同頻鄰頻干擾下1.8 GHz頻段CBTC工作頻段和布站間隔優(yōu)化

許瑞琛，詹達(dá)誨，房驥，杜昊，李華圣

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心，北京100041）

同頻鄰頻干擾下1.8 GHz頻段CBTC工作頻段和布站間隔優(yōu)化

許瑞琛，詹達(dá)誨，房驥，杜昊，李華圣

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心，北京100041）

現(xiàn)行基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（CBTC）部署于2.4 GHz免執(zhí)照頻段，易受手持Wi-Fi熱點(diǎn)干擾，已造成深圳和北京多起地鐵緊急制動(dòng)事故。在 1 785～1 805 MHz頻段同頻鄰頻先用通信系統(tǒng)的干擾下，為CBTC系統(tǒng)選擇合適的部署頻段、工作帶寬和布站間隔，提高其系統(tǒng)吞吐量并降低緊急制動(dòng)概率十分必要。針對(duì)該問題，首先通過分析確定干擾研究場(chǎng)景，并基于確定性計(jì)算的方法得到干擾方和CBTC列車端之間的安全隔離，隨后通過系統(tǒng)級(jí)仿真比較不同條件下CBTC系統(tǒng)下行鏈路的吞吐量和CBTC系統(tǒng)緊急制動(dòng)概率，得到適合CBTC部署的工作頻段、帶寬和布站間隔。

CBTC；干擾；吞吐量；緊急制動(dòng)概率

1 引言

基于通信的列車運(yùn)行控制（communication based train control，CBTC）[1]系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)車地雙向通信，使列車突破固定閉塞運(yùn)行模式，轉(zhuǎn)為移動(dòng)閉塞模式，提高區(qū)間通過能力并增加車載娛樂信息服務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，國(guó)內(nèi)已部署的CBTC系統(tǒng)使用2.4 GHz免牌照頻段，易受手持Wi-Fi熱點(diǎn)干擾，已造成深圳和北京等地多起地鐵緊急制動(dòng)事故，造成一定的安全隱患。針對(duì)上述問題，國(guó)家無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)頒布了工業(yè)和信息化部[2015]65號(hào)文[2]，重新發(fā)布1 785 ～ 1 805 MHz頻段時(shí)分雙工方式無(wú)線接入系統(tǒng)使用頻率的有關(guān)事宜，允許交通（城市軌道交通等）、電力、石油等行業(yè)專用通信網(wǎng)和公眾通信網(wǎng)使用1 785～1 805 MHz頻段。工作于1 785～1 805 MHz頻段的CBTC系統(tǒng)可以免受手持 Wi-Fi熱點(diǎn)的干擾，提升城市軌道交通的安全性。

如何在1 785～1 805 MHz頻段內(nèi)及鄰頻已有3種先用通信系統(tǒng)[3-5]的干擾下，確定合適的帶寬、工作頻段和布站間隔，實(shí)現(xiàn)CBTC不同服務(wù)等級(jí)的通信數(shù)據(jù)速率并降低列車緊急制動(dòng)概率成為目前亟待解決的問題之一。參考文獻(xiàn)[6-8]分別研究了采用 LTE TDD制式CBTC系統(tǒng)的總體架構(gòu)、系統(tǒng)功能和接口規(guī)范等內(nèi)容。僅就本文所知，和1 785～1 805 MHz頻段無(wú)線接入系統(tǒng)的干擾共存直接相關(guān)的研究?jī)H有參考文獻(xiàn)[9]。參考文獻(xiàn)[9]使用確定性計(jì)算的方式研究了1 785～1 805 MHz頻段無(wú)線接入系統(tǒng)基站和鄰頻IMT系統(tǒng)基站之間的干擾共存問題，給出安全隔離度。但沒有研究干擾系統(tǒng)對(duì)無(wú)線接入系統(tǒng)下行鏈路的干擾情況，也未針對(duì)CBTC場(chǎng)景進(jìn)行研究。此外，確定性計(jì)算方法一般選取干擾最嚴(yán)重的鏈路，得到的干擾結(jié)果相對(duì)悲觀，不能模擬真實(shí)場(chǎng)景。

因此，在分析1 785～1 805 MHz頻段分配情況的基礎(chǔ)上，在不同部署頻段、部署帶寬和布站間隔的條件下，基于分析、確定性計(jì)算和系統(tǒng)級(jí)仿真相結(jié)合的方法，研究同頻鄰頻系統(tǒng)干擾情況下，CBTC下行鏈路的吞吐量和CBTC系統(tǒng)緊急制動(dòng)概率，得到適合CBTC系統(tǒng)部署的頻段、帶寬和布站間隔等結(jié)論。

