趙超，陳慶浩

（江蘇省郵電規(guī)劃設計院有限責任公司，南京 210006）

近年來，隨著移動用戶普及率越來越高，地鐵作為極高人流量的公共交通載體，在建設的時候都已經(jīng)開始同步引入公網(wǎng)無線通信系統(tǒng)。

地鐵的隧道區(qū)域空間較狹窄，空間波信號在隧道中傳播會產(chǎn)生隧道效應，特別是列車通過時，會對電波產(chǎn)生很大的阻擋衰落，還會導致信號覆蓋極不均勻。所以隧道內(nèi)一般不采用小天線方式覆蓋，而是采用泄漏同軸電纜方式進行覆蓋，在隧道內(nèi)沿隧道壁敷設泄漏電纜，借助泄漏電纜對信號的泄漏原理來進行隧道信號場強覆蓋。

無線信號在隧道泄漏電纜中的信號輻射方式可采用兩種：一是上下行信號同纜輻射；二是上下行信號分纜輻射。由于地鐵隧道內(nèi)空間狹窄，無法為每家運營商提供獨立的泄漏電纜空間，多家運營商的無線通信系統(tǒng)只能進行合路?？紤]到無線通信不同制式間的干擾問題，為了保證系統(tǒng)的可靠性，目前地鐵隧道內(nèi)的泄漏電纜覆蓋都是采用上下行鏈路各采用一條泄漏電纜，并隔離一定距離，滿足隔離度要求。

兩根泄漏電纜間的距離，除了考慮干擾隔離度的要求外，還要考慮后期4G通信采用MIMO方式時天線間的距離要求，還需要考慮地鐵隧道有限的空間大小問題。

1 干擾對泄漏電纜隔離要求

1.1 干擾類型

目前地鐵公網(wǎng)無線通信系統(tǒng)一般都是采用多家運營商通過PoI（Point of Interface）進行合路，上、下行分開的方式。各運營商通信系統(tǒng)間的干擾類型主要有雜散干擾、互調(diào)干擾和阻塞干擾。

（1）雜散干擾：是一個系統(tǒng)的發(fā)射頻段外的雜散發(fā)射落入到另外一個系統(tǒng)接收頻段內(nèi)造成的干擾。干擾基站在被干擾基站接收頻段內(nèi)產(chǎn)生雜散輻射，并且干擾基站的發(fā)送濾波器沒有提供足夠的帶外衰減，會引起接收機噪聲基底的增加而導致接收機靈敏度的降低。

（2）互調(diào)干擾：是指由于系統(tǒng)的非線性導致多載頻合成產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物落到相鄰系統(tǒng)的上行頻段，使接收機信噪比下降的干擾情況。

（3）阻塞干擾：是指當較強功率加于接收機端時，可能導致接收機過載，使它的增益下降的干擾情況。為防止接收機過載，從干擾基站接收的總的載波功率電平需要低于它的1 dB壓縮點。

1.2 系統(tǒng)間干擾的隔離原則

（1）被干擾接收機在設備機頂天線連接處接收到來自干擾發(fā)射機的雜散干擾電平需在接收機底噪以下。以接收機靈敏度損失不超過1 dB為原則；這里取6.9 dB作為雜散輻射的干擾底限，這時靈敏度損失0.8 dB對系統(tǒng)的影響很小，可忽略。

（2）由干擾發(fā)射機導致被干擾接收機產(chǎn)生的每個三階交調(diào)不超過接收機允許的互調(diào)干擾限值。

（3）被干擾接收機經(jīng)濾波器衰減后的全部干擾載波功率不超過接收機允許的阻塞限值。

1.3 雜散隔離度計算分析

雜散所需要的隔離度計算公式為：

其中：MCL為隔離度要求。Psqu為干擾基站的雜散輻射電平，單位為dBm。WInterfering為干擾電平的測量帶寬，單位為kHz。WAffected為被干擾系統(tǒng)的信道帶寬，單位為kHz。Psqu-10lg(WInterfering/WAffected)為干擾基站在被干擾系統(tǒng)信道帶寬內(nèi)的雜散輻射電平。Pn為被干擾系統(tǒng)的接收帶內(nèi)熱噪聲，單位為dBm，Pn=10lgKTB。

