interoperabilitätsuntersuchungen zwischen lte und gsm … · interoperabilitätsuntersuchungen...

Virtuelle Instrumente in der Praxis VIP 2016

248

RF D

esig

n &

Tes

t

Interoperabilitätsuntersuchungen zwischen LTE und GSM-R für Bahnbetriebsanwendungen auf

Basis von NI-basierten SDR-Komponenten

Robert Richter, Prof. Dr.-Ing. Oliver MichlerTechnische Universität Dresden, Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut für

Verkehrstelematik, Professur Informationstechnik für Verkehrssysteme, Dresden

Alexander WolfTechnische Universität Dresden, Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“, Institut für

Bahnsysteme und Öffentlichen Verkehr, Professur Verkehrssystemtechnik, Dresden

KurzfassungFür funkbasierte Informationsübertragungen im Eisenbahnbereich wird derzeit ein speziel-les GSM-Mobilfunksystem (GSM-R) betrieben. Diese Technologie stößt vor allem in starkfrequentierten Knotenpunkten an ihre Leistungsgrenzen. Zukünftig sollen deshalb auchAnwendungen im Mobilfunkstandard LTE ermöglicht werden. Zur Prüfung der Umsetzbar-keit dieser Technologiemigration, sind reproduzierbare Interoperabilitätstests unter Labor-bedingungen notwendig. Der Beitrag befasst sich dazu mit ausgewählten Untersuchungenvon LTE/GSM-R-Interferenzmessungen in dedizierten Frequenzbereichen unter Einsatz vonNI-Komponenten. Dazu wird ein Versuchsaufbau einführend diskutiert, welcher als Kompo-nenten für die Basisstationen der Mobilfunkstandards LTE und GSM-R sogenannte SDRs(Software Defined Radios) aus dem USRP-Produktbereich von NI verwendet. Als Störsig-nalgenerator kommt ein zugeschnittenes PXI-Record-&-Playback-System zum Einsatz, mitdem die Störsignale (LTE, GSM-R) synchron zweikanalig aufgezeichnet und als Generator-signal wiedergegeben werden können. Anhand der speziellen Randbedingungen für LTE(Träger mit 1,4-MHz Bandbreite) und GSM-R im Bahnbereich werden ausgewählte Untersu-chungsergebnisse vorgestellt.

AbstractA special GSM mobile radio system (GSM-R) is currently operated for radio-based trans-mission in the railway sector. Today, this technology reaches its performance limits, par-ticularly at highly frequented railway station areas. In the future, the mobile communica-tion standard LTE promises to solve these shortages. To test the feasibility of thistechnology migration, interoperability testing under laboratory conditions is necessary.This paper describes measurements on LTE/GSM-R interference in the frequency range ofcurrent railway transmission systems by using state-of-the-art NI laboratory equipment.An experimental research lab setup is explained and discussed in detail. NI USRPs work asdedicated base stations both for LTE and GSM-R. An NI PXI system is used as an interfer-ence signal generator with its cabability to record and playback synchronous dual-channelsignals (LTE, GSM-R). Selected results of the analyses on the basis of specific conditions forLTE (carrier bandwith of 1.4 MHz) and GSM-R are presented.

Interoperabilitätsuntersuchungen zwischen LTE und GSM-R für Bahnbetriebsanwendungen

