地鐵無線通信多系統(tǒng)接入的抗干擾技術及覆蓋效果測試

顧熙妍

(中鐵十一局集團電務工程有限公司，湖北 武漢 430074)

受到空間限制，地鐵電纜與通信電纜密集排布，相互之間不可避免會發(fā)生干擾。無線電干擾會導致通信系統(tǒng)中出現(xiàn)大量雜散、諧波等信號，導致信號強度不穩(wěn)定，嚴重影響正常通信?；赑OI 平臺的無線通信多系統(tǒng)接入抗干擾技術，被廣泛應用于地鐵、機場、展覽館等場所。相比于以往地鐵站采用多個獨立并行接入覆蓋系統(tǒng)，選擇無線通信多系統(tǒng)接入技術進行信號覆蓋，一方面是能夠減少設備數(shù)量，節(jié)約安裝空間，尤其適合地鐵這種空間局促的場所。另一方面則是解決了無線接入網(wǎng)間的相互干擾問題，對提升信號強度也有明顯的效果。

1 地鐵無線通信多系統(tǒng)接入時的抗干擾技術

1.1 科學布置濾波器

濾波器是POI 系統(tǒng)中的核心設備之一，具有帶外抑制特性，抑制能力通常在70dB 以上。所謂帶外抑制，是指濾波器對于偏離“中心頻率±通帶寬度”以外的信號，相對于中心頻率處的信號的抑制能力。以中國移動900MHZ GSM系統(tǒng)和中國聯(lián)通800MHZ CDMA 系統(tǒng)為例，分析干擾形式及抗干擾技術。GSM系統(tǒng)在運行時所受的干擾主要有3 種形式，分別為雜散干擾、阻塞干擾、互調(diào)干擾。其中，雜散干擾主要來自于CDMA 基站在885MHZ 附近的帶外發(fā)射，它會導致GSM系統(tǒng)的信噪比大幅度降低，通信嚴重受限；阻塞干擾取決于GSM接收機的帶外抑制能力，同時也與CDMA 的載波發(fā)射功率等有關；互調(diào)干擾與CDMA 多載頻、非線性的運行模式有關，取決于CDMA 系統(tǒng)的帶外抑制能力。

在CDMA 基站發(fā)射端和GSM基站接收端分別安裝帶通濾波器，是抑制干擾的一種有效方法。假設地鐵無線通信系統(tǒng)中有A、B 兩條并行的通信網(wǎng)絡，在A 網(wǎng)的接收通道中安裝接收濾波器，可以在接受帶外發(fā)射信號時進行同步抑制，從而降低B 網(wǎng)對A 網(wǎng)的阻塞干擾。同樣的，在B 網(wǎng)的接收通道中安裝接收濾波器，也能夠達到減輕A 網(wǎng)對B 網(wǎng)阻塞干擾的效果。濾波器安裝位置如圖1 所示。

圖1 基站增加機頂濾波器示意圖

1.2 加強系統(tǒng)隔離度

考慮到地鐵通信系統(tǒng)具有頻帶寬、子系統(tǒng)多的特點，為了減輕系統(tǒng)間的相互干擾，需要將通信系統(tǒng)的上、下行分開傳輸，保證傳輸電纜之間有一定的間隔距離。在實際布置時，如何科學確定系統(tǒng)隔離度是一項重要工作。一味增加間隔距離，雖然保證了相互之間不受干擾，但是會占用更多的空間。而地鐵內(nèi)部空間狹小，必然會增加操作難度和安裝成本。相反，如果間隔距離不夠，無法解決干擾問題，又會影響通信質(zhì)量。目前國內(nèi)許多城市對地鐵無線公網(wǎng)各系統(tǒng)之間的隔離度做出了明確要求，S 市的隔離度要求如表1 所示。

