陳 鵬 李文明 嚴(yán) 波

地鐵車(chē)—地?zé)o線(xiàn)通信引入LTE后的干擾分析

陳 鵬1李文明2嚴(yán) 波2

(1.南京電子技術(shù)研究所南京210000;2.南京軌道交通系統(tǒng)工程有限公司南京210000)

針對(duì)國(guó)內(nèi)地鐵的車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信技術(shù)，將LTE (long term evolution，長(zhǎng)期演進(jìn))與WLAN(wireless local area networks，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng))技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，提出一套LTE組網(wǎng)方案。針對(duì)該方案，分析下行鏈路預(yù)算，對(duì)LTE基站的覆蓋能力進(jìn)行評(píng)估，認(rèn)為引入LTE后，地鐵中覆蓋了多頻段的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng);由于系統(tǒng)間頻率相近，無(wú)線(xiàn)信號(hào)之間容易形成干擾。從干擾形成的角度分析干擾的成因，定量計(jì)算系統(tǒng)間的隔離度，從技術(shù)和工程建設(shè)角度給出減少干擾的措施。

車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng);LTE(長(zhǎng)期演進(jìn));WLAN (無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng));鏈路預(yù)算;干擾

地鐵通信系統(tǒng)作為地鐵運(yùn)營(yíng)調(diào)度、企業(yè)管理、服務(wù)乘客、治安反恐、應(yīng)急指揮的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，是地鐵正常運(yùn)營(yíng)的神經(jīng)系統(tǒng)。車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)是地鐵通信系統(tǒng)的重要組成部分。地鐵車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)主要承載CBTC(communication based train control，基于無(wú)線(xiàn)通信的列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng))和PIS(passenger information system，乘客信息系統(tǒng))。目前，從業(yè)務(wù)需求的角度看，CBTC信號(hào)系統(tǒng)帶寬需求為100 Kb/s，PIS系統(tǒng)中的下行流的帶寬需求為10 Mb/s，針對(duì)車(chē)載監(jiān)控業(yè)務(wù)的上行帶寬為5Mb/s。

地鐵車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)是保證地鐵安全、高密度、高效運(yùn)營(yíng)的重要手段。在軌道交通中保持無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)暢通進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)列車(chē)與控制中心的移動(dòng)通信，有效處理突發(fā)事件，需要選擇合適的通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1 LTE與W LAN比較

基于IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的WLAN(wireless local area network，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò))技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于地鐵無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域。WLAN技術(shù)通過(guò)軌旁FitAP和車(chē)載FatAP構(gòu)建的無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)運(yùn)行沿線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)信號(hào)覆蓋。地鐵車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)大多采用IEEE802.11a和802.11g標(biāo)準(zhǔn)。

軌旁FitAP安裝在軌道附近的固定位置，地鐵列車(chē)的兩端安裝車(chē)載FatAP設(shè)備。每隔200 m就需要鋪設(shè)AP(無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn))，施工難度大，維護(hù)成本高。通過(guò)對(duì)通信信道傳輸性能的分析，對(duì)車(chē)載天線(xiàn)選擇性能較好的無(wú)線(xiàn)信道完成車(chē)-地信息交互。由于WLAN天線(xiàn)覆蓋范圍限制，地鐵在80 km/h的速度下，需要9 s切換一次，切換頻率越高，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸造成的影響越大［1］。隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，各種制式的移動(dòng)終端數(shù)量不斷增加，對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求不斷增加。WLAN技術(shù)提供的帶寬已經(jīng)不能承載地鐵用戶(hù)的需求。

