地铁无线通信多系统接入的抗干扰技术及覆盖效果测试

顾熙妍

(中铁十一局集团电务工程有限公司，湖北 武汉 430074)

受到空间限制，地铁电缆与通信电缆密集排布，相互之间不可避免会发生干扰。无线电干扰会导致通信系统中出现大量杂散、谐波等信号，导致信号强度不稳定，严重影响正常通信。基于POI 平台的无线通信多系统接入抗干扰技术，被广泛应用于地铁、机场、展览馆等场所。相比于以往地铁站采用多个独立并行接入覆盖系统，选择无线通信多系统接入技术进行信号覆盖，一方面是能够减少设备数量，节约安装空间，尤其适合地铁这种空间局促的场所。另一方面则是解决了无线接入网间的相互干扰问题，对提升信号强度也有明显的效果。

1 地铁无线通信多系统接入时的抗干扰技术

1.1 科学布置滤波器

滤波器是POI 系统中的核心设备之一，具有带外抑制特性，抑制能力通常在70dB 以上。所谓带外抑制，是指滤波器对于偏离“中心频率±通带宽度”以外的信号，相对于中心频率处的信号的抑制能力。以中国移动900MHZ GSM系统和中国联通800MHZ CDMA 系统为例，分析干扰形式及抗干扰技术。GSM系统在运行时所受的干扰主要有3 种形式，分别为杂散干扰、阻塞干扰、互调干扰。其中，杂散干扰主要来自于CDMA 基站在885MHZ 附近的带外发射，它会导致GSM系统的信噪比大幅度降低，通信严重受限；阻塞干扰取决于GSM接收机的带外抑制能力，同时也与CDMA 的载波发射功率等有关；互调干扰与CDMA 多载频、非线性的运行模式有关，取决于CDMA 系统的带外抑制能力。

在CDMA 基站发射端和GSM基站接收端分别安装带通滤波器，是抑制干扰的一种有效方法。假设地铁无线通信系统中有A、B 两条并行的通信网络，在A 网的接收通道中安装接收滤波器，可以在接受带外发射信号时进行同步抑制，从而降低B 网对A 网的阻塞干扰。同样的，在B 网的接收通道中安装接收滤波器，也能够达到减轻A 网对B 网阻塞干扰的效果。滤波器安装位置如图1 所示。

图1 基站增加机顶滤波器示意图

1.2 加强系统隔离度

考虑到地铁通信系统具有频带宽、子系统多的特点，为了减轻系统间的相互干扰，需要将通信系统的上、下行分开传输，保证传输电缆之间有一定的间隔距离。在实际布置时，如何科学确定系统隔离度是一项重要工作。一味增加间隔距离，虽然保证了相互之间不受干扰，但是会占用更多的空间。而地铁内部空间狭小，必然会增加操作难度和安装成本。相反，如果间隔距离不够，无法解决干扰问题，又会影响通信质量。目前国内许多城市对地铁无线公网各系统之间的隔离度做出了明确要求，S 市的隔离度要求如表1 所示。

表1 S 市地铁无线公网各系统间的隔离度要求

以CDMA 下行带外杂散辐射干扰GSM M900 上行为例，要想避免此类干扰，需要的最小带外杂散辐射空间隔离度计算公式为：

上式中，LISO1为POI 输入功率；LCRTX-Amp为CMDA 的带外抑制；LTX-rig为890MHz 情况下CDMA 机顶滤波器的带外抑制；IAff为有害干扰信号强度要求比背景杂声低10dB；LPOI为POI 的插入损耗；LHbrid为桥路损耗，Lcable为100M 路线损耗。结合S 市地铁实际情况，将各项参数的实际值带入上式计算，得出LISO1的值为18.2dB，即要想使CDMA 下行带外杂散辐射不干扰GSM900 的上行，要求空间隔离度不得低于18.2dB。

1.3 合理设置天馈系统

1.3.1 泄漏电缆间距的设置

现阶段城市地铁建设中，为了提升通信效率、降低通信阻塞，通常会把公众无线通信系统的上、下行两个链路分开。在此基础上，使用泄漏同轴电缆对链路进行覆盖，其结构如图2 所示。

图2 区间泄漏电缆覆盖示意图

参考电波的波长(λ)计算公式：

易得特定频率下各无线信号的波长。以频率为900MHz的电波为例，其波长λ=0.33m。在此基础上，参考隔离度损耗(L)公式：

上式中D 为两条泄漏电缆之间的间隔距离，单位为m。可以计算出不同间距下900MHz 泄漏电缆的隔离损耗。当D=0.1m 时，L 为54.5dB；当D=0.5m 时，L 为68.4dB；当D=1.0m 时，L 为74.4dB。另外，实验表明在两条泄漏电缆间距=30cm 时，在800-1000MHz 频段内，损耗为75dB；在1600-2500MHz 频段内，损耗为66dB。综上，在地铁天馈系统设置中，将上、下行两条泄漏电缆的间隔距离设定在0.2-0.4m 之间是比较合适的。

