地鐵無(wú)線通信多系統(tǒng)接入的抗干擾技術(shù)及覆蓋效果測(cè)試

顧熙妍

(中鐵十一局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，湖北 武漢 430074)

受到空間限制，地鐵電纜與通信電纜密集排布，相互之間不可避免會(huì)發(fā)生干擾。無(wú)線電干擾會(huì)導(dǎo)致通信系統(tǒng)中出現(xiàn)大量雜散、諧波等信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響正常通信。基于POI 平臺(tái)的無(wú)線通信多系統(tǒng)接入抗干擾技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于地鐵、機(jī)場(chǎng)、展覽館等場(chǎng)所。相比于以往地鐵站采用多個(gè)獨(dú)立并行接入覆蓋系統(tǒng)，選擇無(wú)線通信多系統(tǒng)接入技術(shù)進(jìn)行信號(hào)覆蓋，一方面是能夠減少設(shè)備數(shù)量，節(jié)約安裝空間，尤其適合地鐵這種空間局促的場(chǎng)所。另一方面則是解決了無(wú)線接入網(wǎng)間的相互干擾問(wèn)題，對(duì)提升信號(hào)強(qiáng)度也有明顯的效果。

1 地鐵無(wú)線通信多系統(tǒng)接入時(shí)的抗干擾技術(shù)

1.1 科學(xué)布置濾波器

濾波器是POI 系統(tǒng)中的核心設(shè)備之一，具有帶外抑制特性，抑制能力通常在70dB 以上。所謂帶外抑制，是指濾波器對(duì)于偏離“中心頻率±通帶寬度”以外的信號(hào)，相對(duì)于中心頻率處的信號(hào)的抑制能力。以中國(guó)移動(dòng)900MHZ GSM系統(tǒng)和中國(guó)聯(lián)通800MHZ CDMA 系統(tǒng)為例，分析干擾形式及抗干擾技術(shù)。GSM系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)所受的干擾主要有3 種形式，分別為雜散干擾、阻塞干擾、互調(diào)干擾。其中，雜散干擾主要來(lái)自于CDMA 基站在885MHZ 附近的帶外發(fā)射，它會(huì)導(dǎo)致GSM系統(tǒng)的信噪比大幅度降低，通信嚴(yán)重受限；阻塞干擾取決于GSM接收機(jī)的帶外抑制能力，同時(shí)也與CDMA 的載波發(fā)射功率等有關(guān)；互調(diào)干擾與CDMA 多載頻、非線性的運(yùn)行模式有關(guān)，取決于CDMA 系統(tǒng)的帶外抑制能力。

在CDMA 基站發(fā)射端和GSM基站接收端分別安裝帶通濾波器，是抑制干擾的一種有效方法。假設(shè)地鐵無(wú)線通信系統(tǒng)中有A、B 兩條并行的通信網(wǎng)絡(luò)，在A 網(wǎng)的接收通道中安裝接收濾波器，可以在接受帶外發(fā)射信號(hào)時(shí)進(jìn)行同步抑制，從而降低B 網(wǎng)對(duì)A 網(wǎng)的阻塞干擾。同樣的，在B 網(wǎng)的接收通道中安裝接收濾波器，也能夠達(dá)到減輕A 網(wǎng)對(duì)B 網(wǎng)阻塞干擾的效果。濾波器安裝位置如圖1 所示。

圖1 基站增加機(jī)頂濾波器示意圖

1.2 加強(qiáng)系統(tǒng)隔離度

考慮到地鐵通信系統(tǒng)具有頻帶寬、子系統(tǒng)多的特點(diǎn)，為了減輕系統(tǒng)間的相互干擾，需要將通信系統(tǒng)的上、下行分開(kāi)傳輸，保證傳輸電纜之間有一定的間隔距離。在實(shí)際布置時(shí)，如何科學(xué)確定系統(tǒng)隔離度是一項(xiàng)重要工作。一味增加間隔距離，雖然保證了相互之間不受干擾，但是會(huì)占用更多的空間。而地鐵內(nèi)部空間狹小，必然會(huì)增加操作難度和安裝成本。相反，如果間隔距離不夠，無(wú)法解決干擾問(wèn)題，又會(huì)影響通信質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)許多城市對(duì)地鐵無(wú)線公網(wǎng)各系統(tǒng)之間的隔離度做出了明確要求，S 市的隔離度要求如表1 所示。

