地鐵民用通信中5G NR與異系統(tǒng)間的干擾隔離度研究

朱佳 孫宜軍 山笑磊

【摘? 要】針對地鐵民用通信中5G NR與異系統(tǒng)間的干擾隔離度問題，首先介紹了目前地鐵系統(tǒng)中引入的通信系統(tǒng)，并對主要存在的干擾類型進行了分析;其次對地鐵內(nèi)可能存在的各類干擾進行定量分析，通過最小耦合損耗分析法計算出各系統(tǒng)間的干擾隔離度;最后結(jié)合空間合理理論計算出水平和垂直隔離距離，為5G實際工程建設(shè)提供理論支撐。

【關(guān)鍵詞】地鐵民用通信;5G NR;干擾隔離度

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.08.010? ? ? 中圖分類號：TN915.81

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）08-0056-06

引用格式：朱佳，孫宜軍，山笑磊. 地鐵民用通信中5G NR與異系統(tǒng)間的干擾隔離度研究[J]. 移動通信， 2019，43（8）： 56-61.

[Abstract]?Aiming at the problem of interference isolation between 5G NR and different systems in metro civil communications， this paper first introduces various communication systems in the current metro system and analyzes the main types of interference. Then the various types of potential interference in the metro are quantitatively analyzed where the interference isolation between different systems is calculated via the minimum coupling loss analysis method. Finally， the horizontal and vertical isolation distances are calculated based on the space reasonable theory， which provides theoretical support for the construction of 5G practical projects.

[Key words]metro civil communication; 5G NR; interference isolations

1? ?引言

隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國城市軌道交通也迅猛發(fā)展，截至2018年底，中國內(nèi)地（不含港澳臺）共有35個城市開通城市軌道交通，運營線路總計185條，線路總長度5 761.4 km，預(yù)計到2020年，國內(nèi)地鐵建設(shè)規(guī)模將達到9 000 km。地鐵避開了城市擁堵的地面空間，越來越多的民眾選擇地鐵作為出行的重要工具。地鐵通信系統(tǒng)主要包括專用通信和民用通信。對于專用通信而言，它能夠有效實現(xiàn)地鐵車輛的調(diào)度通信;對于民用通信而言，由于地鐵場景的特殊環(huán)境，地下站廳、臺層、隧道內(nèi)軌行區(qū)將成為公共移動通信的盲區(qū)，為解決此問題，將民用通信系統(tǒng)引入地鐵車站和隧道，實現(xiàn)全方位覆蓋，保證乘客能夠即時通信。

現(xiàn)階段，地鐵民用通信覆蓋建設(shè)主要以2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)制式為主，對于2G/3G網(wǎng)絡(luò)，POI（Point of Interface）合路[1]采用上下行分纜方案，可以有效地防止各種下行頻段相互引起的干擾產(chǎn)物串入上行系統(tǒng)。但在引入4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)后，為了體現(xiàn)MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）的性能優(yōu)勢，4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)POI合路后就開始不做上下行區(qū)分，這種思路被沿用了一段時期，也未發(fā)生干擾問題。在頻率資源有限的情況下，運營商逐步引入了1.8 GHz、2.1 GHz、2.6 GHz頻段網(wǎng)絡(luò)，干擾問題立刻凸顯出來，嚴重影響運營商網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及客戶感知，單純靠POI設(shè)備的隔離度已經(jīng)無法解決干擾問題了，如何協(xié)同處理成了一個熱點難題。5G[2]預(yù)計在2020正式商用，地鐵屬于5G的典型應(yīng)用場景，為了保證地鐵場景的高流量、大連接特征，地鐵場景5G覆蓋已成為必然。

