西安机场线LTE-M系统干扰保护及网络优化*

王 鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司通信信号设计院， 710043， 西安∥高级工程师)

西安机场线(西安北至机场城际轨道项目)是连接西安咸阳国际机场和高铁西安北站两大交通枢纽的城际铁路，与西安地铁4号线在北客站实现同台换乘。2016年开始建设西安机场线LTE-M(城市轨道交通车地综合通信系统)车地无线通信网，2019年底正式投入使用。该网络综合承载的业务包括：PIS(乘客信息系统)视频业务、IMS(视频监视系统)业务、列车运行控制业务、列车紧急文本下发业务、列车运行状态监测业务。

基于西安机场线工程的特殊性及红线外多个1.8 GHz TD-LTE(分时LTE)系统网络建设情况，综合承载网的设计和网络优化工程极富挑战性。

1 机场线LTE-M系统建设的难点

西安机场线全长29.31 km，正线以高架长大区间为主，最高设计速度100 km/h。该线以地方无委会正式批复的1 790～1 805 MHz频段资源为基础，构建双网LTE-M系统(10 MHz A网和5 MHz B网)。此外，机场线贯穿多处商业和工业开发区，沿线有多家企事业单位自建有1.8 GHz TD-LTE系统。因此，西安机场线LTE-M建设所面临的难点主要集中在以下几方面：

1) 机场线与西安地铁4号线在北客站的干扰保护与网络优化。西安地铁4号线LTE-M系统占用1 785～1 805 MHz频段中全部20 MHz频率资源。机场线与西安地铁4号线在北客站实现地下二层一岛两侧同台换乘。4号线站台轨行区无线信号覆盖采用中隔墙上挂板状定向天线的方式。

2) 机场线与西安地铁4号线在草滩停车场的干扰保护与网络优化。机场线渭河南站(高架站)及邻近区间与西安地铁4号线草滩停车场仅一墙之隔，停车场内LTE-M系统采用立杆安装定向天线的方式实现信号覆盖。

3) 机场线与渭河电厂、长庆石化在高架区间的干扰保护与网络优化。机场线渭河南—秦宫区间外2.5 km处建有渭河电厂自建LTE系统。长陵—摆旗寨区间外3 km处建有长庆石化自建LTE系统，且均采用高铁塔+定向天线的方式实现厂区信号覆盖。

4) 机场线与西安咸阳国际机场在高架区间的干扰保护与网络优化。机场线空港新城站及邻近区间距离西安咸阳机场围墙最近处仅600 m，西安咸阳国际机场TD-LTE宽带无线通信网占用1 785～1 795 MHz频率资源，该系统采用板状定向天线的方式实现信号覆盖。

2 机场线LTE-M系统干扰保护措施

对于系统的干扰保护，一般有频率隔离、空间隔离、小区间干扰协调、基站规划参数调整等手段，各种保护措施的特点如表1所示。

表1 LTE-M系统干扰保护措施

针对机场线特殊工况，首先明确机场线LTE-M系统方案的工程设计原则：

1) 全线漏缆覆盖。针对机场线高架区间较多的特点，确定所有正线区间、出入段线、试车线全部使用漏缆覆盖；高架侧式车站、场段咽喉区使用吸顶或板状定向天线补盲[2]，可最大限度避免机场线对红线外部环境产生电磁干扰。同时漏缆覆盖具备场强集中的优点，更利于抵御外部干扰信号。

2) 优化漏缆敷设位置。通过将隧道区间漏缆敷设高度控制在3.7～4.1 m之间、高架区间漏缆敷设高度控制距离轨面0.3～0.9 m之间，可最大限度降低额外耦合损耗，提升抗干扰能力[3]。

3) 超级小区组网。在高架区间左、右线分别设置RRU(射频拉远单元)实现LTE信号覆盖，左、右线同一里程RRU配置为超级小区，避免小区间干扰[4]。

4) 压缩覆盖范围。在遭遇干扰风险较高的区域内，适当压缩单RRU小区覆盖范围至900 m以内。同时为后期优化越区切换算法提供调整余量[5]。

5) 提升终端可靠性。车顶设置两幅鲨鱼鳍单极化天线，车底左、右各设置一副板状双极化天线，提高系统可靠性。

6) A、B网RRU均同站址布放。对于LTE的邻频干扰，主要考虑其带外阻塞的影响，因此设计时要求将双网RRU布放里程点均保持一致。

其次，采用定量分析的方式制定具体措施。根据LTE-M规范要求，最小RSRP(参考信号接收功率)不低于-95 dBm，SINR(信噪比)不低于3 dB。SINR的计算公式如下：

(1)

式中：

RSIN——SINR(信噪比)，dB；

VC——载波信号电平值的均方根；

VN——其他噪声电平值均方根，包含了底噪、异系统的干扰信号以及来自机场线自身的同频干扰信号。

RSRP可等价为20 lgV。考虑到底噪远小于来自同频异系统的干扰，可假设：

VN=V干扰+V底噪

(2)