表1 S 市地鐵無(wú)線公網(wǎng)各系統(tǒng)間的隔離度要求

以CDMA 下行帶外雜散輻射干擾GSM M900 上行為例，要想避免此類(lèi)干擾，需要的最小帶外雜散輻射空間隔離度計(jì)算公式為：

上式中，LISO1為POI 輸入功率；LCRTX-Amp為CMDA 的帶外抑制；LTX-rig為890MHz 情況下CDMA 機(jī)頂濾波器的帶外抑制；IAff為有害干擾信號(hào)強(qiáng)度要求比背景雜聲低10dB；LPOI為POI 的插入損耗；LHbrid為橋路損耗，Lcable為100M 路線損耗。結(jié)合S 市地鐵實(shí)際情況，將各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)際值帶入上式計(jì)算，得出LISO1的值為18.2dB，即要想使CDMA 下行帶外雜散輻射不干擾GSM900 的上行，要求空間隔離度不得低于18.2dB。

1.3 合理設(shè)置天饋系統(tǒng)

1.3.1 泄漏電纜間距的設(shè)置

現(xiàn)階段城市地鐵建設(shè)中，為了提升通信效率、降低通信阻塞，通常會(huì)把公眾無(wú)線通信系統(tǒng)的上、下行兩個(gè)鏈路分開(kāi)。在此基礎(chǔ)上，使用泄漏同軸電纜對(duì)鏈路進(jìn)行覆蓋，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 區(qū)間泄漏電纜覆蓋示意圖

參考電波的波長(zhǎng)(λ)計(jì)算公式：

易得特定頻率下各無(wú)線信號(hào)的波長(zhǎng)。以頻率為900MHz的電波為例，其波長(zhǎng)λ=0.33m。在此基礎(chǔ)上，參考隔離度損耗(L)公式：

上式中D 為兩條泄漏電纜之間的間隔距離，單位為m。可以計(jì)算出不同間距下900MHz 泄漏電纜的隔離損耗。當(dāng)D=0.1m 時(shí)，L 為54.5dB；當(dāng)D=0.5m 時(shí)，L 為68.4dB；當(dāng)D=1.0m 時(shí)，L 為74.4dB。另外，實(shí)驗(yàn)表明在兩條泄漏電纜間距=30cm 時(shí)，在800-1000MHz 頻段內(nèi)，損耗為75dB；在1600-2500MHz 頻段內(nèi)，損耗為66dB。綜上，在地鐵天饋系統(tǒng)設(shè)置中，將上、下行兩條泄漏電纜的間隔距離設(shè)定在0.2-0.4m 之間是比較合適的。

1.3.2 分布式天線的設(shè)置

在分布式天線中，接收線和發(fā)射線均有10dB 的耦合損耗。因而分布式天線的隔離度能夠從最初的38.2dB 降低到18.2dB。假設(shè)有2 個(gè)全向天線并排布置，則隔離度計(jì)算公式為：

上式中，D 為兩條天線之間的水平距離，單位為m。當(dāng)分布式天線隔離度(LISO)為18.2dB 時(shí)，計(jì)算出D 為0.2m。故分布式天線中的接收線與發(fā)射線之間，水平距離不應(yīng)低于0.2m。實(shí)際上，目前國(guó)內(nèi)許多城市的地鐵線路中，收發(fā)天線距離均在1m 以上，例如上海地鐵9 號(hào)線為1.2m，南京地鐵3號(hào)線為1.5m。

1.4 優(yōu)化輻射功率分配

考慮到不同系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸期間的衰減、損耗情況存在明顯差異，因此地鐵通信多系統(tǒng)接入時(shí)要想保證覆蓋區(qū)域內(nèi)各處的信號(hào)強(qiáng)度均能達(dá)到預(yù)期，必須要對(duì)各系統(tǒng)的輻射功率進(jìn)行科學(xué)分配。現(xiàn)階段常用的技術(shù)手段是監(jiān)測(cè)、計(jì)算出各個(gè)頻段信號(hào)在泄露電纜中傳輸時(shí)，在信號(hào)強(qiáng)度滿足要求的前提下所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。如果覆蓋區(qū)域內(nèi)某處場(chǎng)強(qiáng)較弱，可以在該位置安裝放大器，從而讓各頻段信號(hào)趨于一致，達(dá)到均勻覆蓋的效果。假設(shè)某條泄漏電纜支持的最大傳輸距離為Dmax，則各頻段的最大傳輸距離應(yīng)滿足以下條件：

