. Det svårare första registreringstestet efter en kallstart klarade endast enheterna MT5 och MT5E.
De på platsen tillgängliga GSM-R-kanalerna 973 och 959 är ca 40 dB svagare än signalerna från den angränsande publika nätoperatören, men de överstiger de minimivärden  som krävs för GSM-R.

Utbytbar modul
Den föreliggande lösningen kan användas i alla GSM-R-tågradioenheter (MESA-familjen) från Funkwerk AG, oberoende av den radiomodul som används för närvarande. Dessutom kan modulerna användas i alla radioenheter som använder radiomodulerna från tillverkaren Sagem/Sierra Wireless MRM.
Funkwerk har redan på europeisk nivå certifierat integrationen av den presenterade MT5E i den vitt utbredda enhetsfamiljen MESA 23. Många nationella godkännanden finns också redan. Detaljerna om detta finns på webbplatsen för Funkwerk AG.
Dessutom utvecklar Funkwerk för närvarande EDOR-enheter, som också är utrustade med den presenterade tekniken. Dessa enheter väntas komma ut under fjärde kvartalet 2015.
Sammanfattningsvis har man under de senaste åren upptäckt betydande störningar mot de europeiska GSM-R-nätverken. Dessa störningar kan minskas genom användning av förbättrade GSM-R-radiomoduler eller externa filter. Radiomodulerna är utformade för att passa i befintliga tågradioenheter och kräver inte större ändringar i tågdesign.

Av Dipl.ing. Lutz Porsch, systemutveckling och dipl. ing. Hendrik Holz, chef för produkthantering, Funkwerk AG


Läs även bakgrunden till den svenska situationen genom att klicka här och bläddra fram till sid 15. Alternativ, gå till denna adress , skriv in EIN2010-11-1 och ladda ned en PDF.

 

Comments are closed.