2 1 785～1 805 MHz頻段頻譜劃分情況及干擾研究場(chǎng)景

本節(jié)首先分析1 785～1 805 MHz頻段同頻鄰頻頻譜劃分情況得到干擾源，隨后根據(jù)干擾源和受擾源的工作環(huán)境分析得到干擾研究場(chǎng)景。

2.1 1 785～1 805 MHz頻段鄰頻頻譜劃分情況

根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]和參考文獻(xiàn)[10]，國(guó)內(nèi)1.8 GHz頻段附近IMT頻譜規(guī)劃和分配情況如圖1所示。由圖1和參考文獻(xiàn)[10]可知，1 785～1 805 MHz鄰頻為1 765～1 785 MHz的LTE FDD上行鏈路和1 805～1 820 MHz的GSM下行鏈路。GSM和 LTE FDD網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，尤其在CBTC所在的城市區(qū)域部署密度較大。因此，需要研究GSM下行鏈路和LTE FDD上行鏈路對(duì)CBTC終端的干擾情況。

圖1 國(guó)內(nèi)1.8 GHz附近IMT頻譜規(guī)劃和分配情況（單位：MHz）

2.2 1 785～1 805 MHz頻段內(nèi)頻譜劃分情況

根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]，1 785～1 805 MHz頻段分配給城市軌道交通、電力、石油和通信等行業(yè)專網(wǎng)應(yīng)用。目前，已部署于此頻段的業(yè)務(wù)為McWiLL寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)。根據(jù)國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心在用臺(tái)站數(shù)據(jù)庫(kù)信息，工作于1 785～1 805 MHz頻段的McWiLL系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于城區(qū)無(wú)線接入、重載鐵路、油田、港口、機(jī)場(chǎng)等領(lǐng)域。所述已部署McWiLL系統(tǒng)已覆蓋1 785～1 805 MHz整個(gè)20 MHz頻段，單個(gè)基站帶寬范圍為1～5 MHz，發(fā)射功率范圍為1～3 W，部署于地面。由于城區(qū)無(wú)線接入系統(tǒng)、機(jī)場(chǎng)等區(qū)域均有可能和CBTC系統(tǒng)運(yùn)行區(qū)域重疊，因此需要研究McWiLL系統(tǒng)對(duì)CBTC列車端的干擾情況。

2.3 干擾研究場(chǎng)景分析

如圖2所示，受擾CBTC列車端的干擾源為L(zhǎng)TE FDD上行鏈路、GSM下行鏈路和McWiLL系統(tǒng)上下行鏈路。因此，需要考慮 GSM 基站、McWiLL基站、McWiLL終端和LTE FDD終端對(duì)CBTC列車端的干擾。

圖2 CBTC列車端干擾源分析

確定干擾源后，需確定干擾共存研究場(chǎng)景。LTE FDD終端和GSM基站可能位于地上或地下， McWiLL基站和McWiLL終端位于地面環(huán)境。在地面環(huán)境，城鐵終端要受到所有 4種干擾源的干擾。在地下環(huán)境，地鐵終端不會(huì)受到McWiLL基站和McWiLL終端的同頻干擾。城鐵終端的干擾共存環(huán)境更惡劣。因此，將CBTC下行鏈路干擾研究場(chǎng)景定為地面場(chǎng)景。后續(xù)數(shù)值計(jì)算和系統(tǒng)級(jí)仿真中使用的模型和參數(shù)均基于地面環(huán)境。

3 安全隔離和安全隔離距離確定性計(jì)算

本節(jié)首先介紹受擾方和干擾方的射頻參數(shù)，隨后通過計(jì)算干擾方的ACLR和受擾方的ACS得到不同情況下的 ACIR，最后根據(jù)傳播模型反推得到CBTC列車端和干擾方的安全隔離距離。

3.1 受擾方和干擾方的射頻參數(shù)

4種干擾方的系統(tǒng)參數(shù)[9,10]見表1。CBTC的系統(tǒng)[8]射頻參數(shù)見表2。

3.2 ACIR分析和計(jì)算

McWiLL系統(tǒng)干擾CBTC系統(tǒng)為同頻干擾。LTE FDD和GSM系統(tǒng)對(duì)CBTC系統(tǒng)的干擾為鄰頻干擾。這里考慮4種鄰頻干擾情況：CBTC系統(tǒng)為5 MHz帶寬，和鄰頻干擾系統(tǒng)有5 MHz頻譜隔離；CBTC系統(tǒng)為10 MHz帶寬，和鄰頻干擾系統(tǒng)有5 MHz頻譜隔離；CBTC系統(tǒng)為5 MHz帶寬，和干擾系統(tǒng)之間緊鄰頻；CBTC系統(tǒng)為10 MHz帶寬，和干擾系統(tǒng)之間緊鄰頻。其中，由于 GSMK調(diào)制特性的原因，GSM系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)的緊鄰頻只有200 kHz的隔離帶寬。本節(jié)首先介紹 ACIR計(jì)算模型，隨后通過計(jì)算ACLR和ACS最終確定不同干擾情況下的ACIR取值。

