王 鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司通信信號設計院， 710043， 西安∥高級工程師)

西安機場線(西安北至機場城際軌道項目)是連接西安咸陽國際機場和高鐵西安北站兩大交通樞紐的城際鐵路，與西安地鐵4號線在北客站實現(xiàn)同臺換乘。2016年開始建設西安機場線LTE-M(城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng))車地無線通信網(wǎng)，2019年底正式投入使用。該網(wǎng)絡綜合承載的業(yè)務包括：PIS(乘客信息系統(tǒng))視頻業(yè)務、IMS(視頻監(jiān)視系統(tǒng))業(yè)務、列車運行控制業(yè)務、列車緊急文本下發(fā)業(yè)務、列車運行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務。

基于西安機場線工程的特殊性及紅線外多個1.8 GHz TD-LTE(分時LTE)系統(tǒng)網(wǎng)絡建設情況，綜合承載網(wǎng)的設計和網(wǎng)絡優(yōu)化工程極富挑戰(zhàn)性。

1 機場線LTE-M系統(tǒng)建設的難點

西安機場線全長29.31 km，正線以高架長大區(qū)間為主，最高設計速度100 km/h。該線以地方無委會正式批復的1 790～1 805 MHz頻段資源為基礎，構建雙網(wǎng)LTE-M系統(tǒng)(10 MHz A網(wǎng)和5 MHz B網(wǎng))。此外，機場線貫穿多處商業(yè)和工業(yè)開發(fā)區(qū)，沿線有多家企事業(yè)單位自建有1.8 GHz TD-LTE系統(tǒng)。因此，西安機場線LTE-M建設所面臨的難點主要集中在以下幾方面：

1) 機場線與西安地鐵4號線在北客站的干擾保護與網(wǎng)絡優(yōu)化。西安地鐵4號線LTE-M系統(tǒng)占用1 785～1 805 MHz頻段中全部20 MHz頻率資源。機場線與西安地鐵4號線在北客站實現(xiàn)地下二層一島兩側同臺換乘。4號線站臺軌行區(qū)無線信號覆蓋采用中隔墻上掛板狀定向天線的方式。

2) 機場線與西安地鐵4號線在草灘停車場的干擾保護與網(wǎng)絡優(yōu)化。機場線渭河南站(高架站)及鄰近區(qū)間與西安地鐵4號線草灘停車場僅一墻之隔，停車場內LTE-M系統(tǒng)采用立桿安裝定向天線的方式實現(xiàn)信號覆蓋。

3) 機場線與渭河電廠、長慶石化在高架區(qū)間的干擾保護與網(wǎng)絡優(yōu)化。機場線渭河南—秦宮區(qū)間外2.5 km處建有渭河電廠自建LTE系統(tǒng)。長陵—擺旗寨區(qū)間外3 km處建有長慶石化自建LTE系統(tǒng)，且均采用高鐵塔+定向天線的方式實現(xiàn)廠區(qū)信號覆蓋。

4) 機場線與西安咸陽國際機場在高架區(qū)間的干擾保護與網(wǎng)絡優(yōu)化。機場線空港新城站及鄰近區(qū)間距離西安咸陽機場圍墻最近處僅600 m，西安咸陽國際機場TD-LTE寬帶無線通信網(wǎng)占用1 785～1 795 MHz頻率資源，該系統(tǒng)采用板狀定向天線的方式實現(xiàn)信號覆蓋。

2 機場線LTE-M系統(tǒng)干擾保護措施

對于系統(tǒng)的干擾保護，一般有頻率隔離、空間隔離、小區(qū)間干擾協(xié)調、基站規(guī)劃參數(shù)調整等手段，各種保護措施的特點如表1所示。

表1 LTE-M系統(tǒng)干擾保護措施

針對機場線特殊工況，首先明確機場線LTE-M系統(tǒng)方案的工程設計原則：

1) 全線漏纜覆蓋。針對機場線高架區(qū)間較多的特點，確定所有正線區(qū)間、出入段線、試車線全部使用漏纜覆蓋；高架側式車站、場段咽喉區(qū)使用吸頂或板狀定向天線補盲[2]，可最大限度避免機場線對紅線外部環(huán)境產生電磁干擾。同時漏纜覆蓋具備場強集中的優(yōu)點，更利于抵御外部干擾信號。

