Virtuelle Instrumente in der Praxis VIP 2016

248

RF D

esig

n &

Tes

t

Interoperabilittsuntersuchungen zwischen LTE und GSM-R fr Bahnbetriebsanwendungen auf

Basis von NI-basierten SDR-Komponenten

Robert Richter, Prof. Dr.-Ing. Oliver MichlerTechnische Universitt Dresden, Fakultt Verkehrswissenschaften Friedrich List, Institut fr

Verkehrstelematik, Professur Informationstechnik fr Verkehrssysteme, Dresden

Alexander WolfTechnische Universitt Dresden, Fakultt Verkehrswissenschaften Friedrich List, Institut fr

Bahnsysteme und ffentlichen Verkehr, Professur Verkehrssystemtechnik, Dresden

KurzfassungFr funkbasierte Informationsbertragungen im Eisenbahnbereich wird derzeit ein speziel-les GSM-Mobilfunksystem (GSM-R) betrieben. Diese Technologie stt vor allem in starkfrequentierten Knotenpunkten an ihre Leistungsgrenzen. Zuknftig sollen deshalb auchAnwendungen im Mobilfunkstandard LTE ermglicht werden. Zur Prfung der Umsetzbar-keit dieser Technologiemigration, sind reproduzierbare Interoperabilittstests unter Labor-bedingungen notwendig. Der Beitrag befasst sich dazu mit ausgewhlten Untersuchungenvon LTE/GSM-R-Interferenzmessungen in dedizierten Frequenzbereichen unter Einsatz vonNI-Komponenten. Dazu wird ein Versuchsaufbau einfhrend diskutiert, welcher als Kompo-nenten fr die Basisstationen der Mobilfunkstandards LTE und GSM-R sogenannte SDRs(Software Defined Radios) aus dem USRP-Produktbereich von NI verwendet. Als Strsig-nalgenerator kommt ein zugeschnittenes PXI-Record-&-Playback-System zum Einsatz, mitdem die Strsignale (LTE, GSM-R) synchron zweikanalig aufgezeichnet und als Generator-signal wiedergegeben werden knnen. Anhand der speziellen Randbedingungen fr LTE(Trger mit 1,4-MHz Bandbreite) und GSM-R im Bahnbereich werden ausgewhlte 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.

Interoperabilittsuntersuchungen zwischen LTE und GSM-R fr Bahnbetriebsanwendungen

249

RF Design & Test

Einleitung/ProblemstellungDie Nutzung des mobilen bertragungssystems 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 vordergrndigber Sprach- und Datenkanle betriebliche Ablufe geregelt. Allerdings ist die Datenber-tragungsrate auf Basis von GPRS im GSM-R stark begrenzt und entspricht nicht mehr denAnforderungen an einen modernen Bahnbetrieb. Um einerseits hherratige Datenverbin-dungen zu gewhrleisten sowie anderseits Infrastrukturaufwnde zu minimieren, berlegtdie Deutsche Bahn, einen angepassten LTE-Mobilfunk im Bahnbereich einzufhren. Damitstellt sich die Frage, ob in der Migrationsphase ein paralleler Betrieb von GSM-R und LTEin den bahneigenen Frequenzbndern mglich 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 durchfhren. In diesem Beitrag wird der hierfr entwickelte Versuchsaufbau frsolche Nutzsignal-Interferenzmessungen erlutert und diskutiert. Als SDR-basierte Signal-komponenten zur Basisstationsemulation fr LTE und GSM-R werden NI USRPs verwendet(zum SDR siehe auch [5]). Als Strsignalgenerator wird ein NI-PXI-Record-&-Playback-System eingesetzt, mit dem man Strsignale (LTE, GSM-R) synchron zweikanalig aufzeich-nen und dann kanalweise wiedergeben kann [7-9]. Damit lassen sich beliebige Pegelkon-stellationen zwischen den Trgern bzw. Down- und Uplink-Frequenzblcken einstellen, umdie zugehrigen bahnbezogenen Messszenarien abbilden zu knnen. Darber hinaus bildetauch der Frequenzabstand zwischen den interferierenden Systemen einen weiteren wichti-gen Analyseparameter. Anhand der speziellen Randbedingungen fr LTE (zulssiger Trgermit 1,4 MHz Bandbreite, sechs Ressource-Blocks) und GSM-R im Bahnbereich [1-4], [6]werden ausgewhlte Untersuchungsergebnisse zu den Einsatzgrenzen eines Parallelbetriebsbeider Systeme vorgestellt.

