北京軌道交通換乘站LTE-M系統(tǒng)干擾分析

潘 皓，豐 磊

（1．北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068;2．城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100068;3．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 概述

截至2021年12月31日，北京地鐵運(yùn)營(yíng)線路共有27條，運(yùn)營(yíng)里程783 km，開通里程居中國(guó)第二位。按照北京軌道交通三期建設(shè)規(guī)劃，到2027年北京軌道交通網(wǎng)絡(luò)將包括35條線路，總長(zhǎng)超過(guò)1 000 km,將繼續(xù)加密地鐵線網(wǎng)并擴(kuò)大覆蓋面，重點(diǎn)支持副中心的建設(shè)，減少旅客出行時(shí)間，提高旅行速度，緩解擁堵區(qū)段，方便換乘，提高舒適度。

北京市以燕房線、新機(jī)場(chǎng)線作為試點(diǎn)工程采用基于LTE-M的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，運(yùn)營(yíng)效果穩(wěn)定。2018年5月，交通運(yùn)輸部發(fā)布2018年第8號(hào)《城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理規(guī)定》，對(duì)通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通、兼容共享、網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)提出新要求。同年9月，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)正式發(fā)布《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）規(guī)范》（中城軌[2018]22號(hào)）等19項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。目前北京市軌道交通新建線路統(tǒng)一采用LTE-M系統(tǒng)，綜合承載包括列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)、列車緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)、IMS視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、PIS視頻業(yè)務(wù)以及集群調(diào)度業(yè)務(wù)等車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)。

2022年北京軌道交通在建的3號(hào)線、12號(hào)線、17號(hào)線及已經(jīng)開通運(yùn)營(yíng)的19號(hào)線均采用LTE-M系統(tǒng)，4條線路包含近百座車站，其中換乘車站占半數(shù)以上，不可避免地存在車地通信頻率干擾現(xiàn)象，對(duì)行車安全存在安全隱患。在此背景下，對(duì)北京軌道交通新線工程LTE-M系統(tǒng)換乘車站進(jìn)行頻率干擾分析，避免不同線路、不同場(chǎng)景下的頻率干擾，保證車地綜合通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性。

2 頻率運(yùn)用

2.1 頻率資源

根據(jù)北京市無(wú)線電管理局《北京市軌道交通視頻傳輸無(wú)線專網(wǎng)使用頻率通知書》（京無(wú)管頻[2017]71號(hào)），準(zhǔn)許北京市軌道交通使用如下頻率：

地面區(qū)域：1 785～1 795 MHz（除首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)和大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)地區(qū)以外的軌道交通地面區(qū)域）。

地下區(qū)域：1 785～1 805 MHz（軌道交通地下區(qū)域）。

2.2 新線頻率運(yùn)用原則

根據(jù)北京軌道交通實(shí)際情況，與相關(guān)單位通過(guò)協(xié)商可共用其地面的1 795～1 800 MHz共5 MHz頻率，故地面可按照1 785～1 800 MHz共15 MHz進(jìn)行考慮。正常情況下A網(wǎng)使用10 MHz帶寬（1 785～1 795 MHz）同頻組網(wǎng)，B網(wǎng)共用5 MHz帶寬（1 795～1 800 MHz）同頻組網(wǎng)。

地下區(qū)域，正常情況下A網(wǎng)使用15 MHz帶寬（1 785～1 800 MHz）同頻組網(wǎng)，B網(wǎng)使用5 MHz帶寬（1 800～1 805 MHz）同頻組網(wǎng)。

3 換乘車站站型梳理

經(jīng)過(guò)對(duì)北京地鐵3、12、17、19號(hào)線共4條新線的換乘站換乘方式進(jìn)行梳理，初步歸納為5種典型類型以及其他特殊類型，包括共站廳、站臺(tái)雙島四線型、T型換乘型、十字型換乘型、L型換乘型和通道換乘型等。

3.1 共站廳、站臺(tái)雙島四線

1）共站廳不共站臺(tái)雙島四線

該種站型下，共用的站廳有同頻干擾，站廳與站臺(tái)相互之間以及樓梯處可能存在干擾，站臺(tái)之間存在鋼筋混凝土隔墻，有干擾的可能性較小。

2）共站廳、站臺(tái)雙島四線

該種站型下，兩邊站臺(tái)兩個(gè)核心網(wǎng)均會(huì)覆蓋，在站臺(tái)、站廳都會(huì)有同頻干擾，站廳與站臺(tái)之間樓梯處可能也會(huì)存在干擾。

