地铁公网泄漏电缆间隔离距离探讨

2014-03-26赵超陈庆浩

电信工程技术与标准化 2014年6期

赵超，陈庆浩

（江苏省邮电规划设计院有限责任公司，南京 210006）

近年来，随着移动用户普及率越来越高，地铁作为极高人流量的公共交通载体，在建设的时候都已经开始同步引入公网无线通信系统。

地铁的隧道区域空间较狭窄，空间波信号在隧道中传播会产生隧道效应，特别是列车通过时，会对电波产生很大的阻挡衰落，还会导致信号覆盖极不均匀。所以隧道内一般不采用小天线方式覆盖，而是采用泄漏同轴电缆方式进行覆盖，在隧道内沿隧道壁敷设泄漏电缆，借助泄漏电缆对信号的泄漏原理来进行隧道信号场强覆盖。

无线信号在隧道泄漏电缆中的信号辐射方式可采用两种：一是上下行信号同缆辐射；二是上下行信号分缆辐射。由于地铁隧道内空间狭窄，无法为每家运营商提供独立的泄漏电缆空间，多家运营商的无线通信系统只能进行合路。考虑到无线通信不同制式间的干扰问题，为了保证系统的可靠性，目前地铁隧道内的泄漏电缆覆盖都是采用上下行链路各采用一条泄漏电缆，并隔离一定距离，满足隔离度要求。

两根泄漏电缆间的距离，除了考虑干扰隔离度的要求外，还要考虑后期4G通信采用MIMO方式时天线间的距离要求，还需要考虑地铁隧道有限的空间大小问题。

1 干扰对泄漏电缆隔离要求

1.1 干扰类型

目前地铁公网无线通信系统一般都是采用多家运营商通过PoI（Point of Interface）进行合路，上、下行分开的方式。各运营商通信系统间的干扰类型主要有杂散干扰、互调干扰和阻塞干扰。

（1）杂散干扰：是一个系统的发射频段外的杂散发射落入到另外一个系统接收频段内造成的干扰。干扰基站在被干扰基站接收频段内产生杂散辐射，并且干扰基站的发送滤波器没有提供足够的带外衰减，会引起接收机噪声基底的增加而导致接收机灵敏度的降低。

（2）互调干扰：是指由于系统的非线性导致多载频合成产生的互调产物落到相邻系统的上行频段，使接收机信噪比下降的干扰情况。

（3）阻塞干扰：是指当较强功率加于接收机端时，可能导致接收机过载，使它的增益下降的干扰情况。为防止接收机过载，从干扰基站接收的总的载波功率电平需要低于它的1 dB压缩点。

1.2 系统间干扰的隔离原则

（1）被干扰接收机在设备机顶天线连接处接收到来自干扰发射机的杂散干扰电平需在接收机底噪以下。以接收机灵敏度损失不超过1 dB为原则；这里取6.9 dB作为杂散辐射的干扰底限，这时灵敏度损失0.8 dB对系统的影响很小，可忽略。

（2）由干扰发射机导致被干扰接收机产生的每个三阶交调不超过接收机允许的互调干扰限值。

（3）被干扰接收机经滤波器衰减后的全部干扰载波功率不超过接收机允许的阻塞限值。

1.3 杂散隔离度计算分析

杂散所需要的隔离度计算公式为：

其中：MCL为隔离度要求。Psqu为干扰基站的杂散辐射电平，单位为dBm。WInterfering为干扰电平的测量带宽，单位为kHz。WAffected为被干扰系统的信道带宽，单位为kHz。Psqu-10lg(WInterfering/WAffected)为干扰基站在被干扰系统信道带宽内的杂散辐射电平。Pn为被干扰系统的接收带内热噪声，单位为dBm，Pn=10lgKTB。

其中：K为波尔兹曼常数，其值为K=1.38×10-23；T为绝对温度，常温下取值为T=290 K； B为信号带宽，单位为Hz。

将常量带入公式可以简化为：Pn=-174 dBm+10lgB。

比如GSM900系统工作信道带宽为200 kHz，因此GSM系统工作信道带宽内总的热噪声功率：-174 dBm+10lg(200×1 000 Hz)=-121 dBm。

Nf为接收机的噪声系数，基站的接收机噪声系数一般不会超过5 dB。

根据工信部、国家无委的要求和相关国际、国内标准，对各系统设备杂散干扰指标要求（比如对GSM，要求是在1～12.75 GHz频率范围内，杂散指标为最大-30 dBm/3 MHz）。可以计算出各系统间杂散隔离度要求如表1所示。