3.2.1 ACIR計(jì)算

ACIR可通過式（1）得到。其中，ACLR單位為dB；ACS為鄰道選擇性，單位為dB。

3.2.2 ACLR計(jì)算

根據(jù)不同的頻率間隔和參考文獻(xiàn)[11]中 LTE FDD的頻譜發(fā)射模板，通過分段積分的方法得到LTE FDD終端泄露到CBTC終端的泄露功率P（mW），然后由式（2）得到不同頻率間隔下的ACLR，具體見表3。其中PT為L(zhǎng)TE FDD的終端發(fā)射功率，單位為dBm。

表1 4種干擾方的系統(tǒng)射頻相關(guān)參數(shù)

表2 CBTC系統(tǒng)射頻相關(guān)參數(shù)

表3 不同情況下，LTE FDD終端干擾CBTC終端的ACLR

GSM基站干擾LTE TDD終端采用的ACLR模型如圖3所示。

圖3 GSM基站干擾LTE TDD終端的ACLR模型

根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]中GSM基站的頻譜發(fā)射模板和參考文獻(xiàn)[12]規(guī)定的測(cè)量帶寬，通過分段積分的方法得到GSM基站泄露到CBTC終端的泄露功率P（mW），代入式（2）得到不同情況下GSM基站干擾CBTC終端的ACLR，具體見表4。

表4 不同情況下，GSM基站干擾CBTC終端的ACLR

3.2.3 ACS計(jì)算

CBTC列車端屬于LTE TDD終端。根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]，CBTC列車端的ACS可由式（3）得到：

其中，PInterfer表示帶內(nèi)阻塞值，單位為dBm。N表示底噪，單位為dBm。M表示底噪抬升度，單位為dB。

由于3GPP研究報(bào)告中的ACS計(jì)算均針對(duì)同類型信號(hào)，參考文獻(xiàn)[11]并未給出LTE UE對(duì)抗GSM信號(hào)的ACS計(jì)算參數(shù)。為簡(jiǎn)便起見，這里設(shè)CBTC列車端對(duì)抗GSM和LTE的ACS取值相同。

根據(jù)3GPP TS36.101[11]可知， CBTC終端和LTE FDD終端頻率間隔在15 MHz以內(nèi)時(shí)均屬于帶內(nèi)阻塞。因此，CBTC系統(tǒng)和LTE FDD隔離5 MHz和10 MHz情況下，PInterfer相同，M值也相同。根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]可知，PInterfer=?44 dBm，M=6 dB。CBTC帶寬為5 MHz時(shí)，N=?98.01 dBm。CBTC帶寬為10 MHz時(shí)，N=?95 dBm。

將上述計(jì)算參數(shù)值帶入式（3）得到不同情況下，CBTC列車端的ACS，見表5。

表5 不同干擾情況下的ACS計(jì)算結(jié)果

3.2.4 ACIR計(jì)算

將計(jì)算得到的ACLR和ACS值帶入式（1）可得到不同情況下，所述4種干擾系統(tǒng)干擾CBTC列車端的ACIR值，見表6。

表6 不同干擾情況下的ACIR計(jì)算結(jié)果

3.3 安全隔離距離計(jì)算

安全隔離度由式（4）得到∶

其中，PT表示干擾系統(tǒng)最大發(fā)射功率，單位為 dBm；GT表示干擾系統(tǒng)的天線增益，單位為dB；GR表示受擾系統(tǒng)的天線增益，單位為dB；LT表示干擾系統(tǒng)的饋線損耗，單位為dB；LR表示受擾系統(tǒng)的饋線損耗，單位為dB；ACIR表示鄰道干擾功率比，單位為dB；I表示受擾系統(tǒng)能承受的最大干擾信號(hào)功率，單位為dBm，由受擾系統(tǒng)的保護(hù)準(zhǔn)則I/N=-6 dB得到。

基站到CBTC終端的傳播模型采用UMTS車載環(huán)境模型[13]，由式（5）表示。其中，d為距離，單位為km，f為載波頻率，單位為MHz，H為天線高度，單位為m，h為基準(zhǔn)屋頂高度，這里設(shè)為15 m，s為對(duì)數(shù)正態(tài)分布的均值，這里取值為5 dB。