2? ?研究現(xiàn)狀

2019年1月5日，全國首個5G地鐵站（成都地鐵10號線太平園站）正式開通，是全國第一個覆蓋5G信號的地鐵站，采用的是基于2.6 GHz頻段的5G數(shù)字化室內(nèi)分布系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。它由5G網(wǎng)絡(luò)接入到無線客戶終端設(shè)備CPE（Customer Premise Equipment），將5G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化成Wi-Fi信號覆蓋整個站廳。2019年3月21日，全國首個5G“E站”入駐鄭州地鐵5號線中原福塔站，它是一種E站與5G室內(nèi)數(shù)字系統(tǒng)結(jié)合的新型室內(nèi)站型，用于解決室內(nèi)價值熱點區(qū)域覆蓋問題。2019年3月28日，吉林省首個5G地鐵站體驗區(qū)開通，同樣是由5G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化成的Wi-Fi信號來覆蓋地鐵站。2019年4月18日，鄭州地鐵5號線區(qū)間隧道內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)實驗成功，可滿足地鐵運行狀態(tài)下的5G體驗。這些都驗證了基于已有的2.6 GHz頻段分布系統(tǒng)進行5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的可行性。

目前現(xiàn)有的5G NR（New Radio）部署方案中，只是基于2.6 GHz頻段進行覆蓋，未對3.5 GHz頻段做覆蓋，現(xiàn)有的方案存在一定的局限性。另外，已覆蓋的地鐵站是將5G網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)化成Wi-Fi信號，無法實現(xiàn)真正意義上的4T4R。5G發(fā)展成熟后，地鐵內(nèi)必然要部署2.6 GHz及3.5 GHz頻段，站廳、站臺和隧道區(qū)間共用一個分布系統(tǒng)，需考慮各個系統(tǒng)之間的相互影響。

干擾信號對通話質(zhì)量、服務(wù)質(zhì)量、小區(qū)切換、功率控制、容量以及網(wǎng)絡(luò)的覆蓋影響較為嚴重。以下三點是造成各系統(tǒng)間干擾最主要的客觀原因：

（1）站址資源是影響網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)的核心。

（2）多個運營商共存：中國移動、中國聯(lián)通、中國電信。

（3）多個網(wǎng)絡(luò)制式共存：GSM、WCDMA、CDMA20001X/DO、TD-SCDMA、LTE、5G NR。

研究干擾隔離度[3]的目的是將干擾水平控制在可接受范圍內(nèi)，保證各通信系統(tǒng)正常運行。不同運營商間共建共享的基礎(chǔ)是分析系統(tǒng)間干擾隔離度。首先要分析5G NR與其他系統(tǒng)共址共建時所滿足的干擾隔離度，然后進一步確定空間隔離距離，以此作為依據(jù)來規(guī)避干擾，從整體上優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

3? ?頻段分配

目前，國內(nèi)的5G網(wǎng)絡(luò)頻譜劃分[3]已經(jīng)完成初步確認，三家運營商在地鐵項目擬接入16個民用通信系統(tǒng)及頻率[4]，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)制式及頻段如表1所示：

4? ?異頻間干擾分析

軌道交通民用通信系統(tǒng)的移動通信系統(tǒng)[5]在站廳、站臺和隧道區(qū)間共用一個分布系統(tǒng)的POI、天線和漏纜。各系統(tǒng)發(fā)射有用頻率信號的同時，在其工作信道頻帶外還會產(chǎn)生一些無用信號，比如阻塞、雜散、互調(diào)等。這些頻譜信號落入某些系統(tǒng)的工作頻帶內(nèi)就會對其造成干擾[6]。

4.1? 干擾分類

目前地鐵民用通信系統(tǒng)一般都是通過POI對多個運營商的多個系統(tǒng)進行合路，電纜采用上行、下行分開的布放方式。系統(tǒng)間干擾主要分為三種，分別是雜散干擾、阻塞干擾和互調(diào)干擾[7]。

（1）雜散干擾

雜散干擾是指一個系統(tǒng)頻段外的雜散輻射落入到另外一個系統(tǒng)的接收頻段內(nèi)造成的干擾。

（2）阻塞干擾

阻塞干擾是指設(shè)備接收微弱的有用信號時，受到接收頻率兩旁、高頻回路帶內(nèi)強干擾信號的干擾。

（3）互調(diào)干擾

互調(diào)干擾是指當(dāng)兩個或多個干擾信號同時加到接收機時，由于非線性的作用，這兩個干擾的組合頻率有時會恰好等于或接近有用信號頻率而順利通過接收機所產(chǎn)生的干擾。

