地铁车—地无线通信引入LTE后的干扰分析

陈 鹏 李文明 严 波

地铁车—地无线通信引入LTE后的干扰分析

陈 鹏1李文明2严 波2

(1.南京电子技术研究所南京210000;2.南京轨道交通系统工程有限公司南京210000)

针对国内地铁的车-地无线通信技术，将LTE (long term evolution，长期演进)与WLAN(wireless local area networks，无线局域网)技术进行对比，提出一套LTE组网方案。针对该方案，分析下行链路预算，对LTE基站的覆盖能力进行评估，认为引入LTE后，地铁中覆盖了多频段的无线通信系统;由于系统间频率相近，无线信号之间容易形成干扰。从干扰形成的角度分析干扰的成因，定量计算系统间的隔离度，从技术和工程建设角度给出减少干扰的措施。

车-地无线通信系统;LTE(长期演进);WLAN (无线局域网);链路预算;干扰

地铁通信系统作为地铁运营调度、企业管理、服务乘客、治安反恐、应急指挥的网络平台，是地铁正常运营的神经系统。车-地无线通信系统是地铁通信系统的重要组成部分。地铁车-地无线通信系统主要承载CBTC(communication based train control，基于无线通信的列车自动控制系统)和PIS(passenger information system，乘客信息系统)。目前，从业务需求的角度看，CBTC信号系统带宽需求为100 Kb/s，PIS系统中的下行流的带宽需求为10 Mb/s，针对车载监控业务的上行带宽为5Mb/s。

地铁车-地无线通信系统是保证地铁安全、高密度、高效运营的重要手段。在轨道交通中保持无线网络畅通进行数据传输，实现列车与控制中心的移动通信，有效处理突发事件，需要选择合适的通信技术来实现。

1 LTE与W LAN比较

基于IEEE802.11系列标准的WLAN(wireless local area network，无线局域网络)技术目前被广泛应用于地铁无线通信领域。WLAN技术通过轨旁FitAP和车载FatAP构建的无线传输网络实现对列车运行沿线的无线信号覆盖。地铁车-地无线通信系统大多采用IEEE802.11a和802.11g标准。

轨旁FitAP安装在轨道附近的固定位置，地铁列车的两端安装车载FatAP设备。每隔200 m就需要铺设AP(无线接入点)，施工难度大，维护成本高。通过对通信信道传输性能的分析，对车载天线选择性能较好的无线信道完成车-地信息交互。由于WLAN天线覆盖范围限制，地铁在80 km/h的速度下，需要9 s切换一次，切换频率越高，对数据传输造成的影响越大［1］。随着移动通信的发展，各种制式的移动终端数量不断增加，对无线网络的带宽需求不断增加。WLAN技术提供的带宽已经不能承载地铁用户的需求。

LTE采用分组传输、低延时，能够在地铁高速移动情况下实现无缝覆盖的高数据率。LTE能够在20MHz频谱带宽下提供下行100Mb/s，上行50Mb/s的峰值速率。LTE技术在解决带宽和移动性上具有优势。技术发展较为成熟，产业链丰富完善［2］。目前，在我国新建地铁项目中，开始逐步引入LTE 技术实现车-地无线通信。郑州1号线PIS系统采用了华为LTE技术;温州S1线拟采用中兴TD- LTE技术，同时承载多媒体专用无线通信、CCTV(closed circuit television，闭路电视)以及PIS三大关键业务［3］。LTE与WLAN技术比较如表1所示。

表1 LTE与WLAN技术比较［4］

2 车-地无线LTE技术方案

2.1 LTE组网方案

在地铁中，需要无线覆盖的范围包括车辆段、停车场、站台、站厅、隧道区间、换乘通道以及出入口等区域。

隧道区间采用漏缆方式进行覆盖，借助漏缆的线状覆盖特性，能较好地对隧道区域进行场强均匀覆盖。较长的隧道区间应考虑设置光纤直放站延伸信号覆盖范围，以保证覆盖质量。

在车站的站台、站厅、办公区域、换乘通道以及出入口等区域采用吸顶小天线进行覆盖［5-6］。

地铁LTE 实现车-地无线的组网结构如图1所示。

2.2 链路预算

在无线通信系统中，链路预算是对一条通信链路上的各种损耗和增益的核算。通过对系统上、下行信号传播途径中各种影响因素的考察和分析，对系统的覆盖能力进行评估。

2.2.1 漏缆射频特性

漏缆是漏泄同轴电缆(leaky coaxial cable)的简称。漏缆的频段覆盖在450MHz～2 GHz以上，适应现有的各种无线通信体制，应用场合包括无线传播受限的地铁、铁路隧道和公路隧道等。漏缆适合隧道这样的狭小空间，可以实现信号均匀覆盖。

