Coexistence of FRMCS and Existing Mobile Network Base Stations in Railway Scenarios

Abstract

Future Railway Mobile Communication System (FRMCS) ist ein zellulares Kommunikationssystem, welches auf dem Mobilfunkstandard der 5. Generation (5G) basiert und als Nachfolgestandard für Global System for Mobile Communications – Railway (GSM-R), das derzeit auf vielen europäischen Eisenbahnstrecken eingesetzt wird, konzipiert wurde. Das Funkzugangsnetz (radio access network) von FRMCS wird voraussichtlich im Frequenzband 1900 - 1910 MHz im Zeitduplexverfahren (time-division duplexing, TDD) betrieben. Aufgrund des geringen Frequenzabstands dieses Teils des Frequenzspektrums zu Frequenzbändern, welche von kommerziellen Mobilfunkstandards im Frequenzduplexverfahren (frequency-division duplexing, FDD) verwendet werden, sind Interferenzen zwischen FRMCS- und bestehenden Mobilfunk-Basisstationen absehbar. Primäres Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, ob die auftretenden Interferenzen die von den jeweiligen Spezifikationen festgelegten Grenzwerte für 5G-Basisstationen überschreiten. Des Weiteren behandelt die vorliegende Arbeit Interferenz-Messungen an einer echten Basisstation, sowie eine theoretische Analyse der zu erwartenden Interferenzen in Kollokations-Szenarien (co-location scenarios), in welchen die Antennen mehrerer Basisstationen auf einem gemeinsamen Antennenmast untergebracht sind. In-band blocking des Uplinks einer Basisstation in 3rd Generation Partnership Project (3GPP)-Band 1 durch den Downlink einer FRMCS-Basisstation wurde als hauptsächlicher Verursacher von Interferenz identifiziert. Hier kann der festgelegte Grenzwert für die von der Basisstation empfangene Interferenz-Leistung sowohl in einem Kollokations-Szenario als auch im Fall einer geringen geographischen Distanz zwischen zwei Basisstationen überschritten werden. Übermäßige Interferenzen können durch die Verwendung eines Bandsperrfilters zur Unterdrückung des unerwünschten FRMCS-Trägers verhindert werden. Die durch den Downlink in 3GPP-Band 3 verursachten Interferenzen auf dem FRMCS-Uplink sind aufgrund des größeren Frequenzabstands der beiden Frequenzbänder weniger problematisch. Die durchgeführten Messungen deuten jedoch darauf hin, dass eine Analyse der Auswirkungen von Interferenzen auf Grundlage der von den jeweiligen Spezifikationen vorgeschriebenen Grenzwerte möglicherweise kein akkurates Ergebnis liefert. Eine Verringerung des erzielten User-Plane-Durchsatzes im Uplink konnte bereits bei einer Störsignalleistung, welche unter dem in der Spezifikation angegebenen Wert lag, gemessen werden.

Future Railway Mobile Communication System (FRMCS) is a mobile communication system based on the fifth generation (5G) cellular network standard that is intended to replace the Global System for Mobile Communications – Railway (GSM-R) standard, which is currently widely deployed on European railway lines. The radio access network of FRMCS is anticipated to operate on 1900 - 1910 MHz in time-division duplexing (TDD) mode. Due to the close adjacency of this portion of the radio spectrum to frequency bands used for commercial cellular networks operating in frequency-division duplexing (FDD) mode, interference between FRMCS and existing mobile network base stations is to be expected. The primary objective of this thesis is to investigate whether the resulting interference exceeds the limits imposed by the respective specifications for 5G base stations. Furthermore, interference measurements conducted on a real 5G base station, as well as a theoretical analysis of the resulting interference in co-location scenarios, i.e., when sharing an antenna mast for the antennas of multiple base stations, are presented. The in-band blocking of the uplink of a base station operating in 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Band 1 by the downlink of a FRMCS base station was identified as the major source of interference, where the limit on the received interfering power imposed by the respective 3GPP specification could be exceeded both in a co-location scenario as well as when the two systems' base stations are deployed in close vicinity. Excessive interference can be sufficiently mitigated by introducing a band rejection filter at the interfered-with base station to suppress the interfering FRMCS carrier. The interference of the FRMCS uplink exerted by the downlink in 3GPP Band 3 is less harmful due to the larger frequency separation of these two frequency bands. The measurements conducted, however, indicate that an analysis of the impact of interference on the real-world performance of a base station based on the limits mandated by the relevant specifications may not yield an accurate result. A decrease in the uplink user plane throughput could already be measured at an interfering signal power lower than the corresponding value given in the specification.