249

RF Design & Test

Einleitung/ProblemstellungDie Nutzung des mobilen Übertragungssystems GSM-R ist im Bahnbereich seit Mitte der1990er-Jahre als Bahnstandard gesetzt, wobei die Deutsche Bahn in Deutschland ein eige-nes, nicht kommerzielles GSM-R-Mobilfunknetz betreibt. Hierbei werden vordergründigüber Sprach- und Datenkanäle betriebliche Abläufe geregelt. Allerdings ist die Datenüber-tragungsrate auf Basis von GPRS im GSM-R stark begrenzt und entspricht nicht mehr denAnforderungen an einen modernen Bahnbetrieb. Um einerseits höherratige Datenverbin-dungen zu gewährleisten sowie anderseits Infrastrukturaufwände zu minimieren, überlegtdie Deutsche Bahn, einen angepassten LTE-Mobilfunk im Bahnbereich einzuführen. Damitstellt sich die Frage, ob in der Migrationsphase ein paralleler Betrieb von GSM-R und LTEin den bahneigenen Frequenzbändern möglich ist und, wenn ja, unter welchen Bedingun-gen. Um diese Fragestellung zu beantworten, kann man laborseitig auf Basis passendgekoppelter Nutz- und Interferenzsignale zugeschnittene Messungen sowie Untersuchun-gen dazu durchführen. In diesem Beitrag wird der hierfür entwickelte Versuchsaufbau fürsolche Nutzsignal-Interferenzmessungen erläutert und diskutiert. Als SDR-basierte Signal-komponenten zur Basisstationsemulation für LTE und GSM-R werden NI USRPs verwendet(zum SDR siehe auch [5]). Als Störsignalgenerator wird ein NI-PXI-Record-&-Playback-System eingesetzt, mit dem man Störsignale (LTE, GSM-R) synchron zweikanalig aufzeich-nen und dann kanalweise wiedergeben kann [7-9]. Damit lassen sich beliebige Pegelkon-stellationen zwischen den Trägern bzw. Down- und Uplink-Frequenzblöcken einstellen, umdie zugehörigen bahnbezogenen Messszenarien abbilden zu können. Darüber hinaus bildetauch der Frequenzabstand zwischen den interferierenden Systemen einen weiteren wichti-gen Analyseparameter. Anhand der speziellen Randbedingungen für LTE (zulässiger Trägermit 1,4 MHz Bandbreite, sechs Ressource-Blocks) und GSM-R im Bahnbereich [1-4], [6]werden ausgewählte Untersuchungsergebnisse zu den Einsatzgrenzen eines Parallelbetriebsbeider Systeme vorgestellt.

Lösungsansatz/VersuchsaufbauPrinzipiell besteht der laborseitige Messaufbau für die notwendigen Untersuchungen auseinem Nutzsignal in einem Nutzsignalpfad und einem Störsignal in einem Interferenzpfad.Dieses Störsignal wird direkt auf der Signalebene in den Nutzsignalpfad eingekoppelt undbeeinflusst somit das Nutzsignal. Systemrelevant für die Untersuchungen sind jeweils dieUp- und Downlinks für GSM-R und LTE. Diese sind nicht getrennt zu betrachten, sondernsind in ihren Leistungspegeln voneinander abhängig. Ursprünglich sollten für diese Unter-suchungen alleinig NI-basierte Software Defined Radios als Basisstationen für GSM-R undLTE mit zugehörigen Endgeräten (bahneigene Mobiltelefone, LTE-Smartphones) auf der Cli-ent-Seite eingesetzt werden, um Signalkonstellationen leitungsgebunden untersuchen undbewerten zu können. Allerdings lassen sich mit den derzeitig eingesetzten Endgeräten fürGSM-R die Up- und Downlink-Signale nicht ohne erheblichen Aufwand trennen. Somit istein leitungsgebundener Interferenzaufbau nicht realisierbar, da immer GSM-R-Up- oder-Downlink zusätzlich in die Signalpfade eingekoppelt sind, was die Interferenzuntersu-chungen verfälscht. Für LTE würde prinzipiell dasselbe gelten, allerdings konnte hier imkonkreten Fall ein NI USRP-2952R mit NI-LTE-Framework so angepasst werden, dasssowohl senderseitig als auch empfängerseitig die Up- und Downlink-Signalpfade getrenntverarbeitet werden konnten. Seitens der GSM-R-Basisstation (NI USRP-2920 mit einemspeziell für GSM-R kompilierten OpenBTS-Code) lassen sich die Up- und Downlink-Pfadeproblemlos trennen.