漏缆的损耗主要是传输损耗和耦合损耗。传输损耗和耦合损耗具有此消彼长的关系。传输损耗主要是指传输线路的线性损耗，受距离和频率影响，以dB/100 m标识。它同时包括了3个因素:泄露损耗、导体损耗和介质损耗。传输损耗的公式表述为

式中:α0是给定频率的传输损耗系数;α1是导体的损耗系数;α2是介质的损耗系数;α3是泄露的损耗系数;f是频率。

耦合损耗是同轴波模的功率与位于离开泄露电缆一定位置上(一般取2m处)的偶极子天线的接收功率之比。它是表征电缆辐射出的电磁波在泄露电缆和移动接收机之间的路径损耗或信号衰减度量值。

泄漏电缆的传输损耗和耦合损耗的大小与厂家、型号有关。目前市面上，在1.8 GHz的频率下，漏缆的传输损耗=4.2 dB/100m;耦合损耗(95%取值，距漏缆2m处测量值)=67 dB。

2.2.2 隧道区间下行链路预算

隧道区间采用漏缆方式进行覆盖，而链路损耗主要来自于漏缆的传输损耗和耦合损耗。漏缆在隧道中的分布情况如图2所示，在下行链路中，各种损耗情况如表2所示。

图2 RRU射频连接［7］

对于车内覆盖，接收电平要求在－75～－85 dBm之间。显然，隧道区间的下行链路预算满足要求［8］。

表2 隧道区间下行链路预算

2.2.3 站厅内下行链路预算

站厅内通常使用吸顶小天线进行覆盖，吸顶天线的增益为3 dB。在下行链路中，各种损耗和增益情况如表3所示。

表3 站厅内下行链路预算

对于室内覆盖，接收电平要求是在－75～－50 dBm之间。站厅内最偏僻位置的电平为－62.98 dBm，站厅内下行链路预算满足要求。

2.3 多频段接入干扰分析

在地铁中部署了多种运营商的移动通信系统，多频段无线信号通过POI(point of interface，多系统合路平台)合路后引入天馈分布系统。引入LTE之后，运营商的系统对地铁LTE造成系统间干扰。分析系统间干扰的成因，减少干扰，确保地铁LTE正常运行。运用频率合路器与电桥合路器对多个运营商、多种制式的移动信号合路后引入天馈分布系统，以达到充分利用资源、节省投资的目的。多频段无线信号POI合路如图3所示［9］。运营商的移动通信系统的上下行频率如表4所示。

图3 多频段无线信号POI合路结构

表4 各种制式移动通信系统的上下行频率［9］

地铁LTE使用的频段是1 785～1 805MHz。由表4可以发现，中国联通DCS1 800系统的频段与地铁中LTE的频段比较接近，下面着重分析中国联通DCS 1 800系统与LTE间的干扰和系统间隔离度。

系统间干扰的产生是多种多样的，如频率资源的分配不合理，无线系统配置不当，发射机和接收机性能问题，小区重叠，电磁环境以及电磁兼容等，都是无线通信射频干扰产生的原因。

从形成的角度区分，系统间的干扰主要包括邻频干扰、接收机互调干扰、杂散干扰和阻塞干扰。由于一般系统之间的间隔率可以是工作带宽数倍，所以系统间一般不容易出现邻频干扰。

2.3.1 接收机互调干扰

收发机的非线性器件使得两个以上频率信号相互作用，而互调产物的频率落入接收机内才造成干扰，使信噪比下降。其中3阶互调的影响最大，3阶互调产物容易落入接收机的工作频段内。

中国联通DCS1 800下行3阶互调产物频段范围为:1 830～1 860 MHz;地铁LTE下行3阶互调产物频段范围为:1 765～1 825 MHz。3阶互调信号均未落在对方的工作频段内。所以，主要考虑杂散干扰和阻塞干扰，且重点考虑基站间的干扰。

2.3.2 杂散干扰

杂散辐射是发射机设备性能中一项重要的指标。杂散辐射指标一般是针对不同测量带宽的，单位为dBm/xxkHz(绝对量)或dBc/xxkHz(相对于有用信号的相对量)。