終端到終端路徑損耗采用寬帶 PCS微蜂窩模型[14]，由式（6）表示。其中，n1和n2為路徑損耗指數(shù)，分別取值為2.3和3.1，λ為波長(zhǎng)，d為發(fā)射天線到接收天線的距離，單位為 m，df為第一菲涅爾區(qū)距離，單位為m，s為發(fā)射機(jī)1 m的路徑損耗，通過自由空間模型獲得，單位為dB，ht和hr分別表示發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線高度，單位為m。

將表 1、表 2和表 6的數(shù)據(jù)帶入式（5）和式（6）得到不同干擾情況下，CBTC列車端和干擾系統(tǒng)之間的安全隔離度和隔離距離，見表7。

4 仿真場(chǎng)景設(shè)置和系統(tǒng)參數(shù)說明

根據(jù)表 7可知，根據(jù)確定性計(jì)算方法得到GSM基站、LTE FDD終端、McWiLL基站和McWiLL終端與CBTC列車端的安全隔離距離較大，不可能在實(shí)際城鐵區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)。例如當(dāng)CBTC系統(tǒng)采用5 MHz帶寬且和GSM下行鏈路緊鄰頻時(shí)，安全隔離距離為1.34 km。GSM城區(qū)蜂窩覆蓋半徑為 250 m，不符合確定性計(jì)算的到的安全隔離距離要求。第3節(jié)采用的確定性計(jì)算方法選取干擾最嚴(yán)重的鏈路，取得的干擾結(jié)果和實(shí)際情況差距較大，有必要采用系統(tǒng)仿真的方法通過迭代仿真過程得到系統(tǒng)間干擾共存的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。本節(jié)給出仿真場(chǎng)景的設(shè)置和相關(guān)參數(shù)的說明。

表7 不同干擾情況下，CBTC列車端和干擾系統(tǒng)之間的安全隔離度和隔離距離

4.1 仿真分析對(duì)象、分析結(jié)論和分析方法

根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]和參考文獻(xiàn)[8]， CBTC系統(tǒng)使用LTE TDD制式，其最大發(fā)射功率、雜散等指標(biāo)均已確定。需要通過研究確定其布站間隔、分配帶寬和工作的具體頻段?；贚TE TDD制式的CBTC系統(tǒng)以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)速率為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其上行鏈路和下行鏈路需要支持的信息服務(wù)[7]及其優(yōu)先級(jí)和所需的數(shù)據(jù)速率見表8。此外，CBTC系統(tǒng)連續(xù)2 s不能實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的傳輸會(huì)引起緊急制動(dòng)。由于狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)的傳輸是實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)傳輸?shù)那疤釛l件，列車緊急制動(dòng)的充分條件為CBTC下行鏈路連續(xù) 2 s不能實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)和控制信號(hào)的傳輸。因此，仿真分析對(duì)象為CBTC下行鏈路服務(wù)等級(jí)和連續(xù) 2 s不能實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)傳輸?shù)母怕?，分析結(jié)論為CBTC系統(tǒng)分配的布站間隔、頻段和帶寬。

表8 CBTC上行和下行鏈路信息服務(wù)及其優(yōu)先級(jí)和最小數(shù)據(jù)速率

由于1.8 GHz頻段的CBTC系統(tǒng)基于TDD模式，CBTC基站通過分配時(shí)隙實(shí)現(xiàn)上下行鏈路使用同一頻段。這里通過式（7）計(jì)算CBTC下行業(yè)務(wù)時(shí)隙占比值k。將表 8中數(shù)據(jù)帶入式（7）得到k=0.526：

其中，kc表示調(diào)度分配信令所占資源的比例，TD和 TU分別表示下行鏈路和上行鏈路提供全套信息服務(wù)所需的數(shù)據(jù)速率。這里設(shè)kc=0.15。見表9，將CBTC下行鏈路無(wú)法提供任何一種信息服務(wù)定義為服務(wù)等級(jí)0，僅可提供狀態(tài)監(jiān)測(cè)服務(wù)定義為服務(wù)等級(jí)1，可提供狀態(tài)監(jiān)測(cè)服務(wù)和列車控制服務(wù)定義為服務(wù)等級(jí)2，可提供包括PIS視頻傳輸在內(nèi)所有下行信息服務(wù)定義為服務(wù)等級(jí) 3。通過 CBTC下行鏈路的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)速率和表9中的判定方法得到CBTC下行鏈路可以實(shí)現(xiàn)的服務(wù)等級(jí)。

仿真評(píng)估條件和分析目標(biāo)見表10。由表7可知，CBTC終端和GSM基站之間的安全隔離較大，這里將 CBTC系統(tǒng)的部署頻段設(shè)置在靠近 LTEFDD上行鏈路一側(cè)。干擾系統(tǒng)和受擾系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)在第3.1節(jié)中給出。