表1 S 市地鐵無線公網(wǎng)各系統(tǒng)間的隔離度要求

以CDMA 下行帶外雜散輻射干擾GSM M900 上行為例，要想避免此類干擾，需要的最小帶外雜散輻射空間隔離度計算公式為：

上式中，LISO1為POI 輸入功率；LCRTX-Amp為CMDA 的帶外抑制；LTX-rig為890MHz 情況下CDMA 機頂濾波器的帶外抑制；IAff為有害干擾信號強度要求比背景雜聲低10dB；LPOI為POI 的插入損耗；LHbrid為橋路損耗，Lcable為100M 路線損耗。結合S 市地鐵實際情況，將各項參數(shù)的實際值帶入上式計算，得出LISO1的值為18.2dB，即要想使CDMA 下行帶外雜散輻射不干擾GSM900 的上行，要求空間隔離度不得低于18.2dB。

1.3 合理設置天饋系統(tǒng)

1.3.1 泄漏電纜間距的設置

現(xiàn)階段城市地鐵建設中，為了提升通信效率、降低通信阻塞，通常會把公眾無線通信系統(tǒng)的上、下行兩個鏈路分開。在此基礎上，使用泄漏同軸電纜對鏈路進行覆蓋，其結構如圖2 所示。

圖2 區(qū)間泄漏電纜覆蓋示意圖

參考電波的波長(λ)計算公式：

易得特定頻率下各無線信號的波長。以頻率為900MHz的電波為例，其波長λ=0.33m。在此基礎上，參考隔離度損耗(L)公式：

上式中D 為兩條泄漏電纜之間的間隔距離，單位為m?？梢杂嬎愠霾煌g距下900MHz 泄漏電纜的隔離損耗。當D=0.1m 時，L 為54.5dB；當D=0.5m 時，L 為68.4dB；當D=1.0m 時，L 為74.4dB。另外，實驗表明在兩條泄漏電纜間距=30cm 時，在800-1000MHz 頻段內(nèi)，損耗為75dB；在1600-2500MHz 頻段內(nèi)，損耗為66dB。綜上，在地鐵天饋系統(tǒng)設置中，將上、下行兩條泄漏電纜的間隔距離設定在0.2-0.4m 之間是比較合適的。

1.3.2 分布式天線的設置

在分布式天線中，接收線和發(fā)射線均有10dB 的耦合損耗。因而分布式天線的隔離度能夠從最初的38.2dB 降低到18.2dB。假設有2 個全向天線并排布置，則隔離度計算公式為：

上式中，D 為兩條天線之間的水平距離，單位為m。當分布式天線隔離度(LISO)為18.2dB 時，計算出D 為0.2m。故分布式天線中的接收線與發(fā)射線之間，水平距離不應低于0.2m。實際上，目前國內(nèi)許多城市的地鐵線路中，收發(fā)天線距離均在1m 以上，例如上海地鐵9 號線為1.2m，南京地鐵3號線為1.5m。

1.4 優(yōu)化輻射功率分配

考慮到不同系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸期間的衰減、損耗情況存在明顯差異，因此地鐵通信多系統(tǒng)接入時要想保證覆蓋區(qū)域內(nèi)各處的信號強度均能達到預期，必須要對各系統(tǒng)的輻射功率進行科學分配。現(xiàn)階段常用的技術手段是監(jiān)測、計算出各個頻段信號在泄露電纜中傳輸時，在信號強度滿足要求的前提下所能達到的最遠距離。如果覆蓋區(qū)域內(nèi)某處場強較弱，可以在該位置安裝放大器，從而讓各頻段信號趨于一致，達到均勻覆蓋的效果。假設某條泄漏電纜支持的最大傳輸距離為Dmax，則各頻段的最大傳輸距離應滿足以下條件：