4.2? 干擾分析方法

移動通信系統(tǒng)通常采用的干擾分析方法有兩種，一種是是靜態(tài)蒙特卡羅仿真法[8]，這種方法是指通過迭代計算仿真得出一個受到其他系統(tǒng)干擾影響的系統(tǒng);另一種是基于最小耦合損耗計算的確定性分析法，最小耦合損耗MCL（Minimum Coupling Loss）是指發(fā)射基站到接收基站之間的路徑損耗，包括天線增益和饋線損耗。基于鏈路預(yù)算原則[9]，通過計算兩個系統(tǒng)間的最小耦合損耗來確定系統(tǒng)間的干擾隔離度，從而來滿足接收機靈敏度。

本文將結(jié)合3GPP TS 36.101協(xié)議和3GPP TS 36.104協(xié)議規(guī)定的指標要求，采用最小耦合損耗分析法，分別計算5G NR采用2.6 GHz頻段、3.5 GHz頻段以及4.9 GHz組網(wǎng)時與其他通信系統(tǒng)的隔離度，最后結(jié)合空間合理理論計算出水平和垂直隔離距離，為設(shè)計和施工提供重要依據(jù)。

5? ?干擾隔離度分析

根據(jù)干擾隔離要求，針對地鐵內(nèi)可能存在的各類干擾進行定量分析。首先需計算出接收機底噪，即各系統(tǒng)工作信道帶寬內(nèi)總的熱噪聲功率，計算公式如下：

P=10log（KTB）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

K為波爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23;T為絕對溫度，在室溫17℃時，T=270 K，K為開爾文溫度單位;P0為熱噪聲功率譜密度，P0=K×T=4×10-18;B為接收機工作帶寬。上式帶入常量，以dBm為單位，上式表示為P=10log（KTB×1000 mW）。

P=-174+10lg（B）? ? ? ? （2）

根據(jù)各個網(wǎng)絡(luò)制式的發(fā)射功率和工作信道帶寬，得出系統(tǒng)的熱噪聲功率如表2所示：

5.1? 干擾隔離度計算及結(jié)果分析

（1）雜散干擾隔離度計算

一般情況下，雜散輻射的干擾底限通常取7 dB，這時接收機可接受的最大靈敏度損失取值為0.8 dB，對系統(tǒng)幾乎無影響。雜散干擾的隔離度計算公式如下：

MCL≥Pspu+10lg-Imax-Nf? ? （3）

其中，MCL為隔離度;Pspu為干擾基站的雜散輻射強度，單位為dBm;Waffected為被干擾系統(tǒng)的信道帶寬，單位是kHz;Winterfering為干擾系統(tǒng)的測量帶寬，單位是kHz;Pspu+10lg為干擾基站在被干擾系統(tǒng)信道帶寬內(nèi)的雜散輻射強度;Imax為系統(tǒng)允許的最大干擾信號強度;Pn為被干擾系統(tǒng)的接收帶內(nèi)熱噪聲，單位是dBm;Nf為接收機的噪聲系數(shù)，一般地，此系數(shù)小于或等于5 dB。

在干擾分析中，Imax與接收機可接受的最大靈敏度損失有關(guān)，此時有：

Imax=Pn+10lg=Pn-7? ? ? ? ? ? （4）

所以：

MCL≥Pspu+10lg-Pn-Nf+7 （5）

根據(jù)雜散干擾計算公式以及各系統(tǒng)的噪聲基底及雜散系數(shù)，各系統(tǒng)間的雜散干擾隔離度計算結(jié)果如表3所示。

（2）阻塞干擾隔離度計算

在設(shè)計地鐵多系統(tǒng)合路的POI時，為了保證系統(tǒng)正常工作，要求系統(tǒng)的阻塞電平要大于或等于接收機輸入端的強干擾信號功率，即滿足：

