上海轨道交通5号线LTE系统干扰问题研究

范颖慧

(上海轨道交通五号线南延伸发展有限公司，200235，上海∥高级工程师)

近年来，基于1.8 GHz频段无线通信的移动性、高性能、易部署等优点，TD-LTE(分时长期演进)车地无线通信技术在轨道交通领域被广泛推广应用。上海轨道交通5号线为典型的高架线路，仅申请到非常有限的5 MHz(1 800～1 805 MHz)频谱资源。上海轨道交通5号线车地无线通信网络是全球首个LTE(长期演进)系统1.4 MHz+1.4 MHz网络，本文对组网过程中的干扰问题进行分析和研究。

1 上海轨道交通5号线 LTE系统工作频段划分

上海轨道交通5号线申请的LTE频谱资源仅有5 MHz，根据信号系统供货商信道规划，仅能单独承载CBTC(基于通信的列车控制)系统。考虑到网络的冗余覆盖，按A网和B网双网考虑，频宽为1.4 MHz，即：A网的工作频段为1 801.4～1 802.8 MHz；B网的工作频段为1 802.9～1 804.3 MHz，如图1所示。

注：FDD——频分双工；GSM——全球移动通信

图1 上海轨道交通5号线LTE系统网络的工作频段划分示意图

2 上海轨道交通5号线 LTE系统干扰问题分析

经分析，上海轨道交通5号线LTE系统的干扰主要来自以下4个方面：A网、B网双网间干扰；A网、B网内邻区干扰；与中移动GSM 1 800 MHz(GSM：全球移动通信)系统间干扰；与其他1.8 GHz LTE系统间干扰。

2.1 A网、B网双网间干扰分析

通过对比发现，A网和B网采用相同的子帧配比方式，上下行时隙完全对齐，如表1所示。

因此，上海轨道交通5号线LTE空口采用OFDM(正交频分复用)技术，采用了子载波间相互重叠正交的方式来消除干扰，子载波的间隔为15 kHz。即：当A网、B网间隔为0.1 MHz时，A网、B网网络的子载波都是正交(15 kHz的整数倍)，如图2所示。

表1 A网、B网子帧配比表

2.2 A网、B网内邻区干扰分析

A网、B网内前后邻区同频，在小区边缘信噪比往往会降低，从而影响业务速率。上海轨道交通5号线LTE系统通过如下机制降低邻区干扰：

图2 A网、B网子载波示意图

1)通过合理邻区配置和功率控制等方法来降低干扰。通过功率的有效控制，可以提升边缘的信噪比，保证小区边缘的业务速率。

(1)高架区段邻区干扰抑制。上海轨道交通5号线大部分为高架区段，上下行间完全敞开，为了预防乒乓切换，高架区段均采用上下行共享RRU(射频拉远单元)的方式，使上行和下行位于同一小区，如图3所示。

注：TAU——列车接入单元;BBU——基带处理单元

(2)隧道区段邻区干扰抑制。上海轨道交通5号线隧道区间均为单圆盾构，上、下行间完全隔离，因此，采用了上、下行独立布设RRU的方式。隧道区段的站台均为岛式，如图4所示。站台区上、下行小区信号可采用空间隔离：① 上、下行线路的LTE发射信号采取等电平配置来解决干扰问题，此时空间隔离的干扰裕量为20lg(D/d)，其中，D表示本线路中心至远侧隧道边缘的距离，d表示本线路中心至近侧隧道边缘的距离。如果取d=2 m，D=10 m，则20lg(D/d)=14 dB。② 设计时，考虑降低车载天线安装位置，使其安装位置低于站台地面，以有效利用站台地面、天花板、屏蔽门、车体等障碍实现空间隔离，一般情况下的隔离度可以达到10～15 dB。采取以上干扰抑制措施后，经测算，总体上的隔离度可以达到25 dB，满足LTE系统链路预算中对SINR(信号与干扰加噪声比)的要求(13 dB)，所以不会产生邻区干扰。

图4 上海轨道交通5号线隧道区段站台示意图

2)ICIC(小区间干扰协调)和IRC(互联网中继聊天)等抗干扰算法可以有效提升解调能力，在小区边缘仍然能够保障吞吐率满足CBTC的承载需求。

2.3 与中移动GSM 1 800 MHz系统间干扰分析

上海轨道交通5号线LTE系统使用频段与中移动GSM下行频段相邻，GSM 1 800 MHz系统基站对上海轨道交通5号线LTE系统存在干扰风险，风险包括: ① 阻塞干扰。3GPP(第三代合作伙伴计划)协议规定不高于-43 dBm。② 杂散干扰。GSM间隔600 KHz，杂散电平-27 dBm。③ 互调干扰，GSM的互调抑制60 dB，互调电平-17 dBm。

2.3.1 与中移动GSM 1 800 MHz系统间阻塞干扰分析

中移动TDD(时分双工)系统对于阻塞干扰的要求，为阻塞干扰电平强度不高于-43 dBm(按照3GPP协议)。

GSM 1 800 MHz系统基站的发射总功率为49 dBm，天线增益为17 dBi；LTE系统的漏缆耦合损耗为67 dB。则:阻塞干扰需求电平=GSM 1 800 MHz系统发射总功率+天线增益-漏缆耦合损耗-空损。因此，当阻塞干扰电平不高于-43 dBm时，空气损耗至少需42 dB。

通常功率从天线口发出后，至少有50 dB左右的衰减。因此，上海轨道交通5号线LTE系统在使用漏缆的场景下，GSM 1 800 MHz系统站点的空间距离不需要明确的隔离要求。