表9 CBTC下行鏈路服務(wù)等級(jí)判定方法

表10 CBTC下行鏈路干擾仿真條件和目標(biāo)

4.2 仿真設(shè)置

本節(jié)介紹部分仿真設(shè)置和相關(guān)參數(shù)。

（1）射頻相關(guān)參數(shù)

4種干擾方和CBTC列車端受擾方的射頻參數(shù)見表1和表2。McWiLL系統(tǒng)工作頻段保持和CBTC系統(tǒng)工作頻段相同。

（2）天線增益、陰影衰落、多徑損耗和路徑損耗

CBTC基站、McWill基站和GSM基站的天線增益計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[13]，CBTC列車端、McWiLL終端和LTE FDD終端的天線增益設(shè)置見表1和表2。各干擾方到CBTC列車端的陰影衰落和多徑損耗計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[13]。

路徑損耗模型設(shè)置見表11。

表11 仿真路徑損耗設(shè)置

（3）功率控制設(shè)置

McWiLL下行鏈路和CBTC下行鏈路沒有功率控制功能。McWiLL上行功率控制設(shè)置見參考文獻(xiàn)[13]，GSM下行和LTE FDD上行功率控制見參考文獻(xiàn)[10]。

（4）AMC設(shè)置

CBTC下行自適應(yīng)調(diào)制編碼設(shè)置采用香農(nóng)公式修正截短形式將 SINR映射為吞吐量。所述吞吐量可由式（8）得到。

其中，T表示吞吐量，單位為bit/(s·Hz)；η表示SINR，單位為dB；ηmax和ηmin分別表示SINR上下限；Tmax表示吞吐量上限；α為衰減因子。不同的參數(shù)設(shè)置反映不同 SINR下的調(diào)制解調(diào)方式和鏈路條件。AMC參數(shù)設(shè)置[10]見表12。

（5）仿真拓?fù)浜蚖rap-Around設(shè)置

干擾仿真場(chǎng)景由干擾方和受擾方組成。其中GSM基站和McWiLL基站均為蜂窩結(jié)構(gòu)，CBTC系統(tǒng)是基于蜂窩結(jié)構(gòu)的線性矩形拓?fù)鋄7]。McWiLL終端和LTE FDD終端隨機(jī)散布于整個(gè)拓?fù)渲小Ｏ旅媸紫冉榻BCBTC系統(tǒng)拓?fù)?，再介紹仿真場(chǎng)景的設(shè)置。

表12 AMC參數(shù)設(shè)置

CBTC系統(tǒng)拓?fù)浜土熊嚱K端的Wrap-Around設(shè)置如圖4所示。CBTC系統(tǒng)拓?fù)浒凑諏?shí)際直線軌道進(jìn)行設(shè)置。可通過設(shè)置3個(gè)小區(qū)和Wrap-Around技術(shù)模擬一條無(wú)限長(zhǎng)直線軌道上CBTC系統(tǒng)的運(yùn)行情況。由圖4可知，CBTC系統(tǒng)由3個(gè)小區(qū)縱向連接組成。小區(qū)拓?fù)錇榻厝≌呅蝺蓚?cè)得到矩形，單扇區(qū)角度120°。小區(qū)ID和扇區(qū)ID如圖4所示。列車隨機(jī)分布在兩條平行的鐵軌上。所述兩條鐵軌上的列車行駛方向相反，速度相同。

圖4 CBTC系統(tǒng)仿真拓?fù)浜蚖rap-Around設(shè)置

圖4也反映了仿真所采用的Wrap-Around技術(shù)。三角形△代表由南向北行駛的列車，圓形○代表由北向南行駛的列車。在x快拍間隔內(nèi)，北向行駛列車處于第2小區(qū)。在x+1快拍間隔內(nèi)，當(dāng)更新列車坐標(biāo)時(shí)，判斷北向行駛列車已駛出拓?fù)鋮^(qū)。此時(shí)，通過將北向行駛列車變換至第0小區(qū)相同位置完成Wrap-Around。同理，南向行駛列車在駛出拓?fù)鋾r(shí)，將其坐標(biāo)變至第2小區(qū)的相同位置。

由表1可知，城區(qū)內(nèi)，GSM和McWiLL基站的蜂窩半徑均為 250 m。為簡(jiǎn)便起見，這里設(shè)GSM基站和McWiLL基站共址。當(dāng)CBTC基站覆蓋范圍為500 m時(shí)，GSM基站、McWiLL基站、LTE FDD終端和McWiLL終端干擾CBTC列車端的仿真場(chǎng)景拓?fù)淙鐖D 5所示。GSM基站和McWiLL基站均有3層共37個(gè)，每個(gè)小區(qū)分為3個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)覆蓋120°。圖5中，黑點(diǎn)代表LTE FDD終端或McWiLL終端隨機(jī)分布在拓?fù)渲?，黑色五邊形表示CBTC列車端，沿著鐵軌南向或北向行駛。LTE FDD終端和 McWiLL終端的Wrap-Around方法見參考文獻(xiàn)[13]。

