上海軌道交通5號線LTE系統(tǒng)干擾問題研究
2019-12-16 03:56:28范穎慧
城市軌道交通研究 2019年11期
范穎慧
(上海軌道交通五號線南延伸發(fā)展有限公司，200235，上?！胃呒壒こ處?
近年來，基于1.8 GHz頻段無線通信的移動(dòng)性、高性能、易部署等優(yōu)點(diǎn)，TD-LTE(分時(shí)長期演進(jìn))車地?zé)o線通信技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域被廣泛推廣應(yīng)用。上海軌道交通5號線為典型的高架線路，僅申請到非常有限的5 MHz(1 800～1 805 MHz)頻譜資源。上海軌道交通5號線車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)是全球首個(gè)LTE(長期演進(jìn))系統(tǒng)1.4 MHz+1.4 MHz網(wǎng)絡(luò)，本文對組網(wǎng)過程中的干擾問題進(jìn)行分析和研究。
1 上海軌道交通5號線 LTE系統(tǒng)工作頻段劃分
上海軌道交通5號線申請的LTE頻譜資源僅有5 MHz，根據(jù)信號系統(tǒng)供貨商信道規(guī)劃，僅能單獨(dú)承載CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)。考慮到網(wǎng)絡(luò)的冗余覆蓋，按A網(wǎng)和B網(wǎng)雙網(wǎng)考慮，頻寬為1.4 MHz，即：A網(wǎng)的工作頻段為1 801.4～1 802.8 MHz；B網(wǎng)的工作頻段為1 802.9～1 804.3 MHz，如圖1所示。
注：FDD——頻分雙工；GSM——全球移動(dòng)通信
圖1 上海軌道交通5號線LTE系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的工作頻段劃分示意圖
2 上海軌道交通5號線 LTE系統(tǒng)干擾問題分析
經(jīng)分析，上海軌道交通5號線LTE系統(tǒng)的干擾主要來自以下4個(gè)方面：A網(wǎng)、B網(wǎng)雙網(wǎng)間干擾；A網(wǎng)、B網(wǎng)內(nèi)鄰區(qū)干擾；與中移動(dòng)GSM 1 800 MHz(GSM：全球移動(dòng)通信)系統(tǒng)間干擾；與其他1.8 GHz LTE系統(tǒng)間干擾。
2.1 A網(wǎng)、B網(wǎng)雙網(wǎng)間干擾分析
通過對比發(fā)現(xiàn)，A網(wǎng)和B網(wǎng)采用相同的子幀配比方式，上下行時(shí)隙完全對齊，如表1所示。
因此，上海軌道交通5號線LTE空口采用OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù)，采用了子載波間相互重疊正交的方式來消除干擾，子載波的間隔為15 kHz。即：當(dāng)A網(wǎng)、B網(wǎng)間隔為0.1 MHz時(shí)，A網(wǎng)、B網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的子載波都是正交(15 kHz的整數(shù)倍)，如圖2所示。
表1 A網(wǎng)、B網(wǎng)子幀配比表
2.2 A網(wǎng)、B網(wǎng)內(nèi)鄰區(qū)干擾分析
A網(wǎng)、B網(wǎng)內(nèi)前后鄰區(qū)同頻，在小區(qū)邊緣信噪比往往會(huì)降低，從而影響業(yè)務(wù)速率。上海軌道交通5號線LTE系統(tǒng)通過如下機(jī)制降低鄰區(qū)干擾：
圖2 A網(wǎng)、B網(wǎng)子載波示意圖
1)通過合理鄰區(qū)配置和功率控制等方法來降低干擾。通過功率的有效控制，可以提升邊緣的信噪比，保證小區(qū)邊緣的業(yè)務(wù)速率。
(1)高架區(qū)段鄰區(qū)干擾抑制。上海軌道交通5號線大部分為高架區(qū)段，上下行間完全敞開，為了預(yù)防乒乓切換，高架區(qū)段均采用上下行共享RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元)的方式，使上行和下行位于同一小區(qū)，如圖3所示。
注：TAU——列車接入單元;BBU——基帶處理單元