Pb ≥接收的干擾電平=? P0-MCL? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

其中，Pb為接收機的阻塞電平指標，P0為干擾發(fā)射機的輸出功率，所以系統(tǒng)間隔離度為：

MCL≥P0-Pb? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

根據(jù)阻塞干擾隔離度計算公式及阻塞干擾電平的要求，地鐵各系統(tǒng)阻塞干擾隔離度計算結(jié)果如表4所示。

（3）互調(diào)干擾隔離度計算

互調(diào)隔離度計算公式為：

MCL≥MAX（P1， P2， P3 ）-Pn-Nf+7? ? （8）

其中，MCL為隔離度;Pn為被干擾系統(tǒng)的接收帶內(nèi)熱噪聲，單位為dBm;P1、P2、P3分別為干擾系統(tǒng)1、干擾系統(tǒng)2、干擾系統(tǒng)3的信號強度，單位為dBm。

互調(diào)干擾的情況會很復(fù)雜，涉及到地鐵系統(tǒng)中的多個頻段，且信道又分為上行和下行。5G NR與其他系統(tǒng)共存時，產(chǎn)生互調(diào)干擾的隔離度計算結(jié)果如表5所示。

5.2? 5G NR與異系統(tǒng)間的綜合

干擾結(jié)果分析

由以上計算結(jié)果可知，在雜散干擾、阻塞干擾、互調(diào)干擾抑制這3個方面，最大隔離要求分別為90 dB、76 dB、176 dB。一般情況下，阻塞干擾的隔離度比雜散干擾的隔離度低很多，若隔離度能滿足雜散干擾的要求，即可滿足阻塞干擾的要求。

由互調(diào)干擾隔離度計算公式可知，在干擾系統(tǒng)輸出功率相同的條件下，隔離度也相同，被干擾系統(tǒng)的工作信道帶寬越小，系統(tǒng)的干擾隔離度越大。因此在研究5G NR與異系統(tǒng)間的互調(diào)干擾隔離度時只需計算5G NR與異系統(tǒng)的最低頻段（GSM 900）之間的隔離度即可。如果能夠通過某種增加隔離度的手段消除5G NR對GSM 900系統(tǒng)的干擾，那么5G NR與其他系統(tǒng)間都不會存在干擾。5G NR與GSM 900系統(tǒng)之間的三種干擾隔離度計算結(jié)果如下：

（1）雜散干擾：5G NR下行帶外雜散輻射可能干擾GSM 900的上行，雜散值為86 dB。

（2）阻塞干擾：5G NR的發(fā)射信號對GSM 900系統(tǒng)的阻塞干擾值為45 dB。

（3）互調(diào)干擾：5G NR下行POI三階交調(diào)產(chǎn)物可能干擾GSM 900上行，最大互調(diào)干擾176 dB。

目前，地鐵民用通信系統(tǒng)一般都是通過POI對多個運營商的多個系統(tǒng)進行合路，電纜采用上行、下行分開的布放方式。POI設(shè)備的性能也比較穩(wěn)定，多個系統(tǒng)間的隔離度一般都能達到90 dB，完全能滿足以上雜散和阻塞干擾的隔離要求。POI合路器三階互調(diào)抑制值可以達到-140 dBc，因此，如果要消除176 dB的互調(diào)干擾，還有36 dB需要通過漏纜上下空間分纜來確保系統(tǒng)之間的隔離度要求。

5.3? 5G NR與異系統(tǒng)間的干擾隔離距離計算

天線垂直隔離度傳播損耗計算公式為：

Vi[dB]=28+40*lg? ? ? ? ? ? ? ? （9）

其中，Vi[dB]為接收天線與發(fā)射天線之間的垂直隔離度，dv為接收天線與發(fā)射天線之間的垂直距離，λ表示接收頻段范圍內(nèi)的電磁波波長。

天線水平隔離度傳播損耗計算公式為：

Hi[dB]=22+20*lg-[（G1+G2）+（S1+S2）]? ? （10）

其中，Hi[dB]表示接收天線與發(fā)射天線之間的水平隔離度，dh表示接收天線與發(fā)射天線之間的水平距離，λ表示接收頻段范圍內(nèi)的電磁電波長，G1、G2表示接收與發(fā)射天線最大輻射方向增益（單位為dBi），S1、S2表示接收與發(fā)射天線90°方向副瓣電平（單位為dBp），（G1+G2）+（S1+S2）通常默認為2 dB。