圖5 干擾仿真場(chǎng)景拓?fù)?/p>

當(dāng)CBTC基站覆蓋范圍小于500 m時(shí)，遞減CBTC小區(qū)半徑即可得到相應(yīng)的仿真拓?fù)洹?/p>

4.3 其他仿真參數(shù)設(shè)置

除第4.1節(jié)和第4.2節(jié)介紹的仿真設(shè)置和參數(shù)取值外，仿真中其他主要參數(shù)設(shè)置見表13。

5 仿真結(jié)果分析

根據(jù)第4節(jié)中仿真的目標(biāo)、分析方法和相關(guān)設(shè)置，使用Microsoft Studio 2013工具和C++編程構(gòu)建仿真系統(tǒng)，獲得仿真數(shù)據(jù)后通過MATLAB軟件進(jìn)行分析。仿真分析內(nèi)容主要包括如下4點(diǎn)：無(wú)干擾情況下，第3服務(wù)等級(jí)所需的最大布站間隔、部署帶寬及這種情況下CBTC系統(tǒng)的緊急制動(dòng)概率；僅有鄰頻干擾情況下，第3服務(wù)等級(jí)所需的最大布站間隔、部署帶寬和部署頻段及這種情況下CBTC系統(tǒng)的緊急制動(dòng)概率；同頻鄰頻系統(tǒng)干擾下，第3服務(wù)等級(jí)所需的最大布站間隔、部署帶寬和部署頻段及這種情況下CBTC系統(tǒng)的緊急制動(dòng)概率；在分析過程中，頻率隔離指CBTC系統(tǒng)和LTE FDD上行鏈路之間的頻率隔離。由于PIS視頻可以通過緩存等手段實(shí)現(xiàn)連續(xù)播放，這里假設(shè)即使部分樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)速率小于2 513 kHz，只要其統(tǒng)計(jì)平均數(shù)據(jù)速率大于2 513 kHz，即判斷其可滿足第3服務(wù)等級(jí)。

無(wú)干擾時(shí)，在不同的小區(qū)半徑和部署帶寬情況下，CBTC下行鏈路的數(shù)據(jù)速率如圖6所示。由圖6可知，列車下行鏈路數(shù)據(jù)速率隨小區(qū)半徑的增加而遞減；當(dāng)系統(tǒng)帶寬為10 MHz時(shí)，500 m的小區(qū)半徑仍可滿足CBTC下行鏈路第3服務(wù)等級(jí)的需求；當(dāng)系統(tǒng)帶寬為5 MHz時(shí)，300 m的小區(qū)半徑可滿足CBTC下行鏈路第3服務(wù)等級(jí)的需求。原因分析：小區(qū)半徑增加，一方面是因?yàn)椴糠至熊嚭突局g的總體損耗增加導(dǎo)致接收端SINR很小，另一方面會(huì)引起更多的列車終端分享頻譜資源。因此，小區(qū)半徑增加造成數(shù)據(jù)速率遞減；因?yàn)?0 MHz帶寬可以提供更多的頻譜資源，所以在滿足第3服務(wù)等級(jí)的前提下，10 MHz帶寬的CBTC系統(tǒng)的布站間隔更大，為500×1.732=866 m。

圖6 無(wú)干擾情況下，CBTC下行鏈路數(shù)據(jù)速率樣本均值

如圖7所示，無(wú)干擾、小區(qū)半徑為500 m且?guī)挒?0 MHz時(shí)，CBTC下行鏈路數(shù)據(jù)速率集中于3 000 kbit/s附近，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)緊急制動(dòng)情況，有少量樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)速率能符合第3服務(wù)等級(jí)的要求。根據(jù)10組，每組3 000個(gè)樣本點(diǎn)的仿真數(shù)據(jù)，所述情況下，緊急制動(dòng)概率為0，且不能滿足第3服務(wù)等級(jí)的概率為19%。因此，無(wú)干擾、帶寬為10 MHz時(shí)，最經(jīng)濟(jì)的小區(qū)半徑為500 m，布站間隔為500×1.732=866 m。