其中：K為波爾茲曼常數(shù)，其值為K=1.38×10-23；T為絕對溫度，常溫下取值為T=290 K； B為信號帶寬，單位為Hz。

將常量帶入公式可以簡化為：Pn=-174 dBm+10lgB。

比如GSM900系統(tǒng)工作信道帶寬為200 kHz，因此GSM系統(tǒng)工作信道帶寬內(nèi)總的熱噪聲功率：-174 dBm+10lg(200×1 000 Hz)=-121 dBm。

Nf為接收機的噪聲系數(shù)，基站的接收機噪聲系數(shù)一般不會超過5 dB。

根據(jù)工信部、國家無委的要求和相關國際、國內(nèi)標準，對各系統(tǒng)設備雜散干擾指標要求（比如對GSM，要求是在1～12.75 GHz頻率范圍內(nèi)，雜散指標為最大-30 dBm/3 MHz）?？梢杂嬎愠龈飨到y(tǒng)間雜散隔離度要求如表1所示。

其中最高的要求為WLAN對GSM的干擾隔離要求，為92 dB。

1.4 互調(diào)隔離度計算分析

多系統(tǒng)合路較突出的互調(diào)產(chǎn)物主要為三階互調(diào)產(chǎn)物，對于由3個頻率 F1、F2、F3頻段可能產(chǎn)生的三階互調(diào)干擾分為：

三階 I型（雙信號互調(diào)），即 2F1-F2，2F1-F3，2F2-F1，2F2-F3，2F3-F1，2F3-F2。

三階II型（三信號互調(diào)），即 F1+F2-F3，F(xiàn)1-F2+F3，F(xiàn)2+F3-F1。

地鐵由于引入的頻段相當多，各系統(tǒng)又有上行、下行，因此互調(diào)干擾的情況會很復雜。但由于上行為弱信號，主要考慮下行對上行的互調(diào)干擾。

假設對于三階 I 型互調(diào)：GSM、CDMA 兩個干擾信號所對應的三階互調(diào)干擾頻率。

第一干擾信號 f1：CDMA下行870～880 MHz。

第二干擾信號 f2：GSM下行930～960 MHz。

可計算得：2f1-f2＝2×870－960＝780 MHz。

2f1-f2＝ 2×880－ 930＝ 830 MHz。

互調(diào)頻率在 780～830 MHz之間，該頻段影響了CDMA(825～835 MHz)信號。以此類推，可以計算出多個系統(tǒng)間相對應的互調(diào)干擾組。

互調(diào)干擾隔離計算公式：

MCL=max(P1,P2,P3)+PoI合路器互調(diào)抑制值-Pn-Nf+6.9

MCL為隔離度要求。

Pn為被干擾系統(tǒng)的接收帶內(nèi)熱噪聲，單位為dBm。

Nf為接收機的噪聲系數(shù)，基站的接收機噪聲系數(shù)一般不會超過5 dB。

P1為干擾系統(tǒng)1的信號電平（dBm）。

P2為干擾系統(tǒng)2的信號電平（dBm）。

P3為干擾系統(tǒng)3的信號電平（dBm）。

根據(jù)互調(diào)干擾組中各系統(tǒng)的下行最大發(fā)射功率（公網(wǎng)通信一般按照43 dBm），可以計算出在PoI合路器互調(diào)抑制值取-140 dBc的情況下，為滿足最大的互調(diào)干擾隔離要求，仍然需要27 dB的隔離度。

1.5 阻塞隔離度計算分析

當一個較大干擾信號進入接收機前端的低噪放時，由于低噪放的放大倍數(shù)是根據(jù)放大微弱信號所需要的整機增益來設定的，強干擾信號電平在超出放大器的輸入動態(tài)范圍后可能會將放大器推入到非線性區(qū)，導致放大器對有用的微弱信號的放大倍數(shù)降低，甚至完全抑制，從而嚴重影響接收機對弱信號的放大能力，影響系統(tǒng)的正常工作。

