王 鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)設(shè)計(jì)院， 710043， 西安∥高級(jí)工程師)

西安機(jī)場線(西安北至機(jī)場城際軌道項(xiàng)目)是連接西安咸陽國際機(jī)場和高鐵西安北站兩大交通樞紐的城際鐵路，與西安地鐵4號(hào)線在北客站實(shí)現(xiàn)同臺(tái)換乘。2016年開始建設(shè)西安機(jī)場線LTE-M(城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng))車地?zé)o線通信網(wǎng)，2019年底正式投入使用。該網(wǎng)絡(luò)綜合承載的業(yè)務(wù)包括：PIS(乘客信息系統(tǒng))視頻業(yè)務(wù)、IMS(視頻監(jiān)視系統(tǒng))業(yè)務(wù)、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)測業(yè)務(wù)。

基于西安機(jī)場線工程的特殊性及紅線外多個(gè)1.8 GHz TD-LTE(分時(shí)LTE)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)情況，綜合承載網(wǎng)的設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工程極富挑戰(zhàn)性。

1 機(jī)場線LTE-M系統(tǒng)建設(shè)的難點(diǎn)

西安機(jī)場線全長29.31 km，正線以高架長大區(qū)間為主，最高設(shè)計(jì)速度100 km/h。該線以地方無委會(huì)正式批復(fù)的1 790～1 805 MHz頻段資源為基礎(chǔ)，構(gòu)建雙網(wǎng)LTE-M系統(tǒng)(10 MHz A網(wǎng)和5 MHz B網(wǎng))。此外，機(jī)場線貫穿多處商業(yè)和工業(yè)開發(fā)區(qū)，沿線有多家企事業(yè)單位自建有1.8 GHz TD-LTE系統(tǒng)。因此，西安機(jī)場線LTE-M建設(shè)所面臨的難點(diǎn)主要集中在以下幾方面：

1) 機(jī)場線與西安地鐵4號(hào)線在北客站的干擾保護(hù)與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。西安地鐵4號(hào)線LTE-M系統(tǒng)占用1 785～1 805 MHz頻段中全部20 MHz頻率資源。機(jī)場線與西安地鐵4號(hào)線在北客站實(shí)現(xiàn)地下二層一島兩側(cè)同臺(tái)換乘。4號(hào)線站臺(tái)軌行區(qū)無線信號(hào)覆蓋采用中隔墻上掛板狀定向天線的方式。

2) 機(jī)場線與西安地鐵4號(hào)線在草灘停車場的干擾保護(hù)與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。機(jī)場線渭河南站(高架站)及鄰近區(qū)間與西安地鐵4號(hào)線草灘停車場僅一墻之隔，停車場內(nèi)LTE-M系統(tǒng)采用立桿安裝定向天線的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋。

3) 機(jī)場線與渭河電廠、長慶石化在高架區(qū)間的干擾保護(hù)與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。機(jī)場線渭河南—秦宮區(qū)間外2.5 km處建有渭河電廠自建LTE系統(tǒng)。長陵—擺旗寨區(qū)間外3 km處建有長慶石化自建LTE系統(tǒng)，且均采用高鐵塔+定向天線的方式實(shí)現(xiàn)廠區(qū)信號(hào)覆蓋。

4) 機(jī)場線與西安咸陽國際機(jī)場在高架區(qū)間的干擾保護(hù)與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。機(jī)場線空港新城站及鄰近區(qū)間距離西安咸陽機(jī)場圍墻最近處僅600 m，西安咸陽國際機(jī)場TD-LTE寬帶無線通信網(wǎng)占用1 785～1 795 MHz頻率資源，該系統(tǒng)采用板狀定向天線的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋。

2 機(jī)場線LTE-M系統(tǒng)干擾保護(hù)措施

對(duì)于系統(tǒng)的干擾保護(hù)，一般有頻率隔離、空間隔離、小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)、基站規(guī)劃參數(shù)調(diào)整等手段，各種保護(hù)措施的特點(diǎn)如表1所示。