LTE采用分組傳輸、低延時(shí)，能夠在地鐵高速移動(dòng)情況下實(shí)現(xiàn)無(wú)縫覆蓋的高數(shù)據(jù)率。LTE能夠在20MHz頻譜帶寬下提供下行100Mb/s，上行50Mb/s的峰值速率。LTE技術(shù)在解決帶寬和移動(dòng)性上具有優(yōu)勢(shì)。技術(shù)發(fā)展較為成熟，產(chǎn)業(yè)鏈豐富完善［2］。目前，在我國(guó)新建地鐵項(xiàng)目中，開(kāi)始逐步引入LTE 技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信。鄭州1號(hào)線(xiàn)PIS系統(tǒng)采用了華為L(zhǎng)TE技術(shù);溫州S1線(xiàn)擬采用中興TD- LTE技術(shù)，同時(shí)承載多媒體專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)通信、CCTV(closed circuit television，閉路電視)以及PIS三大關(guān)鍵業(yè)務(wù)［3］。LTE與WLAN技術(shù)比較如表1所示。

表1 LTE與WLAN技術(shù)比較［4］

2 車(chē)-地?zé)o線(xiàn)LTE技術(shù)方案

2.1 LTE組網(wǎng)方案

在地鐵中，需要無(wú)線(xiàn)覆蓋的范圍包括車(chē)輛段、停車(chē)場(chǎng)、站臺(tái)、站廳、隧道區(qū)間、換乘通道以及出入口等區(qū)域。

隧道區(qū)間采用漏纜方式進(jìn)行覆蓋，借助漏纜的線(xiàn)狀覆蓋特性，能較好地對(duì)隧道區(qū)域進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)均勻覆蓋。較長(zhǎng)的隧道區(qū)間應(yīng)考慮設(shè)置光纖直放站延伸信號(hào)覆蓋范圍，以保證覆蓋質(zhì)量。

在車(chē)站的站臺(tái)、站廳、辦公區(qū)域、換乘通道以及出入口等區(qū)域采用吸頂小天線(xiàn)進(jìn)行覆蓋［5-6］。

地鐵LTE 實(shí)現(xiàn)車(chē)-地?zé)o線(xiàn)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 鏈路預(yù)算

在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，鏈路預(yù)算是對(duì)一條通信鏈路上的各種損耗和增益的核算。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)上、下行信號(hào)傳播途徑中各種影響因素的考察和分析，對(duì)系統(tǒng)的覆蓋能力進(jìn)行評(píng)估。

2.2.1 漏纜射頻特性

漏纜是漏泄同軸電纜(leaky coaxial cable)的簡(jiǎn)稱(chēng)。漏纜的頻段覆蓋在450MHz～2 GHz以上，適應(yīng)現(xiàn)有的各種無(wú)線(xiàn)通信體制，應(yīng)用場(chǎng)合包括無(wú)線(xiàn)傳播受限的地鐵、鐵路隧道和公路隧道等。漏纜適合隧道這樣的狹小空間，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)均勻覆蓋。

漏纜的損耗主要是傳輸損耗和耦合損耗。傳輸損耗和耦合損耗具有此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。傳輸損耗主要是指?jìng)鬏斁€(xiàn)路的線(xiàn)性損耗，受距離和頻率影響，以dB/100 m標(biāo)識(shí)。它同時(shí)包括了3個(gè)因素:泄露損耗、導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗。傳輸損耗的公式表述為

式中:α0是給定頻率的傳輸損耗系數(shù);α1是導(dǎo)體的損耗系數(shù);α2是介質(zhì)的損耗系數(shù);α3是泄露的損耗系數(shù);f是頻率。

耦合損耗是同軸波模的功率與位于離開(kāi)泄露電纜一定位置上(一般取2m處)的偶極子天線(xiàn)的接收功率之比。它是表征電纜輻射出的電磁波在泄露電纜和移動(dòng)接收機(jī)之間的路徑損耗或信號(hào)衰減度量值。

泄漏電纜的傳輸損耗和耦合損耗的大小與廠(chǎng)家、型號(hào)有關(guān)。目前市面上，在1.8 GHz的頻率下，漏纜的傳輸損耗=4.2 dB/100m;耦合損耗(95%取值，距漏纜2m處測(cè)量值)=67 dB。

2.2.2 隧道區(qū)間下行鏈路預(yù)算

隧道區(qū)間采用漏纜方式進(jìn)行覆蓋，而鏈路損耗主要來(lái)自于漏纜的傳輸損耗和耦合損耗。漏纜在隧道中的分布情況如圖2所示，在下行鏈路中，各種損耗情況如表2所示。

