地鐵車—地無線通信引入LTE后的干擾分析

陳 鵬 李文明 嚴 波

地鐵車—地無線通信引入LTE后的干擾分析

陳 鵬1李文明2嚴 波2

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

針對國內地鐵的車-地無線通信技術，將LTE (long term evolution，長期演進)與WLAN(wireless local area networks，無線局域網)技術進行對比，提出一套LTE組網方案。針對該方案，分析下行鏈路預算，對LTE基站的覆蓋能力進行評估，認為引入LTE后，地鐵中覆蓋了多頻段的無線通信系統;由于系統間頻率相近，無線信號之間容易形成干擾。從干擾形成的角度分析干擾的成因，定量計算系統間的隔離度，從技術和工程建設角度給出減少干擾的措施。

車-地無線通信系統;LTE(長期演進);WLAN (無線局域網);鏈路預算;干擾

地鐵通信系統作為地鐵運營調度、企業管理、服務乘客、治安反恐、應急指揮的網絡平臺，是地鐵正常運營的神經系統。車-地無線通信系統是地鐵通信系統的重要組成部分。地鐵車-地無線通信系統主要承載CBTC(communication based train control，基于無線通信的列車自動控制系統)和PIS(passenger information system，乘客信息系統)。目前，從業務需求的角度看，CBTC信號系統帶寬需求為100 Kb/s，PIS系統中的下行流的帶寬需求為10 Mb/s，針對車載監控業務的上行帶寬為5Mb/s。

地鐵車-地無線通信系統是保證地鐵安全、高密度、高效運營的重要手段。在軌道交通中保持無線網絡暢通進行數據傳輸，實現列車與控制中心的移動通信，有效處理突發事件，需要選擇合適的通信技術來實現。

1 LTE與W LAN比較

基于IEEE802.11系列標準的WLAN(wireless local area network，無線局域網絡)技術目前被廣泛應用于地鐵無線通信領域。WLAN技術通過軌旁FitAP和車載FatAP構建的無線傳輸網絡實現對列車運行沿線的無線信號覆蓋。地鐵車-地無線通信系統大多采用IEEE802.11a和802.11g標準。

軌旁FitAP安裝在軌道附近的固定位置，地鐵列車的兩端安裝車載FatAP設備。每隔200 m就需要鋪設AP(無線接入點)，施工難度大，維護成本高。通過對通信信道傳輸性能的分析，對車載天線選擇性能較好的無線信道完成車-地信息交互。由于WLAN天線覆蓋范圍限制，地鐵在80 km/h的速度下，需要9 s切換一次，切換頻率越高，對數據傳輸造成的影響越大［1］。隨著移動通信的發展，各種制式的移動終端數量不斷增加，對無線網絡的帶寬需求不斷增加。WLAN技術提供的帶寬已經不能承載地鐵用戶的需求。

LTE采用分組傳輸、低延時，能夠在地鐵高速移動情況下實現無縫覆蓋的高數據率。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技術在解決帶寬和移動性上具有優勢。技術發展較為成熟，產業鏈豐富完善［2］。目前，在我國新建地鐵項目中，開始逐步引入LTE 技術實現車-地無線通信。鄭州1號線PIS系統采用了華為LTE技術;溫州S1線擬采用中興TD- LTE技術，同時承載多媒體專用無線通信、CCTV(closed circuit television，閉路電視)以及PIS三大關鍵業務［3］。LTE與WLAN技術比較如表1所示。