表1 LTE-M系統(tǒng)干擾保護(hù)措施

針對(duì)機(jī)場線特殊工況，首先明確機(jī)場線LTE-M系統(tǒng)方案的工程設(shè)計(jì)原則：

1) 全線漏纜覆蓋。針對(duì)機(jī)場線高架區(qū)間較多的特點(diǎn)，確定所有正線區(qū)間、出入段線、試車線全部使用漏纜覆蓋；高架側(cè)式車站、場段咽喉區(qū)使用吸頂或板狀定向天線補(bǔ)盲[2]，可最大限度避免機(jī)場線對(duì)紅線外部環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾。同時(shí)漏纜覆蓋具備場強(qiáng)集中的優(yōu)點(diǎn)，更利于抵御外部干擾信號(hào)。

2) 優(yōu)化漏纜敷設(shè)位置。通過將隧道區(qū)間漏纜敷設(shè)高度控制在3.7～4.1 m之間、高架區(qū)間漏纜敷設(shè)高度控制距離軌面0.3～0.9 m之間，可最大限度降低額外耦合損耗，提升抗干擾能力[3]。

3) 超級(jí)小區(qū)組網(wǎng)。在高架區(qū)間左、右線分別設(shè)置RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元)實(shí)現(xiàn)LTE信號(hào)覆蓋，左、右線同一里程RRU配置為超級(jí)小區(qū)，避免小區(qū)間干擾[4]。

4) 壓縮覆蓋范圍。在遭遇干擾風(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)域內(nèi)，適當(dāng)壓縮單RRU小區(qū)覆蓋范圍至900 m以內(nèi)。同時(shí)為后期優(yōu)化越區(qū)切換算法提供調(diào)整余量[5]。

5) 提升終端可靠性。車頂設(shè)置兩幅鯊魚鰭單極化天線，車底左、右各設(shè)置一副板狀雙極化天線，提高系統(tǒng)可靠性。

6) A、B網(wǎng)RRU均同站址布放。對(duì)于LTE的鄰頻干擾，主要考慮其帶外阻塞的影響，因此設(shè)計(jì)時(shí)要求將雙網(wǎng)RRU布放里程點(diǎn)均保持一致。

其次，采用定量分析的方式制定具體措施。根據(jù)LTE-M規(guī)范要求，最小RSRP(參考信號(hào)接收功率)不低于-95 dBm，SINR(信噪比)不低于3 dB。SINR的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：

RSIN——SINR(信噪比)，dB；

VC——載波信號(hào)電平值的均方根；

VN——其他噪聲電平值均方根，包含了底噪、異系統(tǒng)的干擾信號(hào)以及來自機(jī)場線自身的同頻干擾信號(hào)。

RSRP可等價(jià)為20 lgV?？紤]到底噪遠(yuǎn)小于來自同頻異系統(tǒng)的干擾，可假設(shè)：

VN=V干擾+V底噪

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)可得：

RSIN=20 lgVC-20 lgVN=PRSR-20 lgVN=

PRSR-20 lg(2V干擾)=

PRSR-PRSR干擾-6 dB

(3)

式中：

PRSR——RSRP(參考信號(hào)接收功率)，dBm。

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，可將SINR指標(biāo)設(shè)定為≥9dB，則根據(jù)式(3)可得系統(tǒng)的干擾保護(hù)準(zhǔn)則為[6]：

PRSR≥PRSR干擾+15 dB

(4)

即保證本線LTE信號(hào)與干擾系統(tǒng)信號(hào)之間RSRP差值≥15 dB時(shí)，外部干擾對(duì)本系統(tǒng)的影響可忽略不計(jì)。以此參數(shù)作為定量分析的指標(biāo)，依照理論計(jì)算、模擬仿真、外場實(shí)測、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的系列步驟開展設(shè)計(jì)和調(diào)試工作。

另外，由于雙方均工作在同一頻帶內(nèi)，對(duì)于相互間的鄰頻干擾，同樣要考慮帶外阻塞的影響，在不考慮隔離度的情況下，只要干擾信號(hào)不大于16 dBm/20 MHz即可滿足系統(tǒng)正常工作要求[1]。

