地铁民用通信中5G NR与异系统间的干扰隔离度研究

朱佳 孙宜军 山笑磊

【摘  要】针对地铁民用通信中5G NR与异系统间的干扰隔离度问题，首先介绍了目前地铁系统中引入的通信系统，并对主要存在的干扰类型进行了分析;其次对地铁内可能存在的各类干扰进行定量分析，通过最小耦合损耗分析法计算出各系统间的干扰隔离度;最后结合空间合理理论计算出水平和垂直隔离距离，为5G实际工程建设提供理论支撑。

【关键词】地铁民用通信;5G NR;干扰隔离度

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.08.010      中图分类号：TN915.81

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2019）08-0056-06

引用格式：朱佳，孙宜军，山笑磊. 地铁民用通信中5G NR与异系统间的干扰隔离度研究[J]. 移动通信， 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

隨着经济的迅速发展，我国城市轨道交通也迅猛发展，截至2018年底，中国内地（不含港澳台）共有35个城市开通城市轨道交通，运营线路总计185条，线路总长度5 761.4 km，预计到2020年，国内地铁建设规模将达到9 000 km。地铁避开了城市拥堵的地面空间，越来越多的民众选择地铁作为出行的重要工具。地铁通信系统主要包括专用通信和民用通信。对于专用通信而言，它能够有效实现地铁车辆的调度通信;对于民用通信而言，由于地铁场景的特殊环境，地下站厅、台层、隧道内轨行区将成为公共移动通信的盲区，为解决此问题，将民用通信系统引入地铁车站和隧道，实现全方位覆盖，保证乘客能够即时通信。

现阶段，地铁民用通信覆盖建设主要以2G/3G/4G网络制式为主，对于2G/3G网络，POI（Point of Interface）合路[1]采用上下行分缆方案，可以有效地防止各种下行频段相互引起的干扰产物串入上行系统。但在引入4G网络系统后，为了体现MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）的性能优势，4G网络系统POI合路后就开始不做上下行区分，这种思路被沿用了一段时期，也未发生干扰问题。在频率资源有限的情况下，运营商逐步引入了1.8 GHz、2.1 GHz、2.6 GHz频段网络，干扰问题立刻凸显出来，严重影响运营商网络质量及客户感知，单纯靠POI设备的隔离度已经无法解决干扰问题了，如何协同处理成了一个热点难题。5G[2]预计在2020正式商用，地铁属于5G的典型应用场景，为了保证地铁场景的高流量、大连接特征，地铁场景5G覆盖已成为必然。

2   研究现状

2019年1月5日，全国首个5G地铁站（成都地铁10号线太平园站）正式开通，是全国第一个覆盖5G信号的地铁站，采用的是基于2.6 GHz频段的5G数字化室内分布系统网络。它由5G网络接入到无线客户终端设备CPE（Customer Premise Equipment），将5G网络转化成Wi-Fi信号覆盖整个站厅。2019年3月21日，全国首个5G“E站”入驻郑州地铁5号线中原福塔站，它是一种E站与5G室内数字系统结合的新型室内站型，用于解决室内价值热点区域覆盖问题。2019年3月28日，吉林省首个5G地铁站体验区开通，同样是由5G网络转化成的Wi-Fi信号来覆盖地铁站。2019年4月18日，郑州地铁5号线区间隧道内5G网络实验成功，可满足地铁运行状态下的5G体验。这些都验证了基于已有的2.6 GHz频段分布系统进行5G网络覆盖的可行性。

目前现有的5G NR（New Radio）部署方案中，只是基于2.6 GHz频段进行覆盖，未对3.5 GHz频段做覆盖，现有的方案存在一定的局限性。另外，已覆盖的地铁站是将5G网络信号转化成Wi-Fi信号，无法实现真正意义上的4T4R。5G发展成熟后，地铁内必然要部署2.6 GHz及3.5 GHz频段，站厅、站台和隧道区间共用一个分布系统，需考虑各个系统之间的相互影响。