圖2 RRU射頻連接［7］

對(duì)于車(chē)內(nèi)覆蓋，接收電平要求在－75～－85 dBm之間。顯然，隧道區(qū)間的下行鏈路預(yù)算滿(mǎn)足要求［8］。

表2 隧道區(qū)間下行鏈路預(yù)算

2.2.3 站廳內(nèi)下行鏈路預(yù)算

站廳內(nèi)通常使用吸頂小天線(xiàn)進(jìn)行覆蓋，吸頂天線(xiàn)的增益為3 dB。在下行鏈路中，各種損耗和增益情況如表3所示。

表3 站廳內(nèi)下行鏈路預(yù)算

對(duì)于室內(nèi)覆蓋，接收電平要求是在－75～－50 dBm之間。站廳內(nèi)最偏僻位置的電平為－62.98 dBm，站廳內(nèi)下行鏈路預(yù)算滿(mǎn)足要求。

2.3 多頻段接入干擾分析

在地鐵中部署了多種運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)通信系統(tǒng)，多頻段無(wú)線(xiàn)信號(hào)通過(guò)POI(point of interface，多系統(tǒng)合路平臺(tái))合路后引入天饋分布系統(tǒng)。引入LTE之后，運(yùn)營(yíng)商的系統(tǒng)對(duì)地鐵LTE造成系統(tǒng)間干擾。分析系統(tǒng)間干擾的成因，減少干擾，確保地鐵LTE正常運(yùn)行。運(yùn)用頻率合路器與電橋合路器對(duì)多個(gè)運(yùn)營(yíng)商、多種制式的移動(dòng)信號(hào)合路后引入天饋分布系統(tǒng)，以達(dá)到充分利用資源、節(jié)省投資的目的。多頻段無(wú)線(xiàn)信號(hào)POI合路如圖3所示［9］。運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)通信系統(tǒng)的上下行頻率如表4所示。

圖3 多頻段無(wú)線(xiàn)信號(hào)POI合路結(jié)構(gòu)

表4 各種制式移動(dòng)通信系統(tǒng)的上下行頻率［9］

地鐵LTE使用的頻段是1 785～1 805MHz。由表4可以發(fā)現(xiàn)，中國(guó)聯(lián)通DCS1 800系統(tǒng)的頻段與地鐵中LTE的頻段比較接近，下面著重分析中國(guó)聯(lián)通DCS 1 800系統(tǒng)與LTE間的干擾和系統(tǒng)間隔離度。

系統(tǒng)間干擾的產(chǎn)生是多種多樣的，如頻率資源的分配不合理，無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)配置不當(dāng)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)性能問(wèn)題，小區(qū)重疊，電磁環(huán)境以及電磁兼容等，都是無(wú)線(xiàn)通信射頻干擾產(chǎn)生的原因。

從形成的角度區(qū)分，系統(tǒng)間的干擾主要包括鄰頻干擾、接收機(jī)互調(diào)干擾、雜散干擾和阻塞干擾。由于一般系統(tǒng)之間的間隔率可以是工作帶寬數(shù)倍，所以系統(tǒng)間一般不容易出現(xiàn)鄰頻干擾。

2.3.1 接收機(jī)互調(diào)干擾

收發(fā)機(jī)的非線(xiàn)性器件使得兩個(gè)以上頻率信號(hào)相互作用，而互調(diào)產(chǎn)物的頻率落入接收機(jī)內(nèi)才造成干擾，使信噪比下降。其中3階互調(diào)的影響最大，3階互調(diào)產(chǎn)物容易落入接收機(jī)的工作頻段內(nèi)。

中國(guó)聯(lián)通DCS1 800下行3階互調(diào)產(chǎn)物頻段范圍為:1 830～1 860 MHz;地鐵LTE下行3階互調(diào)產(chǎn)物頻段范圍為:1 765～1 825 MHz。3階互調(diào)信號(hào)均未落在對(duì)方的工作頻段內(nèi)。所以，主要考慮雜散干擾和阻塞干擾，且重點(diǎn)考慮基站間的干擾。

