高曉夢
中交機電工程局有限公司成都軌道交通17 號線一期工程JD 安裝2 標(biāo)項目經(jīng)理部,中國·四川 成都 610041
城市軌道交通;地鐵;TD-LTE;無線干擾
2015年2月,工信部發(fā)布了“關(guān)于重新發(fā)布1785-1805MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率事宜的通知”(工信部無[2015]65號文)明確指出了1785-1805MHz 頻段可以用于城市軌道交通行業(yè)專用通信,解決了城市軌道交通車地通信迫切需要的專用頻率問題,該文件對城市軌道交通安全運營及持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義[1,2]。中國烏魯木齊地鐵1 號線車地?zé)o線通信系統(tǒng)采用了TD-LTE 技術(shù)組網(wǎng),同時根據(jù)65 號文向新疆維吾爾自治區(qū)無線電管理局申請了1785-1805MHz 頻段來使用,但因為該頻段是為了解決交通、電力、石油等行業(yè)的頻率資源使用問題,后續(xù)如果有其他行業(yè)申請使用該頻段資源,可能會存在潛在的干擾問題,尤其是地面部分,烏魯木齊地鐵1 號線正線均為地下部分,但車輛段及停車場均在地面,且和地窩鋪國際機場等交通部門鄰近,極易和其他無線專網(wǎng)造成互相干擾,因此在建設(shè)同時需要就干擾問題做出分析和處理建議,以下就是詳細分析及避免干擾的建議:
烏魯木齊軌道交通1號線南起三屯碑站,北至國際機場站,正線全長27.6km,全部為地下線,其中設(shè)置地下車站21 座,也均為地下車站,另外設(shè)置車輛基地2 處,均為地面基地,分別是:
? 燕兒窩停車場,位于線路南端三屯碑附近。
? 百園路車輛段:西側(cè)邊界與北京北路毗鄰,東側(cè)邊界與天津北路毗鄰;其緯度線與地窩堡國際機場(也屬于交通行業(yè),且存在同頻段同制式建網(wǎng)需求)基本一致。
根據(jù)烏魯木齊地鐵1號線對無線綜合承載平臺的建設(shè)需求,本項目建設(shè)兩張基于TD-LTE 技術(shù)的獨立運行的網(wǎng)絡(luò)A 網(wǎng)和B網(wǎng),兩張網(wǎng)絡(luò)完全獨立,并行工作,互不影響,做到重要業(yè)務(wù)的承載保障。在A 網(wǎng)上承載地鐵信號系統(tǒng)和乘客信息系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、車載FAS 業(yè)務(wù);在B 網(wǎng)上承載信號系統(tǒng)及備用業(yè)務(wù)。
全線按照鏈狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)分別部署兩套(A 網(wǎng)+B 網(wǎng))完全相同的分布式基帶處理單元(BBU)+射頻拉遠單元(RRU)網(wǎng)絡(luò),通過傳輸系統(tǒng)提供的傳輸通道分別接入地鐵控制中心設(shè)置的兩套LTE 核心網(wǎng)設(shè)備(EPC)。隧道區(qū)間采用RRU+漏泄同軸電纜方式覆蓋,車輛段采用RRU+天線方式覆蓋。
根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)無線電管理局頒發(fā)的新無管函【2015】9 號文,烏魯木齊地鐵1 號線TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)頻率指配如下:
(1)正線地下線路區(qū)域
? A 網(wǎng)使用15MHz 系統(tǒng)帶寬同頻組網(wǎng),占用1785-1800MHz 頻帶。
? B 網(wǎng)使用5MHz 系統(tǒng)帶寬同頻組網(wǎng)。占用1800-1805MHz 頻帶。
(2)車輛段/停車場地面區(qū)域
? A 網(wǎng)使用5MHz 系統(tǒng)帶寬同頻組網(wǎng),占用1795-1800MHz 頻帶。
? B 網(wǎng)使用5MHz 系統(tǒng)帶寬同頻組網(wǎng)。占用1800-1805MHz 頻帶。
表1 系統(tǒng)配置信息如下表