在多系統(tǒng)設計時只要保證到達接收機輸入端的強干擾信號功率不超過系統(tǒng)指標要求的阻塞電平，系統(tǒng)就可以正常的工作。

假設接收機的阻塞電平指標為Pb，干擾發(fā)射機的輸出功率為Po，只要：Pb≥接收的干擾電平=Po-MCL

這時，強干擾信號不會阻塞接收機，這種情況下需要的系統(tǒng)間隔離度為：MCL≥Po－Pb

根據(jù)工信部、國家無委的要求和相關國際、國內(nèi)標準，對各系統(tǒng)設備阻塞干擾指標要求（比如對WCDMA，要求是在 1 920～ 1 980 MHz頻率范圍內(nèi)，阻塞指標為最大-40 dBm），可以計算出各系統(tǒng)間阻塞干擾隔離度要求如表2所示。

其中最高的要求為LTE對WLAN的干擾隔離要求，為83 dB。

表1 各系統(tǒng)間雜散隔離度要求 單位：dB

表2 各系統(tǒng)間阻塞隔離度要求 單位：dB

1.6 泄漏電纜隔離距離計算

通過以上分析，多家運營商不同系統(tǒng)通過PoI進行合路，上、下行分開的方式時，在雜散、阻塞、互調(diào)抑制3方面隔離要求分別為92 dB，83 dB，167 dB。目前常用的PoI設備在不同系統(tǒng)間的隔離度一般都能夠達到90 dB，基本上能滿足以上雜散和阻塞的隔離要求。PoI合路器三階互調(diào)抑制值，一般可以達到-140 dBc（高的互調(diào)抑制度對器件的工藝要求很高，如果要達到-150 dBc，則造價會很高，因此一般經(jīng)濟合理的值為-140 dBc），因此，對于互調(diào)干擾，還要27 dB的隔離度需要通過空間隔離來實現(xiàn)。

根據(jù)參考文獻1中對泄漏電纜輻射場的仿真結果，地鐵場景中常用的輻射型泄漏電纜的輻射方向圖與公網(wǎng)宏蜂窩基站中常用的板狀天線類似，因此兩根輻射型泄漏電纜的隔離度和距離的關系，可以參考板狀天線垂直隔離的計算方法，本文不再詳述。

在合路的多個系統(tǒng)中，CDMA使用的800 MHz頻段最低，其對空間隔離要求也最高，在要求隔離度為27 dB的情況下，根據(jù)公式計算，兩根泄漏電纜間的距離應該達到0.35 m以上。

表3 相關系數(shù)測試結果

2 MIMO技術對泄漏電纜隔離要求

地鐵通信系統(tǒng)中需要考慮LTE系統(tǒng)，而MIMO技術為LTE關鍵技術，MIMO技術需要兩路天線間有一定的距離，因為地鐵空間的限制，存在使用MIMO技術時兩根泄漏電纜隔離間距不夠的問題。

針對MIMO技術，中國移動通信集團公司做了大量的實際測試，其中“中國移動集團級重點研發(fā)項目結題匯報報告”中的“TD-LTE室內(nèi)覆蓋關鍵技術研究（子課題：TD-LTE室內(nèi)覆蓋關鍵技術解決方案）”報告就對兩個單極化天線在不同場景下，不同的天線間距情況下的天線相關系數(shù)、小區(qū)吞吐量性能、MIMO雙通道功率不平衡對小區(qū)的影響等方面做了實際測試，測試結果如下。

圖1 吞吐量性能測試

2.1 單極化吸頂天線間距

相關系數(shù)測試如表3所示。初步結論：會議室和一般辦公室隔斷的天線間距取4個波長。狹長走廊天線間距取6個波長，并且在放置天線時，盡量使天線的排列方向與走廊方向垂直，這樣可以降低相關性。