2) 優(yōu)化漏纜敷設位置。通過將隧道區(qū)間漏纜敷設高度控制在3.7～4.1 m之間、高架區(qū)間漏纜敷設高度控制距離軌面0.3～0.9 m之間，可最大限度降低額外耦合損耗，提升抗干擾能力[3]。

3) 超級小區(qū)組網(wǎng)。在高架區(qū)間左、右線分別設置RRU(射頻拉遠單元)實現(xiàn)LTE信號覆蓋，左、右線同一里程RRU配置為超級小區(qū)，避免小區(qū)間干擾[4]。

4) 壓縮覆蓋范圍。在遭遇干擾風險較高的區(qū)域內，適當壓縮單RRU小區(qū)覆蓋范圍至900 m以內。同時為后期優(yōu)化越區(qū)切換算法提供調整余量[5]。

5) 提升終端可靠性。車頂設置兩幅鯊魚鰭單極化天線，車底左、右各設置一副板狀雙極化天線，提高系統(tǒng)可靠性。

6) A、B網(wǎng)RRU均同站址布放。對于LTE的鄰頻干擾，主要考慮其帶外阻塞的影響，因此設計時要求將雙網(wǎng)RRU布放里程點均保持一致。

其次，采用定量分析的方式制定具體措施。根據(jù)LTE-M規(guī)范要求，最小RSRP(參考信號接收功率)不低于-95 dBm，SINR(信噪比)不低于3 dB。SINR的計算公式如下：

(1)

式中：

RSIN——SINR(信噪比)，dB；

VC——載波信號電平值的均方根；

VN——其他噪聲電平值均方根，包含了底噪、異系統(tǒng)的干擾信號以及來自機場線自身的同頻干擾信號。

RSRP可等價為20 lgV?？紤]到底噪遠小于來自同頻異系統(tǒng)的干擾，可假設：

VN=V干擾+V底噪

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)可得：

RSIN=20 lgVC-20 lgVN=PRSR-20 lgVN=

PRSR-20 lg(2V干擾)=

PRSR-PRSR干擾-6 dB

(3)

式中：

PRSR——RSRP(參考信號接收功率)，dBm。

結合工程經驗，可將SINR指標設定為≥9dB，則根據(jù)式(3)可得系統(tǒng)的干擾保護準則為[6]：

PRSR≥PRSR干擾+15 dB

(4)

即保證本線LTE信號與干擾系統(tǒng)信號之間RSRP差值≥15 dB時，外部干擾對本系統(tǒng)的影響可忽略不計。以此參數(shù)作為定量分析的指標，依照理論計算、模擬仿真、外場實測、網(wǎng)絡優(yōu)化的系列步驟開展設計和調試工作。

另外，由于雙方均工作在同一頻帶內，對于相互間的鄰頻干擾，同樣要考慮帶外阻塞的影響，在不考慮隔離度的情況下，只要干擾信號不大于16 dBm/20 MHz即可滿足系統(tǒng)正常工作要求[1]。

3 機場線LTE-M系統(tǒng)優(yōu)化

機場線與各外部LTE系統(tǒng)的干擾保護和網(wǎng)絡優(yōu)化策略基本一致。現(xiàn)以機場線與西安地鐵的干擾分析和處理方案為例進行說明。

3.1 機場線與西安地鐵4號線在北客站干擾處理及網(wǎng)絡優(yōu)化

由于機場線獲批的15 MHz的頻率資源與4號線使用的20 MHz頻段完全重疊，因此無法使用頻率隔離措施。雖然LTE小區(qū)間的同頻干擾是一種窄帶的隨機干擾，即使不采用ICIC技術，基于OFDMA(正交頻分多址接入)的LTE系統(tǒng)天然具備干擾隨機化的能力[7]。但在雙方系統(tǒng)均滿負荷運行時，小區(qū)間干擾協(xié)調手段嚴重受限，只能通過空間隔離和基站參數(shù)配置手段進行設計和網(wǎng)絡優(yōu)化：機場線采用在本方中隔墻廣告燈箱上方敷設漏纜的方式來精確控制信號場強和覆蓋范圍，漏纜敷設方向與4號線一致并互為鏡像，確保沿著軌道同一方向的無線場強變化趨勢相同，場強同強同弱便于干擾控制；機場線和4號線雙方基站設置相同發(fā)射功率、相同時隙配比、相同特殊子幀配比，均首選GPS同步方案。