B 網(wǎng)下行參考信號RS 18.2dBm雙工方式 TDD同步方式 主用:直接GPS,備用:1588V2 2:2,特殊子幀配置(DwPTS:GP:UpPTS=10:2:2)DwPTS 傳輸數(shù)據(jù)上行功率控制 啟用基站額定發(fā)射功率 8×20W子載波帶寬 15KHz循環(huán)前綴 Normal CP多天線配置 8T8R,下行MIMO,上行SIMO調(diào)制編碼方式 自適應(yīng)調(diào)制編碼上下行子幀配比業(yè)務(wù)承載帶寬A 網(wǎng):綜合承載,包括CBTC 業(yè)務(wù)信息、列車實時狀態(tài)信息(TCMS)、緊急文本信息、車載CCTV 監(jiān)控圖像信息、PIS 圖像信息。地下帶寬需求合計19Mbps,地面帶寬需求合計10Mbps B 網(wǎng):CBTC 業(yè)務(wù)信息,合計帶寬需求8Mbps
車輛段TD-LTE 系統(tǒng)無線覆蓋配置信息如下:
(1)通信覆蓋指標(biāo)
在百園路車輛段建筑紅線內(nèi)全部地面區(qū)域內(nèi),覆蓋指標(biāo)滿足【RSRP ≥-95dBm&SINR ≥3dB】的概率大于98%。
(2)覆蓋方式
室外采用雙極化定向天線覆蓋。
(3)站位及定向天線參數(shù)
?
烏魯木齊市軌道交通1 號線無線綜合通信系統(tǒng)采用中興通訊提供的TD-LTE 設(shè)備,其eNodeB 為BBU+RRU 分布式基站。BBU 的型號為B8200,RRU 的型號R8968 S1800。
本工程采用的eNodeB 基站設(shè)備指標(biāo)滿足3GPP 系列相關(guān)規(guī)范要求,同時滿足工信部無[2015]65 號文件相關(guān)要求。
軌道交通申請到的頻率范圍是在1785-1805MHz 的20MHz 范圍之內(nèi),采用A+B 雙網(wǎng)冗余架構(gòu),A 網(wǎng)和B 網(wǎng)配置不同頻率的載波。
圖1
如圖1所示,地面部分使用的頻段是1795-1805MHz 這10Mhz 的頻段,如果地面還有其他行業(yè)單位也分配了1.8GHz頻段,則軌道交通TD-LTE 系統(tǒng)需要考慮與其他行業(yè)的天線空間隔離距離才能實現(xiàn)共存。
圖2
如圖2所示,其他行業(yè)的TD-LTE 的基站和終端可能會對軌道交通的基站和終端造成干擾。相反,軌道交通的TDLTE的基站和終端也可能會對其他行業(yè)的基站和終端造成干擾。
5.2.1 基站側(cè)指標(biāo)(引自3GPP TS 36.104)
(1)ACLR 指標(biāo)
ACLR(鄰信道泄漏功率比)指工作信道濾波平均功率與鄰近信道濾波平均功率之比,3GPP 標(biāo)準(zhǔn)定義如下:
?
(2)帶內(nèi)阻塞指標(biāo)
?
(3)鄰道選擇指標(biāo)
信道帶寬 [MHz]有用信號平均功率[dBm]干擾信號平均功率 [dBm]干擾信號中心頻率相對于有用信道邊緣的最小頻率偏移[MHz]干擾信號類型5 PREFSENS + 6dB -44 2.5025 5MHz E-UTRA 信號
5.2.2 終端側(cè)指標(biāo)(引自3GPP TS 36.101)
(1)ACLR 指標(biāo)
信道帶寬 5MHz 10MHz 15MHz 20MHz E-UTRAACLR1 30 dB 30 dB 30 dB 30 dB E-UTRA 信道測量帶寬 4.5MHz 9.0MHz 13.5MHz 18MHz鄰信道中心頻率偏移(MHz)±5 ±10 ±15 ±20
(2)ACS 指標(biāo)
如下表所示,終端的鄰道選擇性指標(biāo)為33dB。
信道帶寬(MHz)1.4 3 5 10 15 20 ACS(dB)33 33 33 33 30 27
(3)帶內(nèi)阻塞指標(biāo)
如下表所示,終端的帶內(nèi)阻塞電平為-44dBm。
參數(shù) 單位 場景一 場景二 PInterferer dBm -56 -44 FInterferer (偏移) MHz=-BW/2 - FIoffset,case 1 ≤-BW/2 - FIoffset,case 2&&=+BW/2 + FIoffset,case 1 ≥+BW/2 + FIoffset,case 2
5.2.3 工信部無[2015]65 號文對系統(tǒng)共存要求
工信部無[2015]65 號文對1785-1805MHz 頻段的無線技術(shù)主要指標(biāo)如下:
(1)頻率范圍:1785-1805MHz
(2)雙工方式:時分雙工(TDD)
(3)天線端口發(fā)射功率:
基站,小于等于33dBm/MHz;
終端,小于等于23dBm/MHz。
(4)上述頻段的基站在設(shè)臺時,與工作于1710-1785MHz 頻段的IMT 系統(tǒng)基站間的耦合損耗應(yīng)不小于50dB。
5.2.4 主要干擾分類
TD-LTE 系統(tǒng)間干擾可分為同頻干擾、異頻干擾以及因同步問題與以上2 種干擾的組合干擾。
(1)同頻干擾
此處的同頻干擾特指,因其他行業(yè)的TD-LTE 使用了與軌道交通TD-LTE 相同或重疊的頻率資源造成的干擾。
(2)異頻干擾
盡管其他行業(yè)的TD-LTE 使用與軌道交通TD-LTE 不同的頻率資源組網(wǎng),由于時隙配置的不同,以及無線電波傳輸時延等原因造成的異頻或鄰頻干擾。
由于TD-LTE 是時分雙工系統(tǒng),收發(fā)同頻,通過上下行時隙的劃分,并利用全局時鐘進行同步,實現(xiàn)雙工切換。
不同TD-LTE 系統(tǒng)間因上下行時隙配置差異對系統(tǒng)的影響如下:
(1)同步:如果兩個系統(tǒng)的時隙配置相同,并且都同步到GPS,則不會出現(xiàn)基站和基站之間,以及終端和終端之間的干擾。如果傳播時延過大,也可能會出現(xiàn)基站對終端、或終端對基站的系統(tǒng)間干擾。
(2)異步:如果兩個系統(tǒng)的時隙配置不同,或者沒有同步到GPS 或其他相同的時鐘源上,則兩個系統(tǒng)為不同步系統(tǒng),即會出現(xiàn)圖二的基站和終端兩兩交叉的系統(tǒng)間干擾。
5.2.5 共存分析基礎(chǔ)
(1)系統(tǒng)共存準(zhǔn)則
為了保證受擾系統(tǒng)能夠正常工作,根據(jù)干擾產(chǎn)生的機理和效果,通常需要遵守以下規(guī)避準(zhǔn)則。
接收機靈敏度下降0.8dB 是3GPP 標(biāo)準(zhǔn)中研究共存干擾時使用的典型值,一般認(rèn)為0.8dB 的降敏是可以接受的。降敏0.8dB 要求基站接收到的雜散干擾比接收機底噪功率低7dB。
(2)傳播損耗模型
考察兩個TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)是否滿足共存要求,選用的天線傳播模型為COST231-Hata。該傳輸模型公式如下:
其中: Lp 為平坦市區(qū)的中值傳播損耗(dB);
F 為頻率,范圍1500MHz-2000MHz;
Hb 為基站天線高度,范圍30-200m;
Hm 為移動臺天線高度,范圍1-10m;
d 為傳播距離,范圍1-20km;
a(Hm)為移動臺天線修正因子:
a(Hm)=(1.11log( F)-0.7)Hm-(1.56 log( F)-0.8)Cm 為地形修正因子。
當(dāng)TD-LTE 系統(tǒng)使用1.8G 頻段時,F(xiàn)=1800MHz,基站天線高度Hb=30 米。上式可以簡化為:根據(jù)本工程環(huán)境,a(hm)取值范圍10 ~24dB,具體值將根據(jù)分析環(huán)境確定。
對異步系統(tǒng),存在基站-基站,基站-終端,終端-終端的相互干擾。考慮到基站的發(fā)射功率、天線掛高、天線增益均比終端要大的多,因此,只需分析共存要求最高的基站-基站間干擾。
5.3.1 基站允許的干擾信號強度
對于寬帶系統(tǒng),被干擾基站允許接收干擾強度是根據(jù)小區(qū)的帶寬、噪聲系數(shù)等參數(shù)來計算得到。
(1)系統(tǒng)底噪
系統(tǒng)底噪Noise=-174+10*log10(BW)+NF,BW 是系統(tǒng)帶寬(4.5MHz 系統(tǒng)帶寬),單位是Hz;NF 是噪聲系數(shù),基站噪聲系數(shù)4dB。
(2)TD-LTE 系統(tǒng)基站允許接收干擾強度
要使干擾系統(tǒng)對被干擾的TD-LTE 系統(tǒng)不受影響,則TD-LTE 降低接受機靈敏度0.8dB,即,允許接收干擾信號應(yīng)比系統(tǒng)底噪低7dB。
允許接收干擾信號強度=-103-7=-110dBm。
5.3.2 同頻干擾分析
(1)滿足要求的最小耦合隔離度MCL
由于基站接收到的信號為同頻干擾,系統(tǒng)ACLR=0.