杂散所需要的隔离度为

式中:MCL为隔离度要求;Pspu为干扰源发射的杂散信号功率，dBm;Pn为被干扰系统的接收带内热噪声，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;μ为干扰保护比。

被干扰系统的接收带内热噪声为

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

式(4)可以简化为

不同干扰级别下根据干扰保护比μ的不同，计算出来的隔离度也将不同。这里取μ=0，即没有干扰保护比的情况。

地铁LTE基站对中国联通DCS1 800基站的杂散干扰:地铁LTE基站在DCS1 800频段杂散电平按照标准要求应低于－96 dBm/100 kHz;DCS1 800系统工作信道带宽为200 kHz，因此DCS1 800系统工作信道带宽内的总热噪声功率为

杂散所需要的隔离度为:MCL≥30 dB

中国联通DCS1 800基站对地铁LTE基站的杂散干扰:DCS1 800基站在地铁LTE频段杂散电平按照要求应低于－61 dBm/100 kHz;LTE工作信道带宽内的总热噪声功率为

杂散所需要的隔离度为MCL≥45 dB

2.3.3 阻塞干扰

接收机接收到过强的信号时会导致接收机过载，放大增益会被抑制。阻塞干扰是将接收机的低噪声放大器LNA推向饱和区，使其不能正常工作的强功率带外干扰。

阻塞干扰隔离度为

式中:Po是干扰源发射机功率;Pb是被干扰系统接收机阻塞限制电平［10］。

地铁LTE基站对中国联通DCS1 800基站的阻塞隔离度:MCL≥43－0=43 dB

中国联通DCS1 800基站对地铁LTE基站的阻塞隔离度:MCL≥43+16=58 dB

为了减小系统间的干扰，不同基站的天线之间必须要有足够的隔离度。地铁LTE与中国联通DCS1 800系统间的隔离度要求如表5所示。

表5 LTE与DCS1 800的隔离度要求

2.3.4 干扰解决方案

干扰解决方法主要分为两大类:基本技术类和工程建设类。从具体技术角度分析，可以采用一些信号处理技术加以改善或解决干扰。从物理层看，同步技术和智能天线技术是很好的措施;从无线资源管理角度看，动态信道分配是十分有效的方案。工程建设类方法主要有:增加频率保护带、提高滤波精度、增加站址间距、优化天线安装、限制设备参数等。

1)为了保证受扰系统能够正常工作，根据干扰产生的机理和效果，通常需要遵守以下规避准则。

杂散干扰规避准则:受扰基站天线口接收的杂散干扰功率应比接收机底噪低7 dB(降敏0.8 dB);受扰终端天线口接收的杂散干扰功率应不高于接收机底噪(降敏3 dB)。

阻塞干扰规避准则:受扰基站从干扰基站接收到的总载波功率应比接收机的1 dB压缩点低5 dB。由于1 dB压缩点为接收机射频电路部分的指标而非整机指标，不易评估，因此通常情况下采用受扰基站的接收阻塞指标作为干扰门限即可。

互调干扰规避准则:在受扰基站生成的3阶互调干扰电平比它的接收机噪底低7 dB(降敏0.8 dB);如果满足了这些隔离度要求，受扰基站的接收机灵敏度只下降0.8 dB，这对于绝大多数系统都是可以接受的。

2)工程实施和网络规划时常用的干扰隔离具体措施有以下几种:

发射和接收天线保证足够的空间隔离，二者必须在距离上保持足够远;

调整干扰基站天线的倾角或水平方向角，或使用高前后比的天线;

在干扰基站发射口增加外部带通滤波器，但这会增加额外的插损和故障点，降低下行覆盖，同时增加成本;

减低干扰基站的发射功率，但会降低下行覆盖;

在被干扰基站的接收端增加带通滤波器，但会增加接收机的噪声系数，降低灵敏度，降低反向覆盖。

3 结语

LTE技术具有高带宽、低时延、抗干扰等特点。将LTE技术引入地铁车-地无线通信系统，充分利用LTE的特点，提高地铁交通运输的服务质量，提升乘客服务体验。LTE在地铁车-地无线通信系统中广泛使用是大势所趋。LTE技术使地铁运营更加安全、便捷、舒适。同时，引入LTE之后，也会带来一些问题，如系统间的干扰问题。通过有效的技术手段和建设手段完全可以降低干扰，使地铁中的各种无线通信系统安全、可靠地运行。

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(编辑:郝京红)

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

陈鹏，男，硕士，主要研究方向为通信与信息系统，chenpeng320830@sina.com