軌道交通通信TD-LTE同頻干擾解決方案分析

權(quán)朝暉

（陜西城際鐵路有限公司，陜西 西安 710016）

0 引 言

目前，TD-LTE車地?zé)o線技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在軌道交通行業(yè)，不同線路之間的無線信號相互干擾不僅影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，還會給行車安全帶來巨大隱患。線路之間的相互干擾制約著TD-LTE技術(shù)在軌道交通行業(yè)的推廣及應(yīng)用。國內(nèi)關(guān)于TD-LTE同頻干擾解決的方案主要針對的是不同民用通信運營商之間的案例。

本文以西安地鐵機場線和地鐵4號線在北客站同站臺同頻干擾以及機場線與4號線草灘停車場同頻干擾為背景，通過方案設(shè)定、現(xiàn)場測試、數(shù)值分析，論證了空間隔離方案的可行性。該方案的實際應(yīng)用，不僅解決了北客站同站臺同頻干擾和地鐵4號線草灘停車場同頻干擾問題，也為后期其他線路提供技術(shù)依據(jù)。

1 TD-LTE技術(shù)在軌道交通方面的應(yīng)用

城市軌道交通采用的TD-LTE技術(shù)綜合業(yè)務(wù)承載方案是基于3GPP TD-LTE以及LTE-M標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提供了一個可靠的、冗余的、可靈活重構(gòu)配置的透明傳輸通道，滿足信號CBTC業(yè)務(wù)、車載PIS流媒體直播業(yè)務(wù)、車載CCTV上傳業(yè)務(wù)、列車緊急文本信息和列車狀態(tài)信息承載的需要，同時為集群調(diào)度業(yè)務(wù)預(yù)留相應(yīng)的帶寬和接口。

軌道交通TD-LTE綜合承載系統(tǒng)一般采用A/B雙網(wǎng)冗余架構(gòu)設(shè)計。A網(wǎng)采用10 MHz或15 MHz載波帶寬同頻組網(wǎng)，用以綜合承載信號CBTC、車載PIS流媒體、列車緊急文本信息、車載CCTV、列車運行狀態(tài)信息等業(yè)務(wù)；B網(wǎng)使用5 MHz帶寬同頻組網(wǎng)單獨承載信號CBTC業(yè)務(wù)。A、B雙網(wǎng)絡(luò)完全獨立、并行工作、互不影響，從而保障信號CBTC業(yè)務(wù)的高可靠性。A網(wǎng)和B網(wǎng)采用相鄰異頻組網(wǎng)以及相同的時隙配比，避免相互之間的干擾。

TD-LTE系統(tǒng)是由中心核心網(wǎng)、車站基站設(shè)備及車載列車接入單元構(gòu)成的一個有線、無線相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，核心網(wǎng)設(shè)備到基站之間采用有線傳輸系統(tǒng)所提供的通道連接，基站為BBU、RRU分布式系統(tǒng)，無線電波通過漏泄同軸電纜和天線輻射傳播，基站到列車接入單元之間采用無線連接。

2 干擾源分析

2.1 頻率使用情況

根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會技術(shù)裝備專業(yè)委員會在遵循3GPP、B-TrunC相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上組織制定的《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）規(guī)范》，TD-LTE系統(tǒng)采用時分雙工實現(xiàn)上下行共用20 MHz頻譜資源，頻段為1 785～ 1 805 MHz。

2.2 無線電波傳播環(huán)境

軌道交通TD-LTE系統(tǒng)建成后電波傳播環(huán)境固定不變，主要有正線區(qū)域和車輛段（停車場）區(qū)域。正線區(qū)域電波通過敷設(shè)在高架疏散平臺下方漏纜和個別岔區(qū)站臺的首尾端定向天線向軌行區(qū)及道岔發(fā)射無線電波；車輛段（停車場）地面敞開區(qū)域通過定向天線向覆蓋區(qū)域發(fā)射無線電波。

3 干擾源分類

根據(jù)無線電波的傳播環(huán)境，影響軌道交通線路無線信號的干擾源有三種：與民用通信的鄰頻干擾、與軌道交通其他線路的同頻干擾、與民航的同頻干擾。

3.1 與民用通信的鄰頻干擾

中國移動的DCS1800下行頻段為1 805～1 830 MHz，軌道交通TD-LTE系統(tǒng)使用的頻段為1 785～1 805 MHz，因此中國移動DCS1800對軌道交通TD-LTE存在無線信號鄰頻干擾。