滿足隔離度要求的MCL=43(Tx 功率)+15(發(fā)射天線增益)+15(接收天線增益)-(-110)=186dB。
(2)滿足要求的天線空間隔離距離
LP(dB)=136.5+35.5*logd-(Hm)186
=136.5+35.5*log d-24=112.5+35.5*log d
d=100km.
5.3.3 異頻干擾分析
(1)滿足要求的最小耦合隔離度MCL 值
由于基站接收到的信號為異頻信號,系統(tǒng)對臨信道的壓制ACLR=45
滿足隔離度要求的MCL=43(Tx功率)-45(ACLR)+15(發(fā)射天線增益)+15(接收天線增益)-(-110)=141dB。
(2)滿足要求的天線空間隔離距離
LP(dB) =136.5+35.5*log D-a(Hm)
141=136.5 +35.5*log D-24
D=6.5km.
對于同步的兩個系統(tǒng),不存在基站-基站間干擾??紤]到基站的發(fā)射功率、天線掛高、天線增益均比終端要大的多,因此只需分析共存要求最高的基站-終端間干擾即可。
5.4.1 同頻干擾分析
(1)滿足要求的最小耦合隔離度MCL 值
終端的NF 噪聲系數(shù)通常為8 dB,比基站噪聲系數(shù)高4dB。
因此終端允許接收干擾信號強度=-110-4=-114dBm。
由于基站接收到的信號為同頻干擾,系統(tǒng)ACLR=0.
滿足隔離度要求的MCL=43(Tx 功率)+15(發(fā)射天線增益)+5(車載接收天線增益)-(-114)=177dB。
(2)滿足要求的天線空間隔離距離
LP(dB) = 136.5+35.5*log d-a(Hm)
177 = 136.5+35.5*log d-10=126.5+35.5★log d
d=20km.
5.4.2 異頻干擾分析
(1)滿足要求的最小耦合隔離度MCL 值
由于終端接收到的信號為異頻干擾,系統(tǒng)ACS=33
滿足隔離度要求的MCL=43(Tx 功率)-33(ACS)+15(發(fā)射天線增益)+5(接收天線增益)-(-110-4)=144dB。
(2)滿足要求的天線空間隔離距離
LP(dB) =136.5+35.5*log D-a(Hm)
144=136.5 +35.5*log D-10
D=3.2km.
其他行業(yè)基站與軌道交通基站之間網(wǎng)絡(luò)配置的不同,需要的干擾隔離距離如下表所示:
?
根據(jù)上述計算,如果其他行業(yè)需要建設(shè)TD-LTE 系統(tǒng),并且使用軌道交通的已批復(fù)的1795MHz-1805MHz 頻率時,需要與軌道交通的地面部分至少保持20km 的距離,且必須采用完全同步方式,才可避免干擾。
如果其他行業(yè)使用與軌道交通地面部分相鄰的1785-1795頻段,則需要的隔離距離為3.2km,且需采用2:2時隙配置。
(1)限制天線掛高(小于20m)和增益,盡量使用低增益天線進行近場覆蓋,控制覆蓋范圍。
(2)采用2:2 同時隙配置,統(tǒng)一使用GPS 信號直接同步。
(3)實施過程中與其他專網(wǎng)建設(shè)單位積極協(xié)商,調(diào)整天線方位角和下傾角等工程和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。