2.3.2 雜散干擾

雜散輻射是發(fā)射機(jī)設(shè)備性能中一項(xiàng)重要的指標(biāo)。雜散輻射指標(biāo)一般是針對(duì)不同測(cè)量帶寬的，單位為dBm/xxkHz(絕對(duì)量)或dBc/xxkHz(相對(duì)于有用信號(hào)的相對(duì)量)。

雜散所需要的隔離度為

式中:MCL為隔離度要求;Pspu為干擾源發(fā)射的雜散信號(hào)功率，dBm;Pn為被干擾系統(tǒng)的接收帶內(nèi)熱噪聲，dBm;Nf為接收機(jī)的噪聲系數(shù)，基站的接收機(jī)噪聲系數(shù)一般不會(huì)超過(guò)5 dB;μ為干擾保護(hù)比。

被干擾系統(tǒng)的接收帶內(nèi)熱噪聲為

式中:K為波爾茲曼常數(shù)，其值為1.38×10－23J/K;T為絕對(duì)溫度，常溫下取值為T(mén)=290K;B為信號(hào)帶寬，Hz。

式(4)可以簡(jiǎn)化為

不同干擾級(jí)別下根據(jù)干擾保護(hù)比μ的不同，計(jì)算出來(lái)的隔離度也將不同。這里取μ=0，即沒(méi)有干擾保護(hù)比的情況。

地鐵LTE基站對(duì)中國(guó)聯(lián)通DCS1 800基站的雜散干擾:地鐵LTE基站在DCS1 800頻段雜散電平按照標(biāo)準(zhǔn)要求應(yīng)低于－96 dBm/100 kHz;DCS1 800系統(tǒng)工作信道帶寬為200 kHz，因此DCS1 800系統(tǒng)工作信道帶寬內(nèi)的總熱噪聲功率為

雜散所需要的隔離度為:MCL≥30 dB

中國(guó)聯(lián)通DCS1 800基站對(duì)地鐵LTE基站的雜散干擾:DCS1 800基站在地鐵LTE頻段雜散電平按照要求應(yīng)低于－61 dBm/100 kHz;LTE工作信道帶寬內(nèi)的總熱噪聲功率為

雜散所需要的隔離度為MCL≥45 dB

2.3.3 阻塞干擾

接收機(jī)接收到過(guò)強(qiáng)的信號(hào)時(shí)會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)過(guò)載，放大增益會(huì)被抑制。阻塞干擾是將接收機(jī)的低噪聲放大器LNA推向飽和區(qū)，使其不能正常工作的強(qiáng)功率帶外干擾。

阻塞干擾隔離度為

式中:Po是干擾源發(fā)射機(jī)功率;Pb是被干擾系統(tǒng)接收機(jī)阻塞限制電平［10］。

地鐵LTE基站對(duì)中國(guó)聯(lián)通DCS1 800基站的阻塞隔離度:MCL≥43－0=43 dB

中國(guó)聯(lián)通DCS1 800基站對(duì)地鐵LTE基站的阻塞隔離度:MCL≥43+16=58 dB

為了減小系統(tǒng)間的干擾，不同基站的天線(xiàn)之間必須要有足夠的隔離度。地鐵LTE與中國(guó)聯(lián)通DCS1 800系統(tǒng)間的隔離度要求如表5所示。

表5 LTE與DCS1 800的隔離度要求

2.3.4 干擾解決方案

干擾解決方法主要分為兩大類(lèi):基本技術(shù)類(lèi)和工程建設(shè)類(lèi)。從具體技術(shù)角度分析，可以采用一些信號(hào)處理技術(shù)加以改善或解決干擾。從物理層看，同步技術(shù)和智能天線(xiàn)技術(shù)是很好的措施;從無(wú)線(xiàn)資源管理角度看，動(dòng)態(tài)信道分配是十分有效的方案。工程建設(shè)類(lèi)方法主要有:增加頻率保護(hù)帶、提高濾波精度、增加站址間距、優(yōu)化天線(xiàn)安裝、限制設(shè)備參數(shù)等。