3.2 T型換乘

1）共用T型站廳，站臺(tái)到站臺(tái)節(jié)點(diǎn)樓梯換乘

兩線站廳T型相接，站臺(tái)分布于上/下2層，站臺(tái)至站臺(tái)相互之間以及樓梯處可能存在干擾，站廳分界處可能會(huì)有同頻干擾。

2）共用T型站廳，只通過(guò)站廳換乘

兩站站廳T型相接，在站廳的分界處可能存在干擾，其他區(qū)域均無(wú)干擾。

3.3 十字型換乘

1）站臺(tái)到站臺(tái)節(jié)點(diǎn)樓梯換乘

兩線站臺(tái)一上一下十字交叉，站臺(tái)至站臺(tái)相互之間以及樓梯處可能存在干擾，站廳分界處也可能存在干擾。

2）共用十字型站廳，通過(guò)站廳換乘

在站廳的分界處可能存在干擾，站臺(tái)至站臺(tái)相互之間以及樓梯處可能存在干擾。

3.4 L型換乘

1）共用L型站廳，站臺(tái)到站臺(tái)節(jié)點(diǎn)樓梯換乘

兩線站廳L型相連，兩線站臺(tái)一上一下，站臺(tái)至站臺(tái)相互之間以及樓梯處可能存在干擾，站廳分界處可能有同頻干擾。

2）共用一部分站廳，僅通過(guò)站廳換乘

站廳部分區(qū)域可能會(huì)存在同頻干擾，換乘廳連接處可能存在同頻干擾。

3）不共用站廳，通過(guò)換乘廳換乘

不共用站廳、站臺(tái)，在站廳端頭加一個(gè)換乘廳，通過(guò)站臺(tái)到站臺(tái)換乘，連接換乘廳處可能存在干擾。

3.5 通道換乘

換乘通道連接處可能存在干擾，此類換乘站型較多。

4 干擾理論分析

通信系統(tǒng)間的干擾可以分為雜散干擾、阻塞干擾和互調(diào)干擾。

1）雜散干擾

由于發(fā)射機(jī)中的功放、混頻器和濾波器等器件的非線性，會(huì)在工作頻帶以外很寬的范圍內(nèi)產(chǎn)生輻射信號(hào)分量，若落在被干擾系統(tǒng)接收機(jī)的工作頻帶內(nèi)時(shí)，會(huì)抬高接收機(jī)的底噪，從而減低接收靈敏度。

2）阻塞干擾

當(dāng)輸入信號(hào)為小信號(hào)，輸出與輸入呈線性關(guān)系。當(dāng)有用信號(hào)和強(qiáng)干擾一起加入接收機(jī)，系統(tǒng)工作在飽和區(qū)，輸入與輸出不再是線性關(guān)系。

阻塞干擾是指當(dāng)強(qiáng)干擾信號(hào)與有用信號(hào)同時(shí)加入接收機(jī)時(shí)，強(qiáng)干擾會(huì)使接收機(jī)鏈路的非線性器件飽和，產(chǎn)生非線性失真。

3）互調(diào)干擾

當(dāng)接收機(jī)收到過(guò)強(qiáng)的異系統(tǒng)信號(hào)時(shí)，也會(huì)互調(diào)產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾信號(hào)。互調(diào)干擾會(huì)抬高接收機(jī)的底噪，從而減低接收靈敏度，因此可以將互調(diào)干擾也看作雜散影響。

重點(diǎn)分析典型換乘站場(chǎng)景下，兩條線路采用同頻率室內(nèi)天線、漏纜覆蓋情況時(shí)，綜合承載TAU和集群車載臺(tái)、手持便攜臺(tái)的干擾。

將典型換乘站場(chǎng)景歸納，同時(shí)考慮通道換乘等場(chǎng)景，主要計(jì)算以下7種干擾場(chǎng)景。

錯(cuò)層天線對(duì)錯(cuò)層（錯(cuò)層樓扶梯處）手持終端同頻干擾；

錯(cuò)層漏纜對(duì)錯(cuò)層（錯(cuò)層樓扶梯處）手持終端同頻干擾；

錯(cuò)層漏纜對(duì)錯(cuò)層（錯(cuò)層樓扶梯處）TAU（車載臺(tái)）同頻干擾；

同層漏纜通過(guò)隔墻對(duì)異線手持終端同頻干擾；

同層漏纜對(duì)異線手持終端同頻干擾；

同層天線通過(guò)隔墻對(duì)異線手持終端同頻干擾；

式中，P為終端水價(jià)， 元/m3；E1為國(guó)有水利工程農(nóng)業(yè)供水生產(chǎn)成本及費(fèi)用，元；E2為農(nóng)民用水者協(xié)會(huì)運(yùn)行管理費(fèi)用，元；W2為終端計(jì)量點(diǎn)水量，m3。

同層天線對(duì)異線手持終端同頻干擾。

5 干擾分析計(jì)算

1）終端目標(biāo)干擾信號(hào)接收強(qiáng)度計(jì)算底噪抬升ROT計(jì)算公式為：

其中N為干擾噪聲值。計(jì)算終端底噪抬升1 dB條件下，取目標(biāo)干擾值低于邊緣電平值5 dB；計(jì)算終端底噪抬升0.5 dB條件下，取目標(biāo)干擾值低于邊緣電平值9 dB。

各個(gè)終端對(duì)于邊緣電平取值有所不同，典型的邊緣電平規(guī)劃值如表1所示，以計(jì)算終端底噪抬升0.5 dB條件下目標(biāo)干擾值。