Robert Richter, Oliver Michler, Alexander Wolf

250

RF D

esig

n &

Tes

t

Zur Problemlösung wurde ein NI-basiertes Record-&-Playback-System aus dem Forschungs-bereich genutzt (Averna URT 3200), mit welchem zweikanalig synchron eine bestehendeGSM-R Verbindung mit getrennten Up- und Downlinks aufgezeichnet wurde. Der zugehö-rige Messaufbau ist dabei mit Splittern und Combinern komplett leitungsgebunden ausge-legt worden (Bild 1). Dazu war eine Modifizierung des Antennenanschlusses beim einge-setzten GSM-R-Mobilfunkendgeräts notwendig.

Bild 1: Zweikanalige Signalaufnahme GSM-R

Bild 2: Prinzipieller Interferenzversuchsaufbau

Mit dem so geschaffenen Sachstand, nämlich die GSM-R-Up- und -Downlinks als separate Stör-signale erneut signaltechnisch abzuspielen, konnte die in Bild 2 dargestellte Interferenzver-


251

RF Design & Test

suchsanordnung umgesetzt werden. Mit diesem Aufbau können nun Szenarien untersucht wer-den, bei denen GSM-R-Signalübertragungen eine bestehende LTE-Verbindung beeinflussen.

Für diesen Anwendungsfall sind variierende GSM-R-Störsignale hinsichtlich Leistungspe-gel und genutzter Frequenz untersucht worden. Dazu gehören gemäß Bild 3 ein LTE-„bestcase“-Szenario mit einer qualitativ sehr guten LTE-Verbindung sowie ein „worst case“-Sze-nario mit einer qualitativ schlechten LTE-Verbindung.

Bild 3: Möglichkeiten, das GSM-R-Störsignal gegenüber dem LTE-Nutzsignal zu variieren

Hierzu wurden, ausgehend von der LTE-Bandkante, die in den Leistungspegeln variieren-den GSM-R-Störsignale mit einer Channel Separation von f = 0 kHz und auch die Varian-ten f = 200 kHz und 400 kHz untersucht. Diese Werte liegen in der Bandbreite des GSM-R-Signals begründet. Tabelle 1 zeigt die dafür definierten Leistungspegel von Up- undDownlinks der LTE-Nutzsignale bezüglich der durchgeführten Untersuchungen.

Ausgewählte MessergebnisseDas nachfolgende Diagramm gemäß Bild 4 zeigt den Einbruch der LTE-Datenrate einerbestehenden LTE-Verbindung im „worst case“-Szenario (Szenario a), gemessen als Throug-hput in Mbit/s bei einer kontinuierlichen Erhöhung des GSM-R-Störsignalpegels (ChannelSeparation von f = 0 kHz). Es ist deutlich zu erkennen, dass in diesem Fall beide Systemebis zu einer Leistungspegeldifferenz von ca. 16 dB parallel betrieben werden können.

Szenario Uplink [dBm] Downlink [dBm]

a. GSM-R stört LTE-„best case“-Verbindung

LTE mit – 40 dBm (BW 1,4 MHz, 6 RB, TBS idx 19, 16 QAM)


b. GSM-R stört LTE-„worst case“-Verbindung



Tabelle 1: Leistungspegel und Parameter des LTE-Nutzsignals

Robert Richter, Oliver Michler, Alexander Wolf

252

RF D

esig

n &

Tes

t

Bild 4: LTE (DL) Throughput-Messungen bei GSM-R-Störung

ZusammenfassungIn diesem Beitrag wurde gezeigt, dass NI Software Defined Radios für Interferenzuntersu-chungen im Mobilfunkbereich aufgrund ihrer vielfältigen Parametrierbarkeit bezüglich derPhysical-Layer-Eigenschaften sowie der Protokollschichten gut geeignet sind. Konkret wur-den im Beitrag verkehrstelematische Spezialfälle in Form von GSM-R und LTE-Interferen-zun261tersuchungen im Bahnbereich durchgeführt, zur Klärung der Frage, ob ein parallelerBetrieb der beiden Technologien in der Migrationsphase möglich ist. Dazu waren szenarien-orientierte, signalspezifische Konstellationen unter Laborbedingungem im Rahmen einesleitungsgebundenen Versuchsaufbaus nachzubilden und hinsichtlich der beschriebenenRandbedingungen wie Channel Separation, Leistungspegel und Daten-Throughput zubewerten.