Lsungsansatz/VersuchsaufbauPrinzipiell besteht der laborseitige Messaufbau fr die notwendigen Untersuchungen auseinem Nutzsignal in einem Nutzsignalpfad und einem Strsignal in einem Interferenzpfad.Dieses Strsignal wird direkt auf der Signalebene in den Nutzsignalpfad eingekoppelt undbeeinflusst somit das Nutzsignal. Systemrelevant fr die Untersuchungen sind jeweils dieUp- und Downlinks fr GSM-R und LTE. Diese sind nicht getrennt zu betrachten, sondernsind in ihren Leistungspegeln voneinander abhngig. Ursprnglich sollten fr diese Unter-suchungen alleinig NI-basierte Software Defined Radios als Basisstationen fr GSM-R undLTE mit zugehrigen Endgerten (bahneigene Mobiltelefone, LTE-Smartphones) auf der Cli-ent-Seite eingesetzt werden, um Signalkonstellationen leitungsgebunden untersuchen undbewerten zu knnen. Allerdings lassen sich mit den derzeitig eingesetzten Endgerten frGSM-R die Up- und Downlink-Signale nicht ohne erheblichen Aufwand trennen. Somit istein leitungsgebundener Interferenzaufbau nicht realisierbar, da immer GSM-R-Up- oder-Downlink zustzlich in die Signalpfade eingekoppelt sind, was die Interferenzuntersu-chungen verflscht. Fr LTE wrde prinzipiell dasselbe gelten, allerdings konnte hier imkonkreten Fall ein NI USRP-2952R mit NI-LTE-Framework so angepasst werden, dasssowohl senderseitig als auch empfngerseitig die Up- und Downlink-Signalpfade getrenntverarbeitet werden konnten. Seitens der GSM-R-Basisstation (NI USRP-2920 mit einemspeziell fr 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 Problemlsung 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 zugeh-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-Mobilfunkendgerts notwendig.

Bild 1: Zweikanalige Signalaufnahme GSM-R

Bild 2: Prinzipieller Interferenzversuchsaufbau

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

Interoperabilittsuntersuchungen zwischen LTE und GSM-R fr Bahnbetriebsanwendungen

251

RF Design & Test

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

Fr diesen Anwendungsfall sind variierende GSM-R-Strsignale hinsichtlich Leistungspe-gel und genutzter Frequenz untersucht worden. Dazu gehren gem 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: Mglichkeiten, das GSM-R-Strsignal gegenber dem LTE-Nutzsignal zu variieren

Hierzu wurden, ausgehend von der LTE-Bandkante, die in den Leistungspegeln variieren-den GSM-R-Strsignale 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 begrndet. Tabelle 1 zeigt die dafr definierten Leistungspegel von Up- undDownlinks der LTE-Nutzsignale bezglich der durchgefhrten Untersuchungen.

Ausgewhlte MessergebnisseDas nachfolgende Diagramm gem 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 Erhhung des GSM-R-Strsignalpegels (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 knnen.

Szenario Uplink [dBm] Downlink [dBm]

a. GSM-R strt LTE-best case-Verbindung

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

LTE mit 50 dBm (BW 1,4 MHz, 6 RB, TBS idx 21, 64 QAM)

b. GSM-R strt LTE-worst case-Verbindung

LTE mit 85 dBm (BW 1,4 MHz, 6 RB, TBS idx 19, 16 QAM)

LTE mit 100 dBm (BW 1,4 MHz, 6 RB, TBS idx 21, 64 QAM)

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-Strung

ZusammenfassungIn diesem Beitrag wurde gezeigt, dass NI Software Defined Radios fr Interferenzuntersu-chungen im Mobilfunkbereich aufgrund ihrer vielfltigen Par