3.2 與軌道交通其他線路的同頻干擾

3.2.1 室內(nèi)不同線路的同頻干擾

兩條線路之間如果為換乘站，且同站臺換乘，如圖1所示。

圖1 機場線與西安地鐵4號線在北客站同層換乘示意圖

若軌道交通兩條線均使用TD-LTE實現(xiàn)車地?zé)o線通信，在無線制式上相同，雙方基站時鐘同步，配比相同的子幀，上下行時隙同步。在空間上，如果兩個網(wǎng)絡(luò)在相隔較近距離時將會產(chǎn)生同頻干擾。

3.2.2 室外鄰線的同頻干擾

如圖2所示，軌道交通某段線路為地面或者高架段，緊鄰該線路有其他線路的車輛段或者停車場，或者緊鄰該線路也有正在使用的TD-LTE系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，且該網(wǎng)絡(luò)使用的頻率為1 785～1 905 MHz，例如機場附近，民航使用頻率與軌道交通使用的TD-LTE系統(tǒng)無線頻譜重疊。在空間上，兩張網(wǎng)絡(luò)有重疊區(qū)域，如果在相隔較近距離時將會產(chǎn)生同頻干擾。

圖2 西安地鐵4號線停車場與機場線空間示意圖

4 同頻防干擾方案及應(yīng)用

4.1 空間隔離方案

無論是同站臺換乘時產(chǎn)生的室內(nèi)鄰頻干擾還是室外鄰頻干擾，兩個線路之間存在空間衰減或建筑阻隔等情況，會產(chǎn)生線路之間的衰減隔離。為了防止干擾，均可以采用空間隔離方案，如圖3所示。目前還沒有關(guān)于1.8 GHz軌道交通系統(tǒng)干擾余量或隔離度相關(guān)的規(guī)范和系統(tǒng)，但根據(jù)《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）規(guī)范》要求，信噪比SNR指標(biāo)要求全線在3 dB以上。結(jié)合工程經(jīng)驗，可要求SNR指標(biāo)大于6 dB。SNR計算公式如下：

圖3 空間隔離方案示意圖

式中：V是載波信號電平值的均方根；V是其他噪聲電平值的均方根。則有：

V包含了底噪和異系統(tǒng)的干擾信號以及來自機場線的同頻干擾信號，式（2）可等價為：

一般情況下，>>，底噪通常為高斯白噪聲與其他異頻段無線電系統(tǒng)的綜合作用，且小于-115 dB，遠小于來自同頻異系統(tǒng)的干擾。

不同線路的LTE發(fā)射信號采取等電平配置來解決干擾問題，在軌道交通1.8 GHz TD-LTE時分系統(tǒng)中，與機場線1.8 GHz TD-LTE系統(tǒng)幀配比相同。由于兩個系統(tǒng)間均為GPS時鐘，且上下行時隙同步，兩個系統(tǒng)的下行信號均不會影響對方的上行信號，重點計算下行最小干擾余量即可。

保守起見，設(shè)=，且定義為來自機場線TD-LTE的同頻干擾，則須保證隔離度為：

若須保證 SNR>6，即 RSRP-RSRP-6.02>6，則RSRP>RSRP-12.02，即保證隔離度為12.02即可，干擾余量須大于12.02。

4.2 方案應(yīng)用

以西安地鐵機場線與西安地鐵4號線為例，兩條線路均采用TD-LTE技術(shù)，采用的頻段為1 785～1 805 MHz。在北客站區(qū)域，4號線與機場線同站臺換乘，產(chǎn)生室內(nèi)同頻干擾；機場線北客站-渭河南車站為地面區(qū)間，且緊鄰4號線草灘停車場，有室外同頻干擾。現(xiàn)場根據(jù)空間隔離方案，調(diào)試完成后進行測試驗證。使用測試軟件分別在4號線和機場線的同站臺軌行區(qū)域、4號線草灘停車場進行測試，步驟如下：