表1 LTE與WLAN技術比較［4］

2 車-地無線LTE技術方案

2.1 LTE組網方案

在地鐵中，需要無線覆蓋的范圍包括車輛段、停車場、站臺、站廳、隧道區間、換乘通道以及出入口等區域。

隧道區間采用漏纜方式進行覆蓋，借助漏纜的線狀覆蓋特性，能較好地對隧道區域進行場強均勻覆蓋。較長的隧道區間應考慮設置光纖直放站延伸信號覆蓋范圍，以保證覆蓋質量。

在車站的站臺、站廳、辦公區域、換乘通道以及出入口等區域采用吸頂小天線進行覆蓋［5-6］。

地鐵LTE 實現車-地無線的組網結構如圖1所示。

2.2 鏈路預算

在無線通信系統中，鏈路預算是對一條通信鏈路上的各種損耗和增益的核算。通過對系統上、下行信號傳播途徑中各種影響因素的考察和分析，對系統的覆蓋能力進行評估。

2.2.1 漏纜射頻特性

漏纜是漏泄同軸電纜(leaky coaxial cable)的簡稱。漏纜的頻段覆蓋在450MHz～2 GHz以上，適應現有的各種無線通信體制，應用場合包括無線傳播受限的地鐵、鐵路隧道和公路隧道等。漏纜適合隧道這樣的狹小空間，可以實現信號均勻覆蓋。

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的關系。傳輸損耗主要是指傳輸線路的線性損耗，受距離和頻率影響，以dB/100 m標識。它同時包括了3個因素:泄露損耗、導體損耗和介質損耗。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;α1是導體的損耗系數;α2是介質的損耗系數;α3是泄露的損耗系數;f是頻率。

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

泄漏電纜的傳輸損耗和耦合損耗的大小與廠家、型號有關。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處測量值)=67 dB。

2.2.2 隧道區間下行鏈路預算

隧道區間采用漏纜方式進行覆蓋，而鏈路損耗主要來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］

對于車內覆蓋，接收電平要求在－75～－85 dBm之間。顯然，隧道區間的下行鏈路預算滿足要求［8］。

表2 隧道區間下行鏈路預算

2.2.3 站廳內下行鏈路預算

站廳內通常使用吸頂小天線進行覆蓋，吸頂天線的增益為3 dB。在下行鏈路中，各種損耗和增益情況如表3所示。

表3 站廳內下行鏈路預算

對于室內覆蓋，接收電平要求是在－75～－50 dBm之間。站廳內最偏僻位置的電平為－62.98 dBm，站廳內下行鏈路預算滿足要求。

2.3 多頻段接入干擾分析

在地鐵中部署了多種運營商的移動通信系統，多頻段無線信號通過POI(point of interface，多系統合路平臺)合路后引入天饋分布系統。引入LTE之后，運營商的系統對地鐵LTE造成系統間干擾。分析系統間干擾的成因，減少干擾，確保地鐵LTE正常運行。運用頻率合路器與電橋合路器對多個運營商、多種制式的移動信號合路后引入天饋分布系統，以達到充分利用資源、節省投資的目的。多頻段無線信號POI合路如圖3所示［9］。運營商的移動通信系統的上下行頻率如表4所示。

圖3 多頻段無線信號POI合路結構

表4 各種制式移動通信系統的上下行頻率［9］

地鐵LTE使用的頻段是1 785～1 805MHz。由表4可以發現，中國聯通DCS1 800系統的頻段與地鐵中LTE的頻段比較接近，下面著重分析中國聯通DCS 1 800系統與LTE間的干擾和系統間隔離度。

系統間干擾的產生是多種多樣的，如頻率資源的分配不合理，無線系統配置不當，發射機和接收機性能問題，小區重疊，電磁環境以及電磁兼容等，都是無線通信射頻干擾產生的原因。

從形成的角度區分，系統間的干擾主要包括鄰頻干擾、接收機互調干擾、雜散干擾和阻塞干擾。由于一般系統之間的間隔率可以是工作帶寬數倍，所以系統間一般不容易出現鄰頻干擾。

2.3.1 接收機互調干擾

收發機的非線性器件使得兩個以上頻率信號相互作用，而互調產物的頻率落入接收機內才造成干擾，使信噪比下降。其中3階互調的影響最大，3階互調產物容易落入接收機的工作頻段內。

中國聯通DCS1 800下行3階互調產物頻段范圍為:1 830～1 860 MHz;地鐵LTE下行3階互調產物頻段范圍為:1 765～1 825 MHz。3階互調信號均未落在對方的工作頻段內。所以，主要考慮雜散干擾和阻塞干擾，且重點考慮基站間的干擾。

2.3.2 雜散干擾

雜散輻射是發射機設備性能中一項重要的指標。雜散輻射指標一般是針對不同測量帶寬的，單位為dBm/xxkHz(絕對量)或dBc/xxkHz(相對于有用信號的相對量)。