(2)隧道區(qū)段鄰區(qū)干擾抑制。上海軌道交通5號線隧道區(qū)間均為單圓盾構(gòu)，上、下行間完全隔離，因此，采用了上、下行獨(dú)立布設(shè)RRU的方式。隧道區(qū)段的站臺均為島式，如圖4所示。站臺區(qū)上、下行小區(qū)信號可采用空間隔離：① 上、下行線路的LTE發(fā)射信號采取等電平配置來解決干擾問題，此時(shí)空間隔離的干擾裕量為20lg(D/d)，其中，D表示本線路中心至遠(yuǎn)側(cè)隧道邊緣的距離，d表示本線路中心至近側(cè)隧道邊緣的距離。如果取d=2 m，D=10 m，則20lg(D/d)=14 dB。② 設(shè)計(jì)時(shí)，考慮降低車載天線安裝位置，使其安裝位置低于站臺地面，以有效利用站臺地面、天花板、屏蔽門、車體等障礙實(shí)現(xiàn)空間隔離，一般情況下的隔離度可以達(dá)到10～15 dB。采取以上干擾抑制措施后，經(jīng)測算，總體上的隔離度可以達(dá)到25 dB，滿足LTE系統(tǒng)鏈路預(yù)算中對SINR(信號與干擾加噪聲比)的要求(13 dB)，所以不會(huì)產(chǎn)生鄰區(qū)干擾。
圖4 上海軌道交通5號線隧道區(qū)段站臺示意圖
2)ICIC(小區(qū)間干擾協(xié)調(diào))和IRC(互聯(lián)網(wǎng)中繼聊天)等抗干擾算法可以有效提升解調(diào)能力，在小區(qū)邊緣仍然能夠保障吞吐率滿足CBTC的承載需求。
2.3 與中移動(dòng)GSM 1 800 MHz系統(tǒng)間干擾分析
上海軌道交通5號線LTE系統(tǒng)使用頻段與中移動(dòng)GSM下行頻段相鄰，GSM 1 800 MHz系統(tǒng)基站對上海軌道交通5號線LTE系統(tǒng)存在干擾風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)包括: ① 阻塞干擾。3GPP(第三代合作伙伴計(jì)劃)協(xié)議規(guī)定不高于-43 dBm。② 雜散干擾。GSM間隔600 KHz，雜散電平-27 dBm。③ 互調(diào)干擾，GSM的互調(diào)抑制60 dB，互調(diào)電平-17 dBm。
2.3.1 與中移動(dòng)GSM 1 800 MHz系統(tǒng)間阻塞干擾分析
中移動(dòng)TDD(時(shí)分雙工)系統(tǒng)對于阻塞干擾的要求，為阻塞干擾電平強(qiáng)度不高于-43 dBm(按照3GPP協(xié)議)。
GSM 1 800 MHz系統(tǒng)基站的發(fā)射總功率為49 dBm，天線增益為17 dBi；LTE系統(tǒng)的漏纜耦合損耗為67 dB。則:阻塞干擾需求電平=GSM 1 800 MHz系統(tǒng)發(fā)射總功率+天線增益-漏纜耦合損耗-空損。因此，當(dāng)阻塞干擾電平不高于-43 dBm時(shí)，空氣損耗至少需42 dB。
通常功率從天線口發(fā)出后，至少有50 dB左右的衰減。因此，上海軌道交通5號線LTE系統(tǒng)在使用漏纜的場景下，GSM 1 800 MHz系統(tǒng)站點(diǎn)的空間距離不需要明確的隔離要求。
2.3.2 中移動(dòng)GSM 1 800 MHz系統(tǒng)間雜散干擾分析
對于雜散干擾，GSM的雜散指標(biāo)如表2所示。
表2 GSM的雜散指標(biāo)
當(dāng)頻率間隔為600 kHz以上時(shí)，參照GSM 1 800 MHz系統(tǒng)基站的單載波發(fā)射功率43 dBm，則雜散干擾的電平強(qiáng)度為-27 dBm左右。經(jīng)過空口傳播的損耗約50 dB，則LTE系統(tǒng)接收到信號強(qiáng)度肯定低于-43 dBm的阻塞要求。因此，在滿足阻塞干擾隔離要求的情況下，也能滿足雜散干擾隔離要求。
2.3.3 與中移動(dòng)GSM 1 800 MHz系統(tǒng)間互調(diào)干擾分析
對于互調(diào)干擾，GSM 1 800 MHz系統(tǒng)的互調(diào)抑制度為60 dB，在GSM 1 800 MHz系統(tǒng)基站單載波發(fā)射功率43 dBm的情況下，互調(diào)功率強(qiáng)度為-17 dBm。經(jīng)過空口傳播衰減50 dB之后，則LTE接收到信號強(qiáng)度仍低于-43 dBm的阻塞要求。因此，在滿足阻塞干擾隔離要求的情況下，也能滿足互調(diào)干擾隔離要求。
2.4 與其他1.8 GHz LTE系統(tǒng)間干擾
兩個(gè)LTE系統(tǒng)之間最主要的干擾是基站對基站之間的干擾，相對來講，雜散干擾對隔離度的要求最高。實(shí)際需要隔離度可通過以下公式計(jì)算：
需求隔離度=LTE系統(tǒng)隔離度+干擾系統(tǒng)增益-干擾系統(tǒng)損耗+本系統(tǒng)增益-本系統(tǒng)損耗
根據(jù)自由空間傳播模型公式，可算出需要的天線隔離距離：
需求隔離度=32.4 dB+20lg(天線間距)+20lg(使用頻率)
1)若上海軌道交通5號線CBTC LTE系統(tǒng)與其他LTE系統(tǒng)均采用自由波天線時(shí)的參數(shù)取值見表3。