PA-αDmax-LC-Lm-Ln≥Prmin

上式中，PA為泄漏電纜的輸入功率，單位為dBm；α 為泄漏電纜傳輸損耗系數(shù)，單位為dB/100m；LC為泄漏電纜的耦合損耗，單位為dB；Lm為地鐵車(chē)廂穿透損耗，單位為dB；Ln為瑞利損耗，單位為dB；Prmin為最小接收電平，單位為dBm。以S 市地鐵數(shù)字電視無(wú)線公網(wǎng)泄漏電纜信號(hào)為例，其頻率為600MHz，輸入功率38.86dBm，傳輸系數(shù)損耗為2.0dB/100m，耦合損耗為65dB，最小接收電平為-82dBm，則根據(jù)上式計(jì)算出泄露電纜的最大傳輸距離為2143m。

1.5 降低電磁干擾影響

電機(jī)是引起電磁干擾的主要因素，由于電機(jī)運(yùn)行時(shí)頻率較低，因此對(duì)于無(wú)線通信系統(tǒng)主要產(chǎn)生低頻干擾。降低和屏蔽低頻干擾的手段有多種，例如選擇電源濾波器技術(shù)，或者在電源模塊設(shè)計(jì)時(shí)采用薄膜合金技術(shù)，都能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)化屏蔽的效果。另外，由于POI 系統(tǒng)中已經(jīng)安裝了高性能濾波器，也能夠在一定程度上發(fā)揮抑制低頻干擾的效果。當(dāng)然，在實(shí)際情況下還要考慮潛在干擾的影響，因此通常會(huì)預(yù)留出3-5dB的信號(hào)功率余量。

2 地鐵無(wú)線信號(hào)覆蓋效果測(cè)試

無(wú)線通信子系統(tǒng)的指標(biāo)要求如下：a.GSM系統(tǒng)。隧道、站臺(tái)、站廳超過(guò)95%的區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)≥-85dBm；超過(guò)95%的區(qū)域在99%的時(shí)間內(nèi)移動(dòng)臺(tái)可接入網(wǎng)絡(luò)；誤碼率為3 以下的區(qū)域占整個(gè)覆蓋區(qū)域的95%以上。b.CDMA 系統(tǒng)。隧道、站臺(tái)、站廳超過(guò)95%的區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)≥-85dBm；超過(guò)95%的區(qū)域在99%的時(shí)間內(nèi)移動(dòng)臺(tái)可接入網(wǎng)絡(luò)；一次解碼時(shí)誤幀率≤1%。

基于上述要求對(duì)地鐵2 號(hào)線覆蓋效果進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試所用手機(jī)為愛(ài)立信TEMS(GSM專(zhuān)用測(cè)試手機(jī))，所用軟件為ANTWalkman for GSM測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試內(nèi)容為通話測(cè)試和掃頻測(cè)試。選擇1800MHz 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 某市地鐵2 號(hào)線區(qū)間無(wú)線信號(hào)測(cè)試效果

結(jié)合圖3 可知，該測(cè)試區(qū)間內(nèi)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)在-50-RxLev(滿強(qiáng)度)之間波動(dòng)，其中超過(guò)-85dBm 的占比達(dá)到了100%，滿足設(shè)計(jì)要求中95%的要求。誤碼率為3 以下的區(qū)域?yàn)?00%，也滿足設(shè)計(jì)要求中95%的要求。綜上，將無(wú)線通信多系統(tǒng)接入地鐵后，隧道、站臺(tái)、站廳內(nèi)1800MHz 信號(hào)覆蓋場(chǎng)強(qiáng)滿足設(shè)計(jì)要求，保證了地鐵運(yùn)行時(shí)的無(wú)線通信需要。

3 結(jié)論

無(wú)線通信多系統(tǒng)接入平臺(tái)可以采用泄漏電纜覆蓋與全向天線覆蓋的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵隧道、站臺(tái)、站廳等各處信號(hào)的均勻、全面覆蓋，是現(xiàn)階段地鐵通信設(shè)計(jì)中常用的一種技術(shù)。但是無(wú)線通信多系統(tǒng)接入時(shí)，面臨著熱噪聲干擾、同頻干擾、雜散干擾、阻塞干擾等，降低了信號(hào)質(zhì)量。通過(guò)合理設(shè)置濾波器、增加系統(tǒng)隔離度、科學(xué)分配輻射功率以及降低電磁干擾等措施，能夠進(jìn)一步提升無(wú)線通信多系統(tǒng)接入時(shí)的抗干擾能力，從而保障了地鐵各系統(tǒng)之間的高質(zhì)量通信。在地鐵公眾無(wú)線通信系統(tǒng)從4G 向5G 擴(kuò)展的過(guò)程中，無(wú)線信號(hào)頻率更高，衰減情況更加嚴(yán)重，這種情況下無(wú)線通信多系統(tǒng)接入抗干擾技術(shù)的應(yīng)用前景更加廣泛。