根据式(1)和式(2)可得：

RSIN=20 lgVC-20 lgVN=PRSR-20 lgVN=

PRSR-20 lg(2V干扰)=

PRSR-PRSR干扰-6 dB

(3)

式中：

PRSR——RSRP(参考信号接收功率)，dBm。

结合工程经验，可将SINR指标设定为≥9dB，则根据式(3)可得系统的干扰保护准则为[6]：

PRSR≥PRSR干扰+15 dB

(4)

即保证本线LTE信号与干扰系统信号之间RSRP差值≥15 dB时，外部干扰对本系统的影响可忽略不计。以此参数作为定量分析的指标，依照理论计算、模拟仿真、外场实测、网络优化的系列步骤开展设计和调试工作。

另外，由于双方均工作在同一频带内，对于相互间的邻频干扰，同样要考虑带外阻塞的影响，在不考虑隔离度的情况下，只要干扰信号不大于16 dBm/20 MHz即可满足系统正常工作要求[1]。

3 机场线LTE-M系统优化

机场线与各外部LTE系统的干扰保护和网络优化策略基本一致。现以机场线与西安地铁的干扰分析和处理方案为例进行说明。

3.1 机场线与西安地铁4号线在北客站干扰处理及网络优化

由于机场线获批的15 MHz的频率资源与4号线使用的20 MHz频段完全重叠，因此无法使用频率隔离措施。虽然LTE小区间的同频干扰是一种窄带的随机干扰，即使不采用ICIC技术，基于OFDMA(正交频分多址接入)的LTE系统天然具备干扰随机化的能力[7]。但在双方系统均满负荷运行时，小区间干扰协调手段严重受限，只能通过空间隔离和基站参数配置手段进行设计和网络优化：机场线采用在本方中隔墙广告灯箱上方敷设漏缆的方式来精确控制信号场强和覆盖范围，漏缆敷设方向与4号线一致并互为镜像，确保沿着轨道同一方向的无线场强变化趋势相同，场强同强同弱便于干扰控制；机场线和4号线双方基站设置相同发射功率、相同时隙配比、相同特殊子帧配比，均首选GPS同步方案。

如图1所示，两线中隔墙间隔26 m，漏缆耦合损耗增加约11 dB，屏蔽门顶部钢板及墙体的穿透损耗≥10 dB。在双线同时开启屏蔽门时，无线干扰最为严重，即使不考虑车体、人体、天花板等影响，空间隔离度仍可达21 dB以上。理论分析表明，在双方发射功率一致的情况下，方案能够满足系统信噪比≥15 dB的限值要求，且信号强度远小于16 dBm/20 MHz，初步认定干扰可控。

图1 机场线与4号线同台换乘示意图

后期网优阶段如图2所示，机场线轨行区范围内实测出4号线LTE信号强度均低于-100 dBm，在此区域内机场线控制发射功率≥-80 dBm(含衰落储备)时即可满足双方的干扰保护要求。

图2 机场线轨行区内的4号线信号强度

3.2 机场线渭河南站与西安地铁4号线草滩停车场间的干扰处理及网络优化

西安地铁草滩停车场采用板状定向天线覆盖LTE信号。如图3所示，RRU1距离渭河南站较近，其无线信号辐射范围大且较难收敛，此处以RRU1为研究对象。

在前期不具备现场测试、调试条件时，应首先收集4号线基站参数，对其进行仿真，模拟其覆盖范围和场强分布，保证后期机场线的设计能否预留优化裕量。以10 MHz频宽的A网为例，仿真模型输入参数如表2所示。

图3 4号线停车场RRU分布

表2 仿真模型输入参数

图4的仿真结果显示，机场线内来自4号线的干扰信号均大于-95 dBm。该结果与后期现场电磁环境测试的数据基本一致。

图4 渭河南站附近干扰强度分布

通过协调设备厂家优化4号线草滩停车场运用库口A网RRU1(3号扇区、PCI编号127)的天线方位角、下倾角以及RRU功率，调整前后站点的工程参数如表3所示。

表3 干扰站参数优化

经调整后，在机场线范围内实测来自4号线的干扰信号最高场强为-105 dBm，因此机场线控制本线信号强度≥-95 dBm(含衰落储备)时即可满足系统运行要求。

4 结语

随着工业与信息化部关于1.8 GHz频率资源使用政策的发布，以及中国交通运输协会LTE-M系列规范的正式实施，LTE-M系统在各城市轨道交通中的建设规模逐步加大，线网级应用的雏形已经形成。鉴于20 MHz频率资源有限以及多行业共用的性质，线网级应用将面临复杂的频率规划和干扰保护问题。机场线的工程特点几乎涵盖了所有需要进行LTE-M干扰保护设计和网络优化的场景。通过本文提及的工程设计思路，以及干扰保护所涉及的理论计算、仿真、实测、网优等措施，可为各城市LTE-M系统线网级应用的频率规划、系统设计、网络优化工作提供有价值的参考。