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(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)

針對國內(nèi)地鐵的車-地無線通信技術(shù)，將LTE (long term evolution，長期演進)與WLAN(wireless local area networks，無線局域網(wǎng))技術(shù)進行對比，提出一套LTE組網(wǎng)方案。針對該方案，分析下行鏈路預(yù)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(tǒng);由于系統(tǒng)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(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-地無線通信系統(tǒng);LTE(長期演進);WLAN (無線局域網(wǎng));鏈路預(yù)算;干擾

地鐵通信系統(tǒng)作為地鐵運營調(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，是地鐵正常運營的神經(jīng)系統(tǒng)。車-地無線通信系統(tǒng)是地鐵通信系統(tǒng)的重要組成部分。地鐵車-地無線通信系統(tǒng)主要承載CBTC(communication based train control，基于無線通信的列車自動控制系統(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，針對車載監(jiān)控業(yè)務(wù)的上行帶寬為5Mb/s。

地鐵車-地無線通信系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)暢通進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)列車與控制中心的移動通信，有效處理突發(fā)事件，需要選擇合適的通信技術(shù)來實現(xiàn)。

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(wǎng)絡(luò))技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于地鐵無線通信領(lǐng)域。WLAN技術(shù)通過軌旁FitAP和車載FatAP構(gòu)建的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對列車運行沿線的無線信號覆蓋。地鐵車-地無線通信系統(tǒng)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(shè)備。每隔200 m就需要鋪設(shè)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(shù)據(jù)傳輸造成的影響越大［1］。隨著移動通信的發(fā)展，各種制式的移動終端數(shù)量不斷增加，對無線網(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(xiàn)無縫覆蓋的高數(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)在解決帶寬和移動性上具有優(yōu)勢。技術(shù)發(fā)展較為成熟，產(chǎn)業(yè)鏈豐富完善［2］。目前，在我國新建地鐵項目中，開始逐步引入LTE 技術(shù)實現(xiàn)車-地無線通信。鄭州1號線PIS系統(tǒng)采用了華為LTE技術(shù);溫州S1線擬采用中興TD- LTE技術(shù)，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(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-地無線LTE技術(shù)方案

2.1 LTE組網(wǎng)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(qū)間、換乘通道以及出入口等區(qū)域。

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

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

地鐵LTE 實現(xiàn)車-地無線的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 鏈路預(yù)算

在無線通信系統(tǒng)中，鏈路預(yù)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(tǒng)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(tǒng)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(yīng)現(xiàn)有的各種無線通信體制，應(yīng)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(xiàn)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(guān)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(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(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(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(nèi)下行鏈路預(yù)算

對于室內(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(tǒng)，多頻段無線信號通過POI(point of interface，多系統(tǒng)合路平臺)合路后引入天饋分布系統(tǒng)。引入LTE之后，運營商的系統(tǒng)對地鐵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(tǒng)，以達到充分利用資源、節(jié)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(tǒng)的上下行頻率如表4所示。

圖3 多頻段無線信號POI合路結(jié)構(gòu)

表4 各種制式移動通信系統(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，無線系統(tǒng)配置不當，發(fā)射機和接收機性能問題，小區(qū)重疊，電磁環(huán)境以及電磁兼容等，都是無線通信射頻干擾產(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 接收機互調(diào)干擾

收發(fā)機的非線性器件使得兩個以上頻率信號相互作用，而互調(diào)產(chǎn)物的頻率落入接收機內(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)物容易落入接收機的工作頻段內(nèi)。

中國聯(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)信號均未落在對方的工作頻段內(nèi)。所以，主要考慮雜散干擾和阻塞干擾，且重點考慮基站間的干擾。

2.3.2 雜散干擾

雜散輻射是發(fā)射機設(shè)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(fā)射的雜散信號功率，dBm;Pn為被干擾系統(tǒng)的接收帶內(nèi)熱噪聲，dBm;Nf為接收機的噪聲系數(shù)，基站的接收機噪聲系數(shù)一般不會超過5 dB;μ為干擾保護比。

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(jù)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(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準要求應(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

中國聯(lián)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(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

接收機接收到過強的信號時會導(dǎo)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(qū)，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(fā)射機功率;Pb是被干擾系統(tǒng)接收機阻塞限制電平［10］。

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

中國聯(lián)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(tǒng)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(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:基本技術(shù)類和工程建設(shè)類。從具體技術(shù)角度分析，可以采用一些信號處理技術(shù)加以改善或解決干擾。從物理層看，同步技術(shù)和智能天線技術(shù)是很好的措施;從無線資源管理角度看，動態(tài)信道分配是十分有效的方案。工程建設(shè)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(yōu)化天線安裝、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)生的機理和效果，通常需要遵守以下規(guī)避準則。

雜散干擾規(guī)避準則:受擾基站天線口接收的雜散干擾功率應(yīng)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(yīng)不高于接收機底噪(降敏3 dB)。

阻塞干擾規(guī)避準則: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(diào)干擾規(guī)避準則:在受擾基站生成的3階互調(diào)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(shù)系統(tǒng)都是可以接受的。

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

發(fā)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(diào)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(fā)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(fā)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(shù)，降低靈敏度，降低反向覆蓋。

3 結(jié)語

LTE技術(shù)具有高帶寬、低時延、抗干擾等特點。將LTE技術(shù)引入地鐵車-地無線通信系統(tǒng)，充分利用LTE的特點，提高地鐵交通運輸?shù)姆?wù)質(zhì)量，提升乘客服務(wù)體驗。LTE在地鐵車-地無線通信系統(tǒng)中廣泛使用是大勢所趨。LTE技術(shù)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(tǒng)間的干擾問題。通過有效的技術(shù)手段和建設(shè)手段完全可以降低干擾，使地鐵中的各種無線通信系統(tǒng)安全、可靠地運行。

［1］闞庭明.城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢探討［J］.鐵路計算機應(yīng)用，2009(1):37-39.

［2］張成國，李文明.長期演進(LTE)技術(shù)在地鐵無線通信中的應(yīng)用［J］.城市軌道交通研究，2015(1):112-115.

［3］官微，段紅光.LTE關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢分析［J］.電子測試，2009(5):22-25.

［4］于超.LTE在城市軌道交通無線調(diào)度通信中的創(chuàng)新性應(yīng)用研究［J］.鐵道通信信號，2014，50(10):65-67.

［5］方勇，彭斌.多系統(tǒng)合路時的地鐵覆蓋解決方案及切換分析［J］.移動通信，2008(21):42-47.

［6］穆瀟，夏昕.基于LTE的乘客信息系統(tǒng)車地無線通信方案研究［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012(14):4-6.

［7］高彥軍，馬子彥，賈萍.城市軌道交通車地無線TD- LTE的實現(xiàn)［J］.都市快軌交通，2014，27(6):9-12.

［8］朱春生.地鐵覆蓋方案淺析［J］.數(shù)據(jù)通信，2012 (2):52-54.

［9］邢強強，李新.地鐵通信系統(tǒng)引入TD- LTE系統(tǒng)后的干擾分析研究［J］.移動通信，2012(18):27-31.

［10］李楷，袁泉.GSM/TD-SCDMA/WLAN/TD-LTE共室分系統(tǒng)干擾分析［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2013(6):52-53.

(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(tǒng)，chenpeng320830@sina.com