表1 目標(biāo)干擾值Tab.1 Target interference value table

2）LTE發(fā)射功率

5 MHz系統(tǒng)帶寬業(yè)務(wù)發(fā)射功率為P-10×lg（300）；

15 MHz系統(tǒng)帶寬業(yè)務(wù)發(fā)射功率為P-10×lg（900）；

取干擾較大的5 M系統(tǒng)帶寬來(lái)計(jì)算LTE發(fā)射功率。

3）漏泄同軸電纜耦合損耗

漏泄同軸電纜在2 m處的耦合損耗一般為65 dB，根據(jù)室內(nèi)的自由空間傳播計(jì)算公式如下。

f為工作頻率；D為手機(jī)到天線距離；P為墻壁損耗參考值，W為墻壁數(shù)目。其中f=1 800 MHz，d=2 m，計(jì)算在2 m位置自由空間傳播損耗為PL=43.55 dB。據(jù)此推算漏泄同軸電纜耦合信號(hào)的損耗約為65－43.55=21 dB。

5.1 錯(cuò)層天線對(duì)錯(cuò)層手持終端同頻干擾分析

1）站廳室分天線對(duì)站臺(tái)手持終端干擾，取目標(biāo)干擾值-114 dBm。此場(chǎng)景下室內(nèi)天線空間隔離距離24 m。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 站廳室分天線對(duì)站臺(tái)手持終端干擾計(jì)算Tab.2 Calculation of interference of station indoor distribution to platform handheld terminal

2）站廳天線對(duì)站臺(tái)TAU干擾，取目標(biāo)干擾值-104 dBm/-94 dBm。此場(chǎng)景下站廳室內(nèi)天線對(duì)站臺(tái)TAU同頻干擾較手持便攜臺(tái)輕。

5.2 錯(cuò)層漏纜對(duì)錯(cuò)層終端同頻干擾分析

1）錯(cuò)層漏纜對(duì)錯(cuò)層手持終端同頻干擾，取干擾目標(biāo)值為-114 dBm。此場(chǎng)景下站臺(tái)漏纜對(duì)站廳終端干擾隔離度要求較高，空間隔離距離55 m。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 錯(cuò)層漏纜對(duì)錯(cuò)層手持終端干擾計(jì)算Tab.3 Calculation of interference of split-level leaky cable to split-level handheld terminal

但根據(jù)漏纜不同橫向距離的空間耦合調(diào)整因子20 m以上按30lg（D）即39 dB，因此漏纜在橫向距離超過(guò)20 m基本上可認(rèn)為沒有干擾。

2）錯(cuò)層漏纜對(duì)錯(cuò)層TAU同頻干擾分析，取干擾目標(biāo)值-104 dBm/-94 dBm。經(jīng)過(guò)計(jì)算，此場(chǎng)景下站臺(tái)漏纜對(duì)錯(cuò)層TAU空間隔離距離17m，一般情況下不會(huì)引起干擾。

5.3 同層站臺(tái)漏纜同頻干擾分析

漏纜對(duì)手持終端的干擾計(jì)算，取干擾目標(biāo)值為-114 dBm。有隔墻情況下，站臺(tái)漏纜空間隔離距離17 m。計(jì)算結(jié)果如表4所示。無(wú)隔墻同站臺(tái)換乘情況下，站臺(tái)漏纜無(wú)法避免干擾。

表4 有隔墻時(shí)漏纜對(duì)手持終端干擾計(jì)算Tab.4 Calculation of interference of leaky cable to handheld terminal with partition wall

5.4 同層天線同頻干擾分析

此分析包括歸類中的最后兩項(xiàng)：同層天線通過(guò)隔墻對(duì)異線手持終端同頻干擾、同層天線對(duì)異線手持終端同頻干擾。

有隔墻情況下，室分對(duì)站臺(tái)手持終端干擾。此場(chǎng)景下室內(nèi)天線空間隔離距離14 m。計(jì)算結(jié)果如表5所示。無(wú)隔墻情況下，同層站廳天線、同層站臺(tái)天線無(wú)法避免干擾。

表5 有隔墻時(shí)同層天線同頻干擾計(jì)算Tab.5 Calculation of co-channel interference of antenna on the same floor with partition wall

6 新線換乘站抗擾措施

根據(jù)1.8 GHz自由空間傳播損耗曲線，在狹小的空間如站臺(tái)、換乘通道等只有最多十幾m的隔離空間，則需將干擾隔離度控制在60 dB以下；在稍寬闊的空間如站廳等，可有30 m的隔離空間，將干擾隔離度控制在67 dB以下。換乘站抗干擾防護(hù)措施如表6所示。

表6 換乘站抗干擾防護(hù)措施Tab.6 Anti interference protective measures for transfer station

7 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)LTE-M系統(tǒng)費(fèi)頻率資源和換乘站站型特點(diǎn)，分析北京軌道交通換乘車站LTE-M系統(tǒng)的干擾場(chǎng)景，提出不同站型、不同場(chǎng)景下的理論防護(hù)距離及抗干擾措施，為L(zhǎng)TE-M系統(tǒng)建設(shè)尤其是換乘站的系統(tǒng)間干擾防護(hù)提供一定的參考價(jià)值。