1)為了保證受擾系統(tǒng)能夠正常工作，根據(jù)干擾產(chǎn)生的機(jī)理和效果，通常需要遵守以下規(guī)避準(zhǔn)則。

雜散干擾規(guī)避準(zhǔn)則:受擾基站天線(xiàn)口接收的雜散干擾功率應(yīng)比接收機(jī)底噪低7 dB(降敏0.8 dB);受擾終端天線(xiàn)口接收的雜散干擾功率應(yīng)不高于接收機(jī)底噪(降敏3 dB)。

阻塞干擾規(guī)避準(zhǔn)則:受擾基站從干擾基站接收到的總載波功率應(yīng)比接收機(jī)的1 dB壓縮點(diǎn)低5 dB。由于1 dB壓縮點(diǎn)為接收機(jī)射頻電路部分的指標(biāo)而非整機(jī)指標(biāo)，不易評(píng)估，因此通常情況下采用受擾基站的接收阻塞指標(biāo)作為干擾門(mén)限即可。

互調(diào)干擾規(guī)避準(zhǔn)則:在受擾基站生成的3階互調(diào)干擾電平比它的接收機(jī)噪底低7 dB(降敏0.8 dB);如果滿(mǎn)足了這些隔離度要求，受擾基站的接收機(jī)靈敏度只下降0.8 dB，這對(duì)于絕大多數(shù)系統(tǒng)都是可以接受的。

2)工程實(shí)施和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)常用的干擾隔離具體措施有以下幾種:

發(fā)射和接收天線(xiàn)保證足夠的空間隔離，二者必須在距離上保持足夠遠(yuǎn);

調(diào)整干擾基站天線(xiàn)的傾角或水平方向角，或使用高前后比的天線(xiàn);

在干擾基站發(fā)射口增加外部帶通濾波器，但這會(huì)增加額外的插損和故障點(diǎn)，降低下行覆蓋，同時(shí)增加成本;

減低干擾基站的發(fā)射功率，但會(huì)降低下行覆蓋;

在被干擾基站的接收端增加帶通濾波器，但會(huì)增加接收機(jī)的噪聲系數(shù)，降低靈敏度，降低反向覆蓋。

3 結(jié)語(yǔ)

LTE技術(shù)具有高帶寬、低時(shí)延、抗干擾等特點(diǎn)。將LTE技術(shù)引入地鐵車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)，充分利用LTE的特點(diǎn)，提高地鐵交通運(yùn)輸?shù)姆?wù)質(zhì)量，提升乘客服務(wù)體驗(yàn)。LTE在地鐵車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)中廣泛使用是大勢(shì)所趨。LTE技術(shù)使地鐵運(yùn)營(yíng)更加安全、便捷、舒適。同時(shí)，引入LTE之后，也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如系統(tǒng)間的干擾問(wèn)題。通過(guò)有效的技術(shù)手段和建設(shè)手段完全可以降低干擾，使地鐵中的各種無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行。

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(編輯:郝京紅)

Interference Analysis of Subway
Vehicle-Ground Radio Communication System after Introducing LTE

Chen Peng1LiWen m ing2Yan Bo2
(1.Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing 210000; 2.Nanjing Rail Transit Systems Co.，Ltd.，Nanjing 210000)

Comparison ismade between LTE and WLAN technologies to highlight the advantages of LTE for the domestic subway vehicle-ground radio communication system.At the same time，the paper proposes a practical LTE network solution to implement the vehicle-ground radio communication.The down-link budget is analyzed and the coverage of LTE base station is evaluated to get the conclusion that the subway coversmulti-band wireless communication systems after the introduction of LTE.It is easy to form interference between the wireless signals due to similar frequency of different systems.The paper analyzes the causes of interference from its formation，and calculates system isolation quantitatively.At last，it proposes countermeasures to reduce interference from the perspectives of technology and engineering construction.

vehicle-ground radio communication system; LTE(long-term evolution);WLAN(wireless local area networks);link budget;interference

U231.7

A

1672-6073(2016)02-0048-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.011

2015-05-30

2015-07-07

陳鵬，男，碩士，主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)，chenpeng320830@sina.com