PA-αDmax-LC-Lm-Ln≥Prmin

上式中，PA為泄漏電纜的輸入功率，單位為dBm；α 為泄漏電纜傳輸損耗系數(shù)，單位為dB/100m；LC為泄漏電纜的耦合損耗，單位為dB；Lm為地鐵車廂穿透損耗，單位為dB；Ln為瑞利損耗，單位為dB；Prmin為最小接收電平，單位為dBm。以S 市地鐵數(shù)字電視無線公網(wǎng)泄漏電纜信號為例，其頻率為600MHz，輸入功率38.86dBm，傳輸系數(shù)損耗為2.0dB/100m，耦合損耗為65dB，最小接收電平為-82dBm，則根據(jù)上式計算出泄露電纜的最大傳輸距離為2143m。

1.5 降低電磁干擾影響

電機是引起電磁干擾的主要因素，由于電機運行時頻率較低，因此對于無線通信系統(tǒng)主要產(chǎn)生低頻干擾。降低和屏蔽低頻干擾的手段有多種，例如選擇電源濾波器技術，或者在電源模塊設計時采用薄膜合金技術，都能夠?qū)崿F(xiàn)強化屏蔽的效果。另外，由于POI 系統(tǒng)中已經(jīng)安裝了高性能濾波器，也能夠在一定程度上發(fā)揮抑制低頻干擾的效果。當然，在實際情況下還要考慮潛在干擾的影響，因此通常會預留出3-5dB的信號功率余量。

2 地鐵無線信號覆蓋效果測試

無線通信子系統(tǒng)的指標要求如下：a.GSM系統(tǒng)。隧道、站臺、站廳超過95%的區(qū)域場強≥-85dBm；超過95%的區(qū)域在99%的時間內(nèi)移動臺可接入網(wǎng)絡；誤碼率為3 以下的區(qū)域占整個覆蓋區(qū)域的95%以上。b.CDMA 系統(tǒng)。隧道、站臺、站廳超過95%的區(qū)域場強≥-85dBm；超過95%的區(qū)域在99%的時間內(nèi)移動臺可接入網(wǎng)絡；一次解碼時誤幀率≤1%。

基于上述要求對地鐵2 號線覆蓋效果進行測試，測試所用手機為愛立信TEMS(GSM專用測試手機)，所用軟件為ANTWalkman for GSM測試系統(tǒng)，測試內(nèi)容為通話測試和掃頻測試。選擇1800MHz 網(wǎng)絡信號進行測試，結果如圖3 所示。

圖3 某市地鐵2 號線區(qū)間無線信號測試效果

結合圖3 可知，該測試區(qū)間內(nèi)信號場強在-50-RxLev(滿強度)之間波動，其中超過-85dBm 的占比達到了100%，滿足設計要求中95%的要求。誤碼率為3 以下的區(qū)域為100%，也滿足設計要求中95%的要求。綜上，將無線通信多系統(tǒng)接入地鐵后，隧道、站臺、站廳內(nèi)1800MHz 信號覆蓋場強滿足設計要求，保證了地鐵運行時的無線通信需要。

3 結論

無線通信多系統(tǒng)接入平臺可以采用泄漏電纜覆蓋與全向天線覆蓋的方式，實現(xiàn)對地鐵隧道、站臺、站廳等各處信號的均勻、全面覆蓋，是現(xiàn)階段地鐵通信設計中常用的一種技術。但是無線通信多系統(tǒng)接入時，面臨著熱噪聲干擾、同頻干擾、雜散干擾、阻塞干擾等，降低了信號質(zhì)量。通過合理設置濾波器、增加系統(tǒng)隔離度、科學分配輻射功率以及降低電磁干擾等措施，能夠進一步提升無線通信多系統(tǒng)接入時的抗干擾能力，從而保障了地鐵各系統(tǒng)之間的高質(zhì)量通信。在地鐵公眾無線通信系統(tǒng)從4G 向5G 擴展的過程中，無線信號頻率更高，衰減情況更加嚴重，這種情況下無線通信多系統(tǒng)接入抗干擾技術的應用前景更加廣泛。