1.3.2 分布式天线的设置

在分布式天线中，接收线和发射线均有10dB 的耦合损耗。因而分布式天线的隔离度能够从最初的38.2dB 降低到18.2dB。假设有2 个全向天线并排布置，则隔离度计算公式为：

上式中，D 为两条天线之间的水平距离，单位为m。当分布式天线隔离度(LISO)为18.2dB 时，计算出D 为0.2m。故分布式天线中的接收线与发射线之间，水平距离不应低于0.2m。实际上，目前国内许多城市的地铁线路中，收发天线距离均在1m 以上，例如上海地铁9 号线为1.2m，南京地铁3号线为1.5m。

1.4 优化辐射功率分配

考虑到不同系统在数据传输期间的衰减、损耗情况存在明显差异，因此地铁通信多系统接入时要想保证覆盖区域内各处的信号强度均能达到预期，必须要对各系统的辐射功率进行科学分配。现阶段常用的技术手段是监测、计算出各个频段信号在泄露电缆中传输时，在信号强度满足要求的前提下所能达到的最远距离。如果覆盖区域内某处场强较弱，可以在该位置安装放大器，从而让各频段信号趋于一致，达到均匀覆盖的效果。假设某条泄漏电缆支持的最大传输距离为Dmax，则各频段的最大传输距离应满足以下条件：

PA-αDmax-LC-Lm-Ln≥Prmin

上式中，PA为泄漏电缆的输入功率，单位为dBm；α 为泄漏电缆传输损耗系数，单位为dB/100m；LC为泄漏电缆的耦合损耗，单位为dB；Lm为地铁车厢穿透损耗，单位为dB；Ln为瑞利损耗，单位为dB；Prmin为最小接收电平，单位为dBm。以S 市地铁数字电视无线公网泄漏电缆信号为例，其频率为600MHz，输入功率38.86dBm，传输系数损耗为2.0dB/100m，耦合损耗为65dB，最小接收电平为-82dBm，则根据上式计算出泄露电缆的最大传输距离为2143m。

1.5 降低电磁干扰影响

电机是引起电磁干扰的主要因素，由于电机运行时频率较低，因此对于无线通信系统主要产生低频干扰。降低和屏蔽低频干扰的手段有多种，例如选择电源滤波器技术，或者在电源模块设计时采用薄膜合金技术，都能够实现强化屏蔽的效果。另外，由于POI 系统中已经安装了高性能滤波器，也能够在一定程度上发挥抑制低频干扰的效果。当然，在实际情况下还要考虑潜在干扰的影响，因此通常会预留出3-5dB的信号功率余量。

2 地铁无线信号覆盖效果测试

无线通信子系统的指标要求如下：a.GSM系统。隧道、站台、站厅超过95%的区域场强≥-85dBm；超过95%的区域在99%的时间内移动台可接入网络；误码率为3 以下的区域占整个覆盖区域的95%以上。b.CDMA 系统。隧道、站台、站厅超过95%的区域场强≥-85dBm；超过95%的区域在99%的时间内移动台可接入网络；一次解码时误帧率≤1%。

基于上述要求对地铁2 号线覆盖效果进行测试，测试所用手机为爱立信TEMS(GSM专用测试手机)，所用软件为ANTWalkman for GSM测试系统，测试内容为通话测试和扫频测试。选择1800MHz 网络信号进行测试，结果如图3 所示。

图3 某市地铁2 号线区间无线信号测试效果

结合图3 可知，该测试区间内信号场强在-50-RxLev(满强度)之间波动，其中超过-85dBm 的占比达到了100%，满足设计要求中95%的要求。误码率为3 以下的区域为100%，也满足设计要求中95%的要求。综上，将无线通信多系统接入地铁后，隧道、站台、站厅内1800MHz 信号覆盖场强满足设计要求，保证了地铁运行时的无线通信需要。

3 结论

无线通信多系统接入平台可以采用泄漏电缆覆盖与全向天线覆盖的方式，实现对地铁隧道、站台、站厅等各处信号的均匀、全面覆盖，是现阶段地铁通信设计中常用的一种技术。但是无线通信多系统接入时，面临着热噪声干扰、同频干扰、杂散干扰、阻塞干扰等，降低了信号质量。通过合理设置滤波器、增加系统隔离度、科学分配辐射功率以及降低电磁干扰等措施，能够进一步提升无线通信多系统接入时的抗干扰能力，从而保障了地铁各系统之间的高质量通信。在地铁公众无线通信系统从4G 向5G 扩展的过程中，无线信号频率更高，衰减情况更加严重，这种情况下无线通信多系统接入抗干扰技术的应用前景更加广泛。