（1）地鐵4號線和機場線同時開啟基站設(shè)備

測試設(shè)備在4號線處正常接入4號線網(wǎng)絡(luò)、在機場線處正常接入機場線網(wǎng)絡(luò)，并且開啟測試軟件獲取信噪比數(shù)據(jù)，同時開啟IxChariot軟件記錄測試丟包率和時延。測試數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 地鐵4號線和機場線基站同時開啟時的測試數(shù)據(jù)

（2）開啟4號線并關(guān)閉機場線基站設(shè)備

測試設(shè)備在機場線處接入4號線網(wǎng)絡(luò)并且開啟測試軟件獲取場強數(shù)據(jù)，即為4號線對機場線的干擾信號值。測試數(shù)據(jù)見表2所列。

表2 開啟4號線并關(guān)閉機場線基站時的測試數(shù)據(jù)

（3）開啟機場線并關(guān)閉4號線基站設(shè)備

測試設(shè)備在4號線處接入機場線網(wǎng)絡(luò)并且開啟測試軟件獲取場強數(shù)據(jù)，即為機場線對4號線的干擾信號值。測試數(shù)據(jù)見表3所列。

表3 開啟機場線并關(guān)閉4號線基站時的測試數(shù)據(jù)

4.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)測試結(jié)果，依據(jù)《LTE-M系統(tǒng)需求規(guī)范》進行推算分析。4號線和機場線的最小場強值為-81 dBm，大于最小場強-95 dBm；4號線和機場線的最小信噪比值為17 dB，大于最小信噪比3 dB；4號線和機場線的最大時延值為42 ms，小于150 ms；4號線和機場城際的丟包率為0.01%，小于1%。

根據(jù)《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）》規(guī)范要求，1.8 GHz SNR干擾余量指標(biāo)要求全線在3 dB以上，結(jié)合工程經(jīng)驗可以要求SNR指標(biāo)大于6。由此，根據(jù)機場線與西安地鐵4號線的現(xiàn)場實際，為了避免產(chǎn)生同頻干擾，兩個網(wǎng)絡(luò)必須保證隔離度為12.02，即干擾余量須大于12.02 dB。計算公式為：干擾余量=有用信號強度-干擾信號強度+8 dB（障礙物阻擋的損耗）-8 dB（屏蔽門阻擋損耗）。

4號線干擾余量：有用信號強度是終端在4號線所在區(qū)域并且接入4號線網(wǎng)絡(luò)時的場強值（4號線和機場線同時開啟）；干擾信號強度是終端在4號線所在區(qū)域接入機場線網(wǎng)絡(luò)時的場強值（4號線關(guān)閉、機場線開啟）。對于4號線草灘停車場，4號線干擾余量為24 dB。

機場線干擾余量：有用信號強度是終端在機場城際所在區(qū)域并且接入機場線網(wǎng)絡(luò)時的場強值（4號線和機場線同時開啟）；干擾信號強度是終端在機場線所在區(qū)域接入4號線網(wǎng)絡(luò)時的場強值（機場線關(guān)閉，4號線開啟）。對于4號線草灘停車場：機場線干擾余量為20 dB。

干擾余量為24 dB和20 dB時都大于120.2 dB，均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

TD-LTE綜合承載所采用的TDD時分雙工技術(shù)，是嚴(yán)格時鐘同步的系統(tǒng)。為了滿足雙線的收發(fā)時隙統(tǒng)一、無線信號好控、無線變化情況趨同等有利于消除或降低干擾的要求，需要同站換乘區(qū)域的兩條線路鏡像設(shè)計和施工，確保沿著站臺同一個方向的無線變化趨勢是相同的，同強同弱，這樣就會實現(xiàn)干擾可控；數(shù)據(jù)配置時，兩條線隙配比一致，TDD同步，避免產(chǎn)生系統(tǒng)間干擾，滿足系統(tǒng)的信噪比要求；采用漏纜，覆蓋均勻，而且有較強的抗干擾能力。

經(jīng)過測試驗證和數(shù)據(jù)分析，對于室內(nèi)同站臺換乘的同頻干擾、室外的同頻干擾均可采用空間隔離方案解決，通過調(diào)整基站發(fā)功率，降低天線仰角和方向，確保兩條線之間互不干擾。