圖7 無(wú)干擾、10 MHz帶寬且CBTC小區(qū)半徑為500 m時(shí)，CBTC系統(tǒng)下行鏈路數(shù)據(jù)速率示例

僅鄰頻干擾時(shí)，在不同的小區(qū)半徑和工作頻段下，CBTC下行鏈路的數(shù)據(jù)速率如圖8所示。通過比較圖6和圖8可知，鄰頻干擾對(duì)CBTC下行鏈路有一定的影響，造成一定程度上的數(shù)據(jù)速率降低。例如，在無(wú)干擾和5 MHz帶寬情況下，300 m的小區(qū)半徑可使CBTC系統(tǒng)滿足第3等級(jí)的服務(wù)，而在鄰頻干擾和5 MHz帶寬情況下，300 m的小區(qū)半徑并不能滿足CBTC系統(tǒng)第3服務(wù)等級(jí)的需求。此外，同等條件時(shí)，5 MHz頻率隔離下的CBTC系統(tǒng)下行數(shù)據(jù)速率比緊鄰頻情況下CBTC系統(tǒng)下行數(shù)據(jù)速率高210 kbit/s。原因分析：GSM基站功率較大且其小區(qū)半徑為250 m，LTE FDD終端散布在整個(gè)拓?fù)淝椅恢每赡茈x列車端很近。因此，鄰頻干擾會(huì)對(duì) CBTC下行鏈路性能造成一定影響；0 MHz頻率隔離情況下的LTE FDD終端ACIR要小于5 MHz頻率隔離情況下LTE FDD終端的ACIR。更小的ACIR會(huì)造成泄露在CBTC工作頻帶內(nèi)的干擾功率增加。在鄰頻干擾和10 MHz帶寬的情況下，866 m的布站間隔可滿足CBTC系統(tǒng)第3服務(wù)等級(jí)的需求。

如圖9所示，鄰頻干擾、10 MHz帶寬、無(wú)頻率隔離且CBTC小區(qū)半徑為500 m時(shí)，CBTC下行鏈路速率集中在2 900 kHz附近，會(huì)產(chǎn)生很少量連續(xù)2 s無(wú)法提供第2服務(wù)等級(jí)造成緊急制動(dòng)的樣本，有部分樣本點(diǎn)的數(shù)據(jù)速率不能符合第3服務(wù)等級(jí)的要求。根據(jù)10組，每組3 000個(gè)樣本點(diǎn)的仿真數(shù)據(jù)，所述情況下，緊急制動(dòng)概率為0.000 6，且不能滿足第3服務(wù)等級(jí)的概率為32.1%。因此，所述情況下，最經(jīng)濟(jì)的布站間隔為866 m。

圖8 鄰頻干擾情況下，CBTC下行鏈路數(shù)據(jù)速率樣本均值

圖9 鄰頻干擾、無(wú)頻率隔離、10 MHz帶寬且CBTC小區(qū)半徑為500 m時(shí)，CBTC下行鏈路數(shù)據(jù)速率示例

受到同頻和鄰頻干擾時(shí)，在不同的小區(qū)半徑和工作頻段下，CBTC下行鏈路的數(shù)據(jù)速率如圖 10所示。對(duì)比圖 6、圖 8和圖 10可知，McWiLL系統(tǒng)對(duì)CBTC下行鏈路的同頻干擾遠(yuǎn)大于鄰頻系統(tǒng)對(duì)CBTC下行鏈路的干擾，造成CBTC下行鏈路數(shù)據(jù)速率顯著下降。例如，10 MHz帶寬和5 MHz頻率隔離情況下，250 m的小區(qū)半徑可滿足CBTC下行鏈路第3服務(wù)等級(jí)的需求。此時(shí)，布站間隔為433 m。原因分析：McWiLL基站雖然發(fā)射功率小于GSM基站，但McWiLL系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)同頻，沒有ACIR的影響，會(huì)造成更大的干擾；McWiLL終端散布于整個(gè)拓?fù)?，和CBTC終端的距離可能很小，會(huì)對(duì)CBTC下行鏈路造成較大的干擾。

圖10 同頻鄰頻干擾下，CBTC下行鏈路數(shù)據(jù)速率樣本均值

當(dāng)CBTC下行鏈路工作于1 785～1 795 MHz且小區(qū)半徑為 250 m時(shí)，同頻鄰頻系統(tǒng)干擾下的列車數(shù)據(jù)速率及其可達(dá)到的服務(wù)等級(jí)示例如圖11所示。由圖11可知，在同頻鄰頻系統(tǒng)干擾情況下，CBTC下行鏈路數(shù)據(jù)速率變化較大，均值在3 100 kbit/s左右。雖然CBTC下行鏈路很少有連續(xù)2 s無(wú)法提供第2服務(wù)等級(jí)造成緊急制動(dòng)的樣本，但有相當(dāng)數(shù)量的樣本無(wú)法提供第3服務(wù)等級(jí)。通過10組，每組3 000個(gè)樣本點(diǎn)的仿真數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論：10 MHz帶寬、0 MHz頻率間隔和250 m小區(qū)半徑的情況下，CBTC系統(tǒng)列車端造成緊急制動(dòng)的概率為 0.004 3，CBTC系統(tǒng)列車端1 s內(nèi)無(wú)法提供第3服務(wù)等級(jí)的概率為25.9%。