通過表3及自由空間傳播模型可算出，在CBTC LTE系統(tǒng)與干擾LTE系統(tǒng)均使用自由波天線時(shí)不同場景需保證的隔離距離：
(1)當(dāng)天線正對時(shí)，需保證隔離度132 dB，則CBTC LTE 系統(tǒng)與干擾系統(tǒng)天線間距需大于53 km；
(2)當(dāng)天線側(cè)對時(shí)，需保證隔離度115 dB，則CBTC LTE 系統(tǒng)與干擾系統(tǒng)天線間距需大于7.5 km；
表3 相鄰LTE系統(tǒng)均采用自由波天線時(shí)參數(shù)取值表
(3)當(dāng)天線背對時(shí)，需保證隔離度98 dB，則CBTC LTE 系統(tǒng)與干擾系統(tǒng)天線間距需大于1.1 km。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果不難看出，若上海軌道交通5號線 CBTC LTE系統(tǒng)采用自由波天線時(shí)，隔離距離要求較大，即受干擾的可能性較大。為此，結(jié)合上海軌道交通5號線的環(huán)境，CBTC LTE系統(tǒng)正線推薦使用漏泄電纜作為傳輸介質(zhì)。考慮到車場敷設(shè)漏纜條件較差，但是車場相對獨(dú)立，且四周均有建筑物隔離，因此推薦采用自由波天線作為傳輸介質(zhì)。
2)若上海軌道交通5號線CBTC LTE系統(tǒng)使用漏纜，而干擾LTE系統(tǒng)使用自由波天線時(shí)的參數(shù)取值見表4。
表4 相鄰LTE系統(tǒng)采用漏纜和自由波天線時(shí)參數(shù)取值表
通過表4及自由空間傳播模型可算出，該場景下需保證的隔離距離：
(1)當(dāng)泄漏電纜和自由波天線正對時(shí)，需保證隔離度51 dB，則CBTC LTE 系統(tǒng)與干擾系統(tǒng)天線間距需大于4.7 m；
(2)當(dāng)泄漏電纜和自由波天線背對時(shí)，需保證隔離度34 dB，則CBTC LTE 系統(tǒng)與干擾系統(tǒng)天線間距需大于0.6 m。
3)若上海軌道交通5號線 CBTC LTE系統(tǒng)與其他LTE系統(tǒng)均采用漏纜時(shí)的參數(shù)取值見表5。
表5 相鄰LTE系統(tǒng)均采用漏纜時(shí)參數(shù)取值表
由于漏纜本身的耦合損耗很大(67 dB)，足夠保障兩個(gè)系統(tǒng)之間的隔離度，因此對空間距離僅需滿足漏纜安裝隔離要求(一般取0.3 m)即可。
2.5 增加1.8 GHz濾波器
為更好地抵御外部干擾，上海軌道交通5號線LTE系統(tǒng)在車載TAU側(cè)加裝了1.8 GHz 30 dB抑制的濾波器。結(jié)合前文分析可知: TDD系統(tǒng)對于阻塞干擾的要求為不高于-43 dBm；GSM 1 800 MHz系統(tǒng)基站的發(fā)射功率為49 dBm，天線增益17為dB；LTE終端的天線增益為3 dB，濾波器抑制為30 dB。
阻塞干擾隔離度計(jì)算公式為：阻塞干擾隔離度=GSM 1 800 MHz系統(tǒng)發(fā)射總功率+天線增益-損耗-阻塞干擾需求電平。根據(jù)該公式以下情況下的阻塞干擾隔離度。
1)加裝濾波器且天線正對時(shí)的阻塞干擾隔離度=49 dBm+17 dB-3 dB-30 dB-(-43 dBm)=76 dB。
2)不加裝濾波器且天線正對時(shí)的阻塞干擾隔離度=49 dBm+17 dB-3 dB-(-43 dBm)=106 dB。
3)加裝濾波器且天線側(cè)對時(shí)的阻塞干擾隔離度=49 dBm-3 dB-30 dB-(-43 dBm)=59 dB。
4)不加裝濾波器且天線測對時(shí)的阻塞干擾隔離度=49 dBm-3 dB-(-43 dBm)=89 dB。
再使用自由空間傳播模型公式：需求隔離度=32.4 dB+20lg (天線間距)+20lg(使用頻率)，可得出天線距離間距要求，如表6所示。
表6 不同空間隔離要求下的天線距離間隔表
3 結(jié)語
雖然上海軌道交通5號線高架區(qū)段為路中線路，但通過LTE系統(tǒng)A網(wǎng)和B網(wǎng)雙網(wǎng)間干擾、A網(wǎng)和B網(wǎng)內(nèi)鄰區(qū)干擾、與中移動(dòng)GSM 1 800 MHz系統(tǒng)間干擾，以及與其他1.8 GHz LTE系統(tǒng)間干擾等4個(gè)方面的研究，在設(shè)計(jì)過程中采用LTE頻段劃分、子幀配比、功率控制、抗干擾算法及增加濾波器等有效手段，提高了5號線LTE系統(tǒng)的抗干擾能力，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的隔離要求。本文針對實(shí)際的線路進(jìn)行的抗干擾分析，可為其他地鐵線路TD-LTE系統(tǒng)建設(shè)提供一定借鑒。