Literatur[1] Bundesnetzagentur: „COMPATIBILITY MEASUREMENTS GSM/UMTS/LTE VS. GSM-

R”. Stand: 23.09.2013. http://www.era.europa.eu/Document-Register/Documents/GSM-R-Measurement-Report_extractGFUG.pdf (abgerufen am 01.07.2016)

[2] CEPT Report 53: „TO DEVELOP HARMONISED TECHNICAL CONDITIONS FOR THE6941 -790 MHZ ('700 MHZ') FREQUENCY BAND IN THE EU FOR THE PROVISION OFWIRELESS BROADBAND AND OTHER USES IN SUPPORT OF EU SPECTRUM POLICYOBJECTIVES”. Stand: 28.11.2014http://www.erodocdb.dk/Docs/doc98/official/pdf/CEPTREP053.PDF (abgerufen am01.07.2016)

[3] CEPT Report 41: “COMPATIBILITY BETWEEN LTE AND WIMAX OPERATING WITHINTHE BANDS 880-915 MHZ / 925-960 MHZ AND 1710-1785 MHZ / 1805-1880 MHZ(900/1800 MHZ BANDS) AND SYSTEMS OPERATING IN ADJACENT BANDS”. Stand:12.11.2010 http://www.erodocdb.dk/docs/doc98/official/pdf/CEPTRep041.pdf (abgeru-fen am 01.07.2016)

[4] CEPT Report 40: “COMPATIBILITY STUDY FOR LTE AND WIMAX OPERATING WIT-HIN THE BANDS 880-915 MHZ / 925-960 MHZ AND 1710-1785 MHZ / 1805-1880MHZ (900/1800 MHZ BANDS)”. Stand: 12.11.2010 http://www.erodocdb.dk/docs/doc98/official/Pdf/CEPTRep040.pdf (abgerufen am 01.07.2016)


253

RF Design & Test

[5] Duong, Anh T.; Förster, G.; Michler, O.: Demonstrator für analoge und digitale Über-tragungsverfahren in der Verkehrstelematik auf Basis von Software Defined Radio. Ta-gung Virtuelle Instrumente in der Praxis (VIP), Dozenten- und Ausbildertag, München,2012.

[6] ECC REPORT 162: “PRACTICAL MECHANISM TO IMPROVE THE COMPATIBILITYBETWEEN GSM-R AND PUBLIC MOBILE NETWORKS AND GUIDANCE ON PRACTI-CAL COORDINATION”. Stand: 05.2011 http://www.erodocdb.dk/docs/doc98/official/pdf/ECCRep162.pdf (abgerufen am 01.07.2016)

[7] A. Heidrich, B. Wolf, O. Michler: Multisensorbasierte Fahrzeugortungssysteme im Laborvalidieren. In: R. Jamal, R. Heinze (Hrsg.): Virtuelle Instrumente in der Praxis 2013. Be-gleitband zum 18. VIP-Kongress. Berlin · Offenbach: VDE VERLAG, 2013. S. 24–28

[8] O. Michler, M. Bogedain, G. Förster: Laborgestützte Validierung von satellitengestütztenOrtungs- und Navigationssystemen in der Verkehrstelematik. In: R. Jamal, R. Heinze(Hrsg.): Virtuelle Instrumente in der Praxis 2011. Begleitband zum 16 VIP-Kongress.Berlin · Offenbach: VDE VERLAG, 2011. S. 150–154

[9] O. Michler: Verkehrstelematiksysteme im Labor validieren. In: Elektronikpraxis. 13/2012.S. 48–50