通過上述分析可知，將 CBTC系統(tǒng)部署在1.8 GHz頻段是目前頻譜資源緊張情況下的一種較好的選擇[15]。當(dāng) CBTC系統(tǒng)運(yùn)行區(qū)域未部署McWiLL系統(tǒng)時(shí)，鄰頻 GSM下行鏈路和 LTE FDD上行鏈路對(duì)CBTC下行鏈路的干擾較小，可實(shí)現(xiàn)500 m最大的CBTC布站間隔，能減小CBTC系統(tǒng)部署的費(fèi)用。如果 CBTC系統(tǒng)運(yùn)行區(qū)域部署McWiLL系統(tǒng)，CBTC列車端將受到比較嚴(yán)重的同頻干擾，不僅會(huì)造成CBTC系統(tǒng)部署費(fèi)用增高，還會(huì)造成約 0.43%概率的緊急制動(dòng)事故。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]，允許CBTC系統(tǒng)使用1 785～1 805 MHz共20 MHz的帶寬。可以將布站間隔為433 m的CBTC系統(tǒng)部署于1 785 ～1 795 MHz，并在1 795～1 805 MHz部署一套備份網(wǎng)絡(luò)。這樣可以使緊急制動(dòng)概率小于0.018‰，提高CBTC列車運(yùn)行的安全度，但并不能完全避免緊急制動(dòng)事故。

圖11 同頻鄰頻干擾、無(wú)頻率隔離、10 MHz帶寬且CBTC小區(qū)半徑為250 m時(shí)，CBTC下行鏈路數(shù)據(jù)速率示例

7 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)同鄰頻系統(tǒng)干擾下，1 785～1 805 MHz頻段CBTC系統(tǒng)的工作頻段分配和布站間隔優(yōu)化問題，首先分析國(guó)內(nèi)所述頻段同頻鄰頻通信系統(tǒng)的部署情況并確定干擾共存研究的場(chǎng)景，接著使用確定性計(jì)算的方法和 ACIR建模得到干擾系統(tǒng)和CBTC列車端的安全隔離距離。在上述研究的基礎(chǔ)上，通過CBTC系統(tǒng)同頻鄰頻干擾系統(tǒng)級(jí)仿真，分析不同布站間隔、不同帶寬和不同頻率間隔情況下，CBTC下行鏈路的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)速率和對(duì)應(yīng)的服務(wù)等級(jí)。最后給出布站和頻率分配建議：在同頻鄰頻干擾情況下，CBTC布站間隔為250 m，將CBTC系統(tǒng)部署于1 785～1 795 MHz且在1 795～1 805 MHz建立備份網(wǎng)絡(luò)的建議，可實(shí)現(xiàn)第3服務(wù)等級(jí)和列車緊急制動(dòng)概率小于0.018‰。

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許瑞琛（1984?），男，博士，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心工程師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信、頻譜分配和干擾共存理論。

詹達(dá)誨（1982?），男，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心工程師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線電發(fā)射設(shè)備檢測(cè)理論、5G通信新技術(shù)。

房驥（1984?），男，博士，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心工程師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信、軟件無(wú)線電。

杜昊（1985?），男，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心工程師，主要研究方向?yàn)?OTA測(cè)試?yán)碚?、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

李華圣（1987?），男，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心工程師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線供電理論、LTE-V2X。

Work frequency band and BS spacing optimization of CBTC in 1.8 GHz under identical and adjacent interferences

XU Ruichen, ZHAN Dahui, FANG Ji, DU Hao, LI Huasheng
The State Radio Monitoring Center Testing Center, Beijing 100041, China

Communication based train control system (CBTC) is assigned in 2.4 GHz unlicensed band, and is easily interfered by Wi-Fi, which caused several emergency brake accidents in Shenzhen and Beijing. Under identical and adjacent interferences from existing systems, choose appropriate frequency band, working bandwidth and station spacing to improve throughput and emergency brake probability for CBTC system is necessary. Firstly, interference research scenarios were analyzed. Then, safety isolation between CBTC train and interferes through deterministic calculation was calculated. Afterwards, appropriate working bandwidth, frequency band and BS spacing was obtained by comparing system level simulation results, including throughput and emergency brake probability, in different conditions.

CBTC, interference, throughput, emergency brake probability

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017065

2016?12?28；

2017?02?08

國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（No.2013ZX03001015-003）

Foundation Item: The National Science and Technology Major Project of China (No.2013ZX03001015-003)