其中最高的要求为WLAN对GSM的干扰隔离要求，为92 dB。

1.4 互调隔离度计算分析

多系统合路较突出的互调产物主要为三阶互调产物，对于由3个频率 F1、F2、F3频段可能产生的三阶互调干扰分为：

三阶 I型（双信号互调），即 2F1-F2，2F1-F3，2F2-F1，2F2-F3，2F3-F1，2F3-F2。

三阶II型（三信号互调），即 F1+F2-F3，F1-F2+F3，F2+F3-F1。

地铁由于引入的频段相当多，各系统又有上行、下行，因此互调干扰的情况会很复杂。但由于上行为弱信号，主要考虑下行对上行的互调干扰。

假设对于三阶 I 型互调：GSM、CDMA 两个干扰信号所对应的三阶互调干扰频率。

第一干扰信号 f1：CDMA下行870～880 MHz。

第二干扰信号 f2：GSM下行930～960 MHz。

可计算得：2f1-f2＝2×870－960＝780 MHz。

2f1-f2＝ 2×880－ 930＝ 830 MHz。

互调频率在 780～830 MHz之间，该频段影响了CDMA(825～835 MHz)信号。以此类推，可以计算出多个系统间相对应的互调干扰组。

互调干扰隔离计算公式：

MCL=max(P1,P2,P3)+PoI合路器互调抑制值-Pn-Nf+6.9

MCL为隔离度要求。

Pn为被干扰系统的接收带内热噪声，单位为dBm。

Nf为接收机的噪声系数，基站的接收机噪声系数一般不会超过5 dB。

P1为干扰系统1的信号电平（dBm）。

P2为干扰系统2的信号电平（dBm）。

P3为干扰系统3的信号电平（dBm）。

根据互调干扰组中各系统的下行最大发射功率（公网通信一般按照43 dBm），可以计算出在PoI合路器互调抑制值取-140 dBc的情况下，为满足最大的互调干扰隔离要求，仍然需要27 dB的隔离度。

1.5 阻塞隔离度计算分析

当一个较大干扰信号进入接收机前端的低噪放时，由于低噪放的放大倍数是根据放大微弱信号所需要的整机增益来设定的，强干扰信号电平在超出放大器的输入动态范围后可能会将放大器推入到非线性区，导致放大器对有用的微弱信号的放大倍数降低，甚至完全抑制，从而严重影响接收机对弱信号的放大能力，影响系统的正常工作。

在多系统设计时只要保证到达接收机输入端的强干扰信号功率不超过系统指标要求的阻塞电平，系统就可以正常的工作。

假设接收机的阻塞电平指标为Pb，干扰发射机的输出功率为Po，只要：Pb≥接收的干扰电平=Po-MCL

这时，强干扰信号不会阻塞接收机，这种情况下需要的系统间隔离度为：MCL≥Po－Pb

根据工信部、国家无委的要求和相关国际、国内标准，对各系统设备阻塞干扰指标要求（比如对WCDMA，要求是在 1 920～ 1 980 MHz频率范围内，阻塞指标为最大-40 dBm），可以计算出各系统间阻塞干扰隔离度要求如表2所示。

其中最高的要求为LTE对WLAN的干扰隔离要求，为83 dB。

表1 各系统间杂散隔离度要求单位：dB

表2 各系统间阻塞隔离度要求单位：dB

1.6 泄漏电缆隔离距离计算

通过以上分析，多家运营商不同系统通过PoI进行合路，上、下行分开的方式时，在杂散、阻塞、互调抑制3方面隔离要求分别为92 dB，83 dB，167 dB。目前常用的PoI设备在不同系统间的隔离度一般都能够达到90 dB，基本上能满足以上杂散和阻塞的隔离要求。PoI合路器三阶互调抑制值，一般可以达到-140 dBc（高的互调抑制度对器件的工艺要求很高，如果要达到-150 dBc，则造价会很高，因此一般经济合理的值为-140 dBc），因此，对于互调干扰，还要27 dB的隔离度需要通过空间隔离来实现。