干扰信号对通话质量、服务质量、小区切换、功率控制、容量以及网络的覆盖影响较为严重。以下三点是造成各系统间干扰最主要的客观原因：

（1）站址资源是影响网络基础建设的核心。

（2）多个运营商共存：中国移动、中国联通、中国电信。

（3）多个网络制式共存：GSM、WCDMA、CDMA20001X/DO、TD-SCDMA、LTE、5G NR。

研究干扰隔离度[3]的目的是将干扰水平控制在可接受范围内，保证各通信系统正常运行。不同运营商间共建共享的基础是分析系统间干扰隔离度。首先要分析5G NR与其他系统共址共建时所满足的干扰隔离度，然后进一步确定空间隔离距离，以此作为依据来规避干扰，从整体上优化网络质量。

3   频段分配

目前，国内的5G网络频谱划分[3]已经完成初步确认，三家运营商在地铁项目拟接入16个民用通信系统及频率[4]，系统网络制式及频段如表1所示：

4   异频间干扰分析

轨道交通民用通信系统的移动通信系统[5]在站厅、站台和隧道区间共用一个分布系统的POI、天线和漏缆。各系统发射有用频率信号的同时，在其工作信道频带外还会产生一些无用信号，比如阻塞、杂散、互调等。这些频谱信号落入某些系统的工作频带内就会对其造成干扰[6]。

4.1  干扰分类

目前地铁民用通信系统一般都是通过POI对多个运营商的多个系统进行合路，电缆采用上行、下行分开的布放方式。系统间干扰主要分为三种，分别是杂散干扰、阻塞干扰和互调干扰[7]。

（1）杂散干扰

杂散干扰是指一个系统频段外的杂散辐射落入到另外一个系统的接收频段内造成的干扰。

（2）阻塞干扰

阻塞干擾是指设备接收微弱的有用信号时，受到接收频率两旁、高频回路带内强干扰信号的干扰。

（3）互调干扰

互调干扰是指当两个或多个干扰信号同时加到接收机时，由于非线性的作用，这两个干扰的组合频率有时会恰好等于或接近有用信号频率而顺利通过接收机所产生的干扰。

4.2  干扰分析方法

移动通信系统通常采用的干扰分析方法有两种，一种是是静态蒙特卡罗仿真法[8]，这种方法是指通过迭代计算仿真得出一个受到其他系统干扰影响的系统;另一种是基于最小耦合损耗计算的确定性分析法，最小耦合损耗MCL（Minimum Coupling Loss）是指发射基站到接收基站之间的路径损耗，包括天线增益和馈线损耗。基于链路预算原则[9]，通过计算两个系统间的最小耦合损耗来确定系统间的干扰隔离度，从而来满足接收机灵敏度。

本文将结合3GPP TS 36.101协议和3GPP TS 36.104协议规定的指标要求，采用最小耦合损耗分析法，分别计算5G NR采用2.6 GHz频段、3.5 GHz频段以及4.9 GHz组网时与其他通信系统的隔离度，最后结合空间合理理论计算出水平和垂直隔离距离，为设计和施工提供重要依据。

5   干扰隔离度分析

根据干扰隔离要求，针对地铁内可能存在的各类干扰进行定量分析。首先需计算出接收机底噪，即各系统工作信道带宽内总的热噪声功率，计算公式如下：

P=10log（KTB）                                    （1）

K为波尔兹曼常数，K=1.38×10-23;T为绝对温度，在室温17℃时，T=270 K，K为开尔文温度单位;P0为热噪声功率谱密度，P0=K×T=4×10-18;B为接收机工作带宽。上式带入常量，以dBm为单位，上式表示为P=10log（KTB×1000 mW）。

P=-174+10lg（B）        （2）

根据各个网络制式的发射功率和工作信道带宽，得出系统的热噪声功率如表2所示：

5.1  干扰隔离度计算及结果分析

（1）杂散干扰隔离度计算

一般情况下，杂散辐射的干扰底限通常取7 dB，这时接收机可接受的最大灵敏度损失取值为0.8 dB，对系统几乎无影响。杂散干扰的隔离度计算公式如下：

MCL≥Pspu+10lg-Imax-Nf    （3）

其中，MCL为隔离度;Pspu为干扰基站的杂散辐射强度，单位为dBm;Waffected为被干扰系统的信道带宽，单位是kHz;Winterfering为干扰系统的测量带宽，单位是kHz;Pspu+10lg为干扰基站在被干扰系统信道带宽内的杂散辐射强度;Imax为系统允许的最大干扰信号强度;Pn为被干扰系统的接收带内热噪声，单位是dBm;Nf为接收机的噪声系数，一般地，此系数小于或等于5 dB。