2.2 單極化吸頂天線間距

吞吐量性能測試如圖1所示。初步結論：小區(qū)吞吐量隨著單極化吸頂天線間距波動很大，但綜合各廠家測試數(shù)據(jù)看，天線間距在4波長（50 cm左右）時性能相對較好。

2.3 MIMO雙通道功率不平衡對小區(qū)吞吐量的影響

兩天線與終端之間的距離相等時，雙通道功率相差越大，小區(qū)吞吐量越低，功率差5 dB時，小區(qū)上行吞吐量下降8.8%，下行吞吐量下降6.8%。因為功率不平衡會提高信號解調(diào)門限，需提高相應的調(diào)制編碼方式，因而吞吐量下降。

因饋線長短、損耗差異等原因，兩個天線端口的發(fā)射功率可能不一樣，同時由于小區(qū)用戶所處位置比較隨機，天線間距增大，可能會加劇兩通道功率的不平衡性，功率不平衡使小區(qū)吞吐量下降。

2.4 結論

雙通道時，從小區(qū)吞吐量看，天線間距2λ與4λ變化不大；從天線的相關系數(shù)來看（相關系數(shù)越小越好），建議4λ或6λ。由于此測試結果為單極化吸頂天線，而泄漏電纜等效于板狀天線，因此此測試結果不能完全等同于泄漏電纜的輻射效果。并且，由于室內(nèi)環(huán)境復雜，單極化吸頂天線的測試結果是否具有代表性也存在疑慮。針對這個問題，我們根據(jù)參考文獻2的計算，空間分集接收天線之間的距離滿足3倍波長時可以克服空間選擇性衰落，也就是說相隔3倍波長時，兩接收天線可以近似不相關，工程上一般建議4倍波長以上。綜合理論和實測的結果，因此建議地鐵隧道中泄漏電纜間的距離應該在4λ(λ為0.127 m)= 0.508 m以上。

3 隧道有限空間對泄漏電纜隔離要求

泄漏電纜在隧道內(nèi)一般都是與車窗高度基本相當，此時信號損耗最小。但是隧道內(nèi)不僅有公網(wǎng)通信泄漏電纜，還有地鐵專用通信泄漏電纜、公安通信泄漏電纜、地鐵乘客信息系統(tǒng)（PIS）、防災報警（FAS）、設備監(jiān)控（BAS）、消防水管、光纜、信號機及設備箱等，到了站臺位置還需要給廣告牌預留空間。一般來說，在區(qū)間隧道內(nèi)，留給公網(wǎng)通信泄漏電纜安裝的空間約0.8 m，去除上下安裝間隔，兩根泄漏電纜的間隔可以達到0.6 m左右。

在站臺處的隧道內(nèi)，所有的線纜都要避開廣告牌，廣告牌高度約1.7 m，并且位于車窗位置，因此公網(wǎng)通信泄漏電纜一般都是在廣告牌下方。此時，公網(wǎng)通信泄漏電纜雖然也有約0.8 m的安裝空間，但是由于偏離車窗位置，并且站臺處的覆蓋主要依靠站臺分布系統(tǒng)，因此在站臺處隧道內(nèi)的兩根泄漏電纜建議在確保廣告牌安裝操作的情況下，盡量靠近廣告牌安裝，空間隔離0.35 m即可。

4 結束語

通過上面3個方面的分析，兩根泄漏電纜考慮干擾必須達到的隔離距離為0.35 m，采用MIMO技術要求達到的隔離距離為0.51 m，隧道有限空間內(nèi)能夠達到的隔離距離為0.6 m。因此在地鐵隧道空間內(nèi)，公網(wǎng)通信所用的上下行泄漏電纜之間的空間距離盡量能夠達到0.51 m，至少要達到0.35 m。

以上分析中，計算干擾隔離時，考慮了目前地鐵中可能有所有系統(tǒng)，包括CDMA、GSM、DCS、WCDMA、TD-SCDMA、PHS、數(shù)字集群。后期有可能會有新的系統(tǒng)需要合路進來，則需要重新進行計算，在泄漏電纜已經(jīng)布放無法更改的情況下，可以考慮更換高性能的PoI設備。

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