如圖1所示，兩線中隔墻間隔26 m，漏纜耦合損耗增加約11 dB，屏蔽門頂部鋼板及墻體的穿透損耗≥10 dB。在雙線同時開啟屏蔽門時，無線干擾最為嚴重，即使不考慮車體、人體、天花板等影響，空間隔離度仍可達21 dB以上。理論分析表明，在雙方發(fā)射功率一致的情況下，方案能夠滿足系統(tǒng)信噪比≥15 dB的限值要求，且信號強度遠小于16 dBm/20 MHz，初步認定干擾可控。

圖1 機場線與4號線同臺換乘示意圖

后期網(wǎng)優(yōu)階段如圖2所示，機場線軌行區(qū)范圍內實測出4號線LTE信號強度均低于-100 dBm，在此區(qū)域內機場線控制發(fā)射功率≥-80 dBm(含衰落儲備)時即可滿足雙方的干擾保護要求。

圖2 機場線軌行區(qū)內的4號線信號強度

3.2 機場線渭河南站與西安地鐵4號線草灘停車場間的干擾處理及網(wǎng)絡優(yōu)化

西安地鐵草灘停車場采用板狀定向天線覆蓋LTE信號。如圖3所示，RRU1距離渭河南站較近，其無線信號輻射范圍大且較難收斂，此處以RRU1為研究對象。

在前期不具備現(xiàn)場測試、調試條件時，應首先收集4號線基站參數(shù)，對其進行仿真，模擬其覆蓋范圍和場強分布，保證后期機場線的設計能否預留優(yōu)化裕量。以10 MHz頻寬的A網(wǎng)為例，仿真模型輸入?yún)?shù)如表2所示。

圖3 4號線停車場RRU分布

表2 仿真模型輸入?yún)?shù)

圖4的仿真結果顯示，機場線內來自4號線的干擾信號均大于-95 dBm。該結果與后期現(xiàn)場電磁環(huán)境測試的數(shù)據(jù)基本一致。

圖4 渭河南站附近干擾強度分布

通過協(xié)調設備廠家優(yōu)化4號線草灘停車場運用庫口A網(wǎng)RRU1(3號扇區(qū)、PCI編號127)的天線方位角、下傾角以及RRU功率，調整前后站點的工程參數(shù)如表3所示。

表3 干擾站參數(shù)優(yōu)化

經調整后，在機場線范圍內實測來自4號線的干擾信號最高場強為-105 dBm，因此機場線控制本線信號強度≥-95 dBm(含衰落儲備)時即可滿足系統(tǒng)運行要求。

4 結語

隨著工業(yè)與信息化部關于1.8 GHz頻率資源使用政策的發(fā)布，以及中國交通運輸協(xié)會LTE-M系列規(guī)范的正式實施，LTE-M系統(tǒng)在各城市軌道交通中的建設規(guī)模逐步加大，線網(wǎng)級應用的雛形已經形成。鑒于20 MHz頻率資源有限以及多行業(yè)共用的性質，線網(wǎng)級應用將面臨復雜的頻率規(guī)劃和干擾保護問題。機場線的工程特點幾乎涵蓋了所有需要進行LTE-M干擾保護設計和網(wǎng)絡優(yōu)化的場景。通過本文提及的工程設計思路，以及干擾保護所涉及的理論計算、仿真、實測、網(wǎng)優(yōu)等措施，可為各城市LTE-M系統(tǒng)線網(wǎng)級應用的頻率規(guī)劃、系統(tǒng)設計、網(wǎng)絡優(yōu)化工作提供有價值的參考。