在干扰分析中，Imax与接收机可接受的最大灵敏度损失有关，此时有：

Imax=Pn+10lg=Pn-7            （4）

所以：

MCL≥Pspu+10lg-Pn-Nf+7 （5）

根据杂散干扰计算公式以及各系统的噪声基底及杂散系数，各系统间的杂散干扰隔离度计算结果如表3所示。

（2）阻塞干扰隔离度计算

在设计地铁多系统合路的POI时，为了保证系统正常工作，要求系统的阻塞电平要大于或等于接收机输入端的强干扰信号功率，即满足：

Pb ≥接收的干扰电平=  P0-MCL                       （6）

其中，Pb为接收机的阻塞电平指标，P0为干扰发射机的输出功率，所以系统间隔离度为：

MCL≥P0-Pb                          （7）

根据阻塞干扰隔离度计算公式及阻塞干扰电平的要求，地铁各系统阻塞干扰隔离度计算结果如表4所示。

（3）互调干扰隔离度计算

互调隔离度计算公式为：

MCL≥MAX（P1， P2， P3 ）-Pn-Nf+7    （8）

其中，MCL為隔离度;Pn为被干扰系统的接收带内热噪声，单位为dBm;P1、P2、P3分别为干扰系统1、干扰系统2、干扰系统3的信号强度，单位为dBm。

互调干扰的情况会很复杂，涉及到地铁系统中的多个频段，且信道又分为上行和下行。5G NR与其他系统共存时，产生互调干扰的隔离度计算结果如表5所示。

5.2  5G NR与异系统间的综合

干扰结果分析

由以上计算结果可知，在杂散干扰、阻塞干扰、互调干扰抑制这3个方面，最大隔离要求分别为90 dB、76 dB、176 dB。一般情况下，阻塞干扰的隔离度比杂散干扰的隔离度低很多，若隔离度能满足杂散干扰的要求，即可满足阻塞干扰的要求。

由互调干扰隔离度计算公式可知，在干扰系统输出功率相同的条件下，隔离度也相同，被干扰系统的工作信道带宽越小，系统的干扰隔离度越大。因此在研究5G NR与异系统间的互调干扰隔离度时只需计算5G NR与异系统的最低频段（GSM 900）之间的隔离度即可。如果能够通过某种增加隔离度的手段消除5G NR对GSM 900系统的干扰，那么5G NR与其他系统间都不会存在干扰。5G NR与GSM 900系统之间的三种干扰隔离度计算结果如下：

（1）杂散干扰：5G NR下行带外杂散辐射可能干扰GSM 900的上行，杂散值为86 dB。

（2）阻塞干扰：5G NR的发射信号对GSM 900系统的阻塞干扰值为45 dB。

（3）互调干扰：5G NR下行POI三阶交调产物可能干扰GSM 900上行，最大互调干扰176 dB。

目前，地铁民用通信系统一般都是通过POI对多个运营商的多个系统进行合路，电缆采用上行、下行分开的布放方式。POI设备的性能也比较稳定，多个系统间的隔离度一般都能达到90 dB，完全能满足以上杂散和阻塞干扰的隔离要求。POI合路器三阶互调抑制值可以达到-140 dBc，因此，如果要消除176 dB的互调干扰，还有36 dB需要通过漏缆上下空间分缆来确保系统之间的隔离度要求。

5.3  5G NR与异系统间的干扰隔离距离计算

天线垂直隔离度传播损耗计算公式为：

Vi[dB]=28+40*lg                （9）

其中，Vi[dB]为接收天线与发射天线之间的垂直隔离度，dv为接收天线与发射天线之间的垂直距离，λ表示接收频段范围内的电磁波波长。

天线水平隔离度传播损耗计算公式为：

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

其中，Hi[dB]表示接收天线与发射天线之间的水平隔离度，dh表示接收天线与发射天线之间的水平距离，λ表示接收频段范围内的电磁电波长，G1、G2表示接收与发射天线最大辐射方向增益（单位为dBi），S1、S2表示接收与发射天线90°方向副瓣电平（单位为dBp），（G1+G2）+（S1+S2）通常默认为2 dB。