2.3.2 中移动GSM 1 800 MHz系统间杂散干扰分析

对于杂散干扰，GSM的杂散指标如表2所示。

表2 GSM的杂散指标

当频率间隔为600 kHz以上时，参照GSM 1 800 MHz系统基站的单载波发射功率43 dBm，则杂散干扰的电平强度为-27 dBm左右。经过空口传播的损耗约50 dB，则LTE系统接收到信号强度肯定低于-43 dBm的阻塞要求。因此，在满足阻塞干扰隔离要求的情况下，也能满足杂散干扰隔离要求。

2.3.3 与中移动GSM 1 800 MHz系统间互调干扰分析

对于互调干扰，GSM 1 800 MHz系统的互调抑制度为60 dB，在GSM 1 800 MHz系统基站单载波发射功率43 dBm的情况下，互调功率强度为-17 dBm。经过空口传播衰减50 dB之后，则LTE接收到信号强度仍低于-43 dBm的阻塞要求。因此，在满足阻塞干扰隔离要求的情况下，也能满足互调干扰隔离要求。

2.4 与其他1.8 GHz LTE系统间干扰

两个LTE系统之间最主要的干扰是基站对基站之间的干扰，相对来讲，杂散干扰对隔离度的要求最高。实际需要隔离度可通过以下公式计算：

需求隔离度=LTE系统隔离度+干扰系统增益-干扰系统损耗+本系统增益-本系统损耗

根据自由空间传播模型公式，可算出需要的天线隔离距离：

需求隔离度=32.4 dB+20lg(天线间距)+20lg(使用频率)

1)若上海轨道交通5号线CBTC LTE系统与其他LTE系统均采用自由波天线时的参数取值见表3。

通过表3及自由空间传播模型可算出，在CBTC LTE系统与干扰LTE系统均使用自由波天线时不同场景需保证的隔离距离：

(1)当天线正对时，需保证隔离度132 dB，则CBTC LTE 系统与干扰系统天线间距需大于53 km；

(2)当天线侧对时，需保证隔离度115 dB，则CBTC LTE 系统与干扰系统天线间距需大于7.5 km；

表3 相邻LTE系统均采用自由波天线时参数取值表

(3)当天线背对时，需保证隔离度98 dB，则CBTC LTE 系统与干扰系统天线间距需大于1.1 km。

根据计算结果不难看出，若上海轨道交通5号线 CBTC LTE系统采用自由波天线时，隔离距离要求较大，即受干扰的可能性较大。为此，结合上海轨道交通5号线的环境，CBTC LTE系统正线推荐使用漏泄电缆作为传输介质。考虑到车场敷设漏缆条件较差，但是车场相对独立，且四周均有建筑物隔离，因此推荐采用自由波天线作为传输介质。

2)若上海轨道交通5号线CBTC LTE系统使用漏缆，而干扰LTE系统使用自由波天线时的参数取值见表4。

表4 相邻LTE系统采用漏缆和自由波天线时参数取值表

通过表4及自由空间传播模型可算出，该场景下需保证的隔离距离：

(1)当泄漏电缆和自由波天线正对时，需保证隔离度51 dB，则CBTC LTE 系统与干扰系统天线间距需大于4.7 m；

(2)当泄漏电缆和自由波天线背对时，需保证隔离度34 dB，则CBTC LTE 系统与干扰系统天线间距需大于0.6 m。

3)若上海轨道交通5号线 CBTC LTE系统与其他LTE系统均采用漏缆时的参数取值见表5。

表5 相邻LTE系统均采用漏缆时参数取值表

由于漏缆本身的耦合损耗很大(67 dB)，足够保障两个系统之间的隔离度，因此对空间距离仅需满足漏缆安装隔离要求(一般取0.3 m)即可。

2.5 增加1.8 GHz滤波器

为更好地抵御外部干扰，上海轨道交通5号线LTE系统在车载TAU侧加装了1.8 GHz 30 dB抑制的滤波器。结合前文分析可知: TDD系统对于阻塞干扰的要求为不高于-43 dBm；GSM 1 800 MHz系统基站的发射功率为49 dBm，天线增益17为dB；LTE终端的天线增益为3 dB，滤波器抑制为30 dB。

阻塞干扰隔离度计算公式为：阻塞干扰隔离度=GSM 1 800 MHz系统发射总功率+天线增益-损耗-阻塞干扰需求电平。根据该公式以下情况下的阻塞干扰隔离度。

1)加装滤波器且天线正对时的阻塞干扰隔离度=49 dBm+17 dB-3 dB-30 dB-(-43 dBm)=76 dB。

2)不加装滤波器且天线正对时的阻塞干扰隔离度=49 dBm+17 dB-3 dB-(-43 dBm)=106 dB。

3)加装滤波器且天线侧对时的阻塞干扰隔离度=49 dBm-3 dB-30 dB-(-43 dBm)=59 dB。

4)不加装滤波器且天线测对时的阻塞干扰隔离度=49 dBm-3 dB-(-43 dBm)=89 dB。

再使用自由空间传播模型公式：需求隔离度=32.4 dB+20lg (天线间距)+20lg(使用频率)，可得出天线距离间距要求，如表6所示。

表6 不同空间隔离要求下的天线距离间隔表

3 结语

虽然上海轨道交通5号线高架区段为路中线路，但通过LTE系统A网和B网双网间干扰、A网和B网内邻区干扰、与中移动GSM 1 800 MHz系统间干扰，以及与其他1.8 GHz LTE系统间干扰等4个方面的研究，在设计过程中采用LTE频段划分、子帧配比、功率控制、抗干扰算法及增加滤波器等有效手段，提高了5号线LTE系统的抗干扰能力，满足系统设计的隔离要求。本文针对实际的线路进行的抗干扰分析，可为其他地铁线路TD-LTE系统建设提供一定借鉴。