雜散所需要的隔離度為

式中:MCL為隔離度要求;Pspu為干擾源發射的雜散信號功率，dBm;Pn為被干擾系統的接收帶內熱噪聲，dBm;Nf為接收機的噪聲系數，基站的接收機噪聲系數一般不會超過5 dB;μ為干擾保護比。

被干擾系統的接收帶內熱噪聲為

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

式(4)可以簡化為

不同干擾級別下根據干擾保護比μ的不同，計算出來的隔離度也將不同。這里取μ=0，即沒有干擾保護比的情況。

地鐵LTE基站對中國聯通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準要求應低于－96 dBm/100 kHz;DCS1 800系統工作信道帶寬為200 kHz，因此DCS1 800系統工作信道帶寬內的總熱噪聲功率為

雜散所需要的隔離度為:MCL≥30 dB

中國聯通DCS1 800基站對地鐵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低于－61 dBm/100 kHz;LTE工作信道帶寬內的總熱噪聲功率為

雜散所需要的隔離度為MCL≥45 dB

2.3.3 阻塞干擾

接收機接收到過強的信號時會導致接收機過載，放大增益會被抑制。阻塞干擾是將接收機的低噪聲放大器LNA推向飽和區，使其不能正常工作的強功率帶外干擾。

阻塞干擾隔離度為

式中:Po是干擾源發射機功率;Pb是被干擾系統接收機阻塞限制電平［10］。

地鐵LTE基站對中國聯通DCS1 800基站的阻塞隔離度:MCL≥43－0=43 dB

中國聯通DCS1 800基站對地鐵LTE基站的阻塞隔離度:MCL≥43+16=58 dB

為了減小系統間的干擾，不同基站的天線之間必須要有足夠的隔離度。地鐵LTE與中國聯通DCS1 800系統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:基本技術類和工程建設類。從具體技術角度分析，可以采用一些信號處理技術加以改善或解決干擾。從物理層看，同步技術和智能天線技術是很好的措施;從無線資源管理角度看，動態信道分配是十分有效的方案。工程建設類方法主要有:增加頻率保護帶、提高濾波精度、增加站址間距、優化天線安裝、限制設備參數等。

1)為了保證受擾系統能夠正常工作，根據干擾產生的機理和效果，通常需要遵守以下規避準則。

雜散干擾規避準則:受擾基站天線口接收的雜散干擾功率應比接收機底噪低7 dB(降敏0.8 dB);受擾終端天線口接收的雜散干擾功率應不高于接收機底噪(降敏3 dB)。

阻塞干擾規避準則:受擾基站從干擾基站接收到的總載波功率應比接收機的1 dB壓縮點低5 dB。由于1 dB壓縮點為接收機射頻電路部分的指標而非整機指標，不易評估，因此通常情況下采用受擾基站的接收阻塞指標作為干擾門限即可。

互調干擾規避準則:在受擾基站生成的3階互調干擾電平比它的接收機噪底低7 dB(降敏0.8 dB);如果滿足了這些隔離度要求，受擾基站的接收機靈敏度只下降0.8 dB，這對于絕大多數系統都是可以接受的。

2)工程實施和網絡規劃時常用的干擾隔離具體措施有以下幾種:

發射和接收天線保證足夠的空間隔離，二者必須在距離上保持足夠遠;

調整干擾基站天線的傾角或水平方向角，或使用高前后比的天線;

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

減低干擾基站的發射功率，但會降低下行覆蓋;

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

3 結語

LTE技術具有高帶寬、低時延、抗干擾等特點。將LTE技術引入地鐵車-地無線通信系統，充分利用LTE的特點，提高地鐵交通運輸的服務質量，提升乘客服務體驗。LTE在地鐵車-地無線通信系統中廣泛使用是大勢所趨。LTE技術使地鐵運營更加安全、便捷、舒適。同時，引入LTE之后，也會帶來一些問題，如系統間的干擾問題。通過有效的技術手段和建設手段完全可以降低干擾，使地鐵中的各種無線通信系統安全、可靠地運行。

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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，主要研究方向為通信與信息系統，chenpeng320830@sina.com