由隔離距離公式可知，系統(tǒng)頻率越高，隔離距離要求就越低，因此在研究5G NR中三個頻段（2.6 GHz頻段、3.5 GHz頻段以及4.9 GHz頻段）與GSM 900M系統(tǒng)之間干擾隔離距離時，只需滿足5G NR中2.6 GHz頻段與GSM 900M系統(tǒng)間的隔離距離即可滿足5G NR中三種頻段與其他異系統(tǒng)之間隔離距離。

在這里，隔離度為36 dB的隔離距離通過代入上述公式可得：

（1）垂直隔離距離dv=0.183 m，因此，建議隧道內(nèi)上行、下行漏泄電纜相隔0.2 m即可滿足指標要求。

（2）水平隔離距離dh=0.58 m，結(jié)合5G NR對天線間距的要求，建議站廳/站臺上行和下行天線間距0.7 m即可滿足指標要求。

6? ?干擾規(guī)避方法

民用移動通信系統(tǒng)之間的干擾規(guī)避可采取以下措施：

（1）采用高質(zhì)量高性能POI及寬頻器件實現(xiàn)多運營商合路覆蓋。目前常用的POI設(shè)備在不同系統(tǒng)間的隔離度一般都能夠達到90 dB，基本上能滿足以上雜散和阻塞的隔離要求。POI合路器三階互調(diào)抑制值，地鐵隧道分布系統(tǒng)互調(diào)應(yīng)小于-130 dBc@2*43 dBm，系統(tǒng)綜合互調(diào)應(yīng)達到-140 dBc@2*43 dBm左右。選擇高質(zhì)量、高性能器件，可以降低系統(tǒng)對空間隔離度的要求。

（2）減少互調(diào)干擾，合理調(diào)整干擾系統(tǒng)發(fā)射機的輸出信號功率，采用合理的頻率分配方案和無互調(diào)的信道組。

1）中國聯(lián)通2.1G低頻部分（2 130 MHz—2 150 MHz）受干擾較嚴重，且存在自身下行信號與其他系統(tǒng)的三階互調(diào)影響自身上行信號的情況。建議優(yōu)先將中國聯(lián)通WCDMA2100系統(tǒng)進行上下行分離配置，或建議中國聯(lián)通使用較高的頻率（2 150 MHz—2 170 MHz）部分配置。

2）中國移動開啟1.8G DCS（FDD-LTE）后對中國電信、中國聯(lián)通1.8G干擾嚴重，經(jīng)測試，該頻段前10 MHz對中國電信和中國聯(lián)通的干擾尤為嚴重。在一般場景下，如中國移動引入該頻段，分公司應(yīng)提前溝通，在不影響移動業(yè)務(wù)的前提下，由高到低使用該頻段。

3）對于地鐵隧道等空間受限的場景，可以根據(jù)接入系統(tǒng)的情況，與運營商進行相關(guān)指標溝通，在開啟MIMO功能的時候降低技術(shù)指標。

（3）天饋端采用上行、下行分纜。由于上行和下行分開，干擾源信號經(jīng)過下行分布系統(tǒng)路徑損耗及空間衰減后，再由上行分布系統(tǒng)路徑損耗反饋到被干擾源，這些損耗之和可以視為由于采用分纜帶來的額外隔離度。

7? ?結(jié)束語

本文結(jié)合當(dāng)前5G的頻譜劃分，分析了多個系統(tǒng)間的干擾類型，進一步研究了5G NR與不同系統(tǒng)間不同干擾類型的隔離度計算方法，采用最小耦合損耗干擾分析法計算出各系統(tǒng)間的干擾隔離度。最后結(jié)合目前POI的特性，計算分析了5G NR與異系統(tǒng)間的干擾隔離距離，并詳細闡述了干擾規(guī)避所采取的措施，對5G建設(shè)具有一定的指導(dǎo)作用。

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