3 機(jī)場線LTE-M系統(tǒng)優(yōu)化

機(jī)場線與各外部LTE系統(tǒng)的干擾保護(hù)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略基本一致?，F(xiàn)以機(jī)場線與西安地鐵的干擾分析和處理方案為例進(jìn)行說明。

3.1 機(jī)場線與西安地鐵4號(hào)線在北客站干擾處理及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

由于機(jī)場線獲批的15 MHz的頻率資源與4號(hào)線使用的20 MHz頻段完全重疊，因此無法使用頻率隔離措施。雖然LTE小區(qū)間的同頻干擾是一種窄帶的隨機(jī)干擾，即使不采用ICIC技術(shù)，基于OFDMA(正交頻分多址接入)的LTE系統(tǒng)天然具備干擾隨機(jī)化的能力[7]。但在雙方系統(tǒng)均滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)手段嚴(yán)重受限，只能通過空間隔離和基站參數(shù)配置手段進(jìn)行設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化：機(jī)場線采用在本方中隔墻廣告燈箱上方敷設(shè)漏纜的方式來精確控制信號(hào)場強(qiáng)和覆蓋范圍，漏纜敷設(shè)方向與4號(hào)線一致并互為鏡像，確保沿著軌道同一方向的無線場強(qiáng)變化趨勢(shì)相同，場強(qiáng)同強(qiáng)同弱便于干擾控制；機(jī)場線和4號(hào)線雙方基站設(shè)置相同發(fā)射功率、相同時(shí)隙配比、相同特殊子幀配比，均首選GPS同步方案。

如圖1所示，兩線中隔墻間隔26 m，漏纜耦合損耗增加約11 dB，屏蔽門頂部鋼板及墻體的穿透損耗≥10 dB。在雙線同時(shí)開啟屏蔽門時(shí)，無線干擾最為嚴(yán)重，即使不考慮車體、人體、天花板等影響，空間隔離度仍可達(dá)21 dB以上。理論分析表明，在雙方發(fā)射功率一致的情況下，方案能夠滿足系統(tǒng)信噪比≥15 dB的限值要求，且信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于16 dBm/20 MHz，初步認(rèn)定干擾可控。

圖1 機(jī)場線與4號(hào)線同臺(tái)換乘示意圖

后期網(wǎng)優(yōu)階段如圖2所示，機(jī)場線軌行區(qū)范圍內(nèi)實(shí)測出4號(hào)線LTE信號(hào)強(qiáng)度均低于-100 dBm，在此區(qū)域內(nèi)機(jī)場線控制發(fā)射功率≥-80 dBm(含衰落儲(chǔ)備)時(shí)即可滿足雙方的干擾保護(hù)要求。

圖2 機(jī)場線軌行區(qū)內(nèi)的4號(hào)線信號(hào)強(qiáng)度

3.2 機(jī)場線渭河南站與西安地鐵4號(hào)線草灘停車場間的干擾處理及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

西安地鐵草灘停車場采用板狀定向天線覆蓋LTE信號(hào)。如圖3所示，RRU1距離渭河南站較近，其無線信號(hào)輻射范圍大且較難收斂，此處以RRU1為研究對(duì)象。

在前期不具備現(xiàn)場測試、調(diào)試條件時(shí)，應(yīng)首先收集4號(hào)線基站參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行仿真，模擬其覆蓋范圍和場強(qiáng)分布，保證后期機(jī)場線的設(shè)計(jì)能否預(yù)留優(yōu)化裕量。以10 MHz頻寬的A網(wǎng)為例，仿真模型輸入?yún)?shù)如表2所示。

圖3 4號(hào)線停車場RRU分布

表2 仿真模型輸入?yún)?shù)

圖4的仿真結(jié)果顯示，機(jī)場線內(nèi)來自4號(hào)線的干擾信號(hào)均大于-95 dBm。該結(jié)果與后期現(xiàn)場電磁環(huán)境測試的數(shù)據(jù)基本一致。

圖4 渭河南站附近干擾強(qiáng)度分布

通過協(xié)調(diào)