根据参考文献1中对泄漏电缆辐射场的仿真结果，地铁场景中常用的辐射型泄漏电缆的辐射方向图与公网宏蜂窝基站中常用的板状天线类似，因此两根辐射型泄漏电缆的隔离度和距离的关系，可以参考板状天线垂直隔离的计算方法，本文不再详述。

在合路的多个系统中，CDMA使用的800 MHz频段最低，其对空间隔离要求也最高，在要求隔离度为27 dB的情况下，根据公式计算，两根泄漏电缆间的距离应该达到0.35 m以上。

表3 相关系数测试结果

2 MIMO技术对泄漏电缆隔离要求

地铁通信系统中需要考虑LTE系统，而MIMO技术为LTE关键技术，MIMO技术需要两路天线间有一定的距离，因为地铁空间的限制，存在使用MIMO技术时两根泄漏电缆隔离间距不够的问题。

针对MIMO技术，中国移动通信集团公司做了大量的实际测试，其中“中国移动集团级重点研发项目结题汇报报告”中的“TD-LTE室内覆盖关键技术研究（子课题：TD-LTE室内覆盖关键技术解决方案）”报告就对两个单极化天线在不同场景下，不同的天线间距情况下的天线相关系数、小区吞吐量性能、MIMO双通道功率不平衡对小区的影响等方面做了实际测试，测试结果如下。

图1 吞吐量性能测试

2.1 单极化吸顶天线间距

相关系数测试如表3所示。初步结论：会议室和一般办公室隔断的天线间距取4个波长。狭长走廊天线间距取6个波长，并且在放置天线时，尽量使天线的排列方向与走廊方向垂直，这样可以降低相关性。

2.2 单极化吸顶天线间距

吞吐量性能测试如图1所示。初步结论：小区吞吐量随着单极化吸顶天线间距波动很大，但综合各厂家测试数据看，天线间距在4波长（50 cm左右）时性能相对较好。

2.3 MIMO双通道功率不平衡对小区吞吐量的影响

两天线与终端之间的距离相等时，双通道功率相差越大，小区吞吐量越低，功率差5 dB时，小区上行吞吐量下降8.8%，下行吞吐量下降6.8%。因为功率不平衡会提高信号解调门限，需提高相应的调制编码方式，因而吞吐量下降。

因馈线长短、损耗差异等原因，两个天线端口的发射功率可能不一样，同时由于小区用户所处位置比较随机，天线间距增大，可能会加剧两通道功率的不平衡性，功率不平衡使小区吞吐量下降。

2.4 结论

双通道时，从小区吞吐量看，天线间距2λ与4λ变化不大；从天线的相关系数来看（相关系数越小越好），建议4λ或6λ。由于此测试结果为单极化吸顶天线，而泄漏电缆等效于板状天线，因此此测试结果不能完全等同于泄漏电缆的辐射效果。并且，由于室内环境复杂，单极化吸顶天线的测试结果是否具有代表性也存在疑虑。针对这个问题，我们根据参考文献2的计算，空间分集接收天线之间的距离满足3倍波长时可以克服空间选择性衰落，也就是说相隔3倍波长时，两接收天线可以近似不相关，工程上一般建议4倍波长以上。综合理论和实测的结果，因此建议地铁隧道中泄漏电缆间的距离应该在4λ(λ为0.127 m)= 0.508 m以上。

3 隧道有限空间对泄漏电缆隔离要求

泄漏电缆在隧道内一般都是与车窗高度基本相当，此时信号损耗最小。但是隧道内不仅有公网通信泄漏电缆，还有地铁专用通信泄漏电缆、公安通信泄漏电缆、地铁乘客信息系统（PIS）、防灾报警（FAS）、设备监控（BAS）、消防水管、光缆、信号机及设备箱等，到了站台位置还需要给广告牌预留空间。一般来说，在区间隧道内，留给公网通信泄漏电缆安装的空间约0.8 m，去除上下安装间隔，两根泄漏电缆的间隔可以达到0.6 m左右。

在站台处的隧道内，所有的线缆都要避开广告牌，广告牌高度约1.7 m，并且位于车窗位置，因此公网通信泄漏电缆一般都是在广告牌下方。此时，公网通信泄漏电缆虽然也有约0.8 m的安装空间，但是由于偏离车窗位置，并且站台处的覆盖主要依靠站台分布系统，因此在站台处隧道内的两根泄漏电缆建议在确保广告牌安装操作的情况下，尽量靠近广告牌安装，空间隔离0.35 m即可。