由隔离距离公式可知，系统频率越高，隔离距离要求就越低，因此在研究5G NR中三个频段（2.6 GHz频段、3.5 GHz频段以及4.9 GHz频段）与GSM 900M系统之间干扰隔离距离时，只需满足5G NR中2.6 GHz频段与GSM 900M系统间的隔离距离即可满足5G NR中三种频段与其他异系统之间隔离距离。

在这里，隔离度为36 dB的隔离距离通过代入上述公式可得：

（1）垂直隔离距离dv=0.183 m，因此，建议隧道内上行、下行漏泄电缆相隔0.2 m即可满足指标要求。

（2）水平隔离距离dh=0.58 m，结合5G NR对天线间距的要求，建议站厅/站台上行和下行天线间距0.7 m即可满足指标要求。

6   干扰规避方法

民用移动通信系统之间的干扰规避可采取以下措施：

（1）采用高质量高性能POI及宽频器件实现多运营商合路覆盖。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，地铁隧道分布系统互调应小于-130 dBc@2*43 dBm，系统综合互调应达到-140 dBc@2*43 dBm左右。选择高质量、高性能器件，可以降低系统对空间隔离度的要求。

（2）减少互调干扰，合理调整干扰系统发射机的输出信号功率，采用合理的频率分配方案和无互调的信道组。

1）中国联通2.1G低频部分（2 130 MHz—2 150 MHz）受干扰较严重，且存在自身下行信号与其他系统的三阶互调影响自身上行信号的情况。建议优先将中国联通WCDMA2100系统进行上下行分离配置，或建议中国联通使用较高的频率（2 150 MHz—2 170 MHz）部分配置。

2）中国移动开启1.8G DCS（FDD-LTE）后对中国电信、中国联通1.8G干扰严重，经测试，该频段前10 MHz对中国电信和中国联通的干扰尤为严重。在一般场景下，如中国移动引入该频段，分公司应提前沟通，在不影响移动业务的前提下，由高到低使用该频段。

3）对于地铁隧道等空间受限的场景，可以根据接入系统的情况，与运营商进行相关指标沟通，在开启MIMO功能的时候降低技术指标。

（3）天饋端采用上行、下行分缆。由于上行和下行分开，干扰源信号经过下行分布系统路径损耗及空间衰减后，再由上行分布系统路径损耗反馈到被干扰源，这些损耗之和可以视为由于采用分缆带来的额外隔离度。

7   结束语

本文结合当前5G的频谱划分，分析了多个系统间的干扰类型，进一步研究了5G NR与不同系统间不同干扰类型的隔离度计算方法，采用最小耦合损耗干扰分析法计算出各系统间的干扰隔离度。最后结合目前POI的特性，计算分析了5G NR与异系统间的干扰隔离距离，并详细阐述了干扰规避所采取的措施，对5G建设具有一定的指导作用。

参考文献：

[1] 巫晨云. 地铁民用通信系统POI合路干扰分析[J]. 移动通信， 2018，42（1）： 72-79.

[2] Mc Cune E. 5G-NR Bandwidth Efficient Modulation Options for Efficient Link Operation that are Compatible with mmW Transistor Nonlinearities[C]//2018 IEEE 5G World Forum （5GWF）. IEEE， 2018： 289-293.

[3] Wen K， Zhao H. An analysis for coexistence interference isolation of indoor distribution system in multi-networks[C]//2013 3rd International Conference on Consumer Electronics， Communications and Networks. IEEE， 2013： 80-83.

[4] 李芃芃，郑娜，伉沛川，等. 全球5G频谱研究概述及启迪[J]. 电讯技术， 2017（6）： 734-740.

[5] 杜滢，朱浩，杨红梅，等. 5G移动通信技术标准综述[J]. 电信科学， 2018（8）： 2.

[6] 邓安民. 5G无线网络下的智能干扰管理技术研究[J]. 通讯世界， 2017（17）： 63-64.

[7] 邢强强，李新. 地铁通信系统引入TD-LTE系统后的干扰分析研究[J]. 移动通信， 2012（18）： 27.

[8] 魏选平，卞树檀. 蒙特卡罗法仿真实例及其结果分析[J]. 上海航天， 2002（2）： 33-36.

[9] 卞文龙. 浅析5G链路预算与站址规划[J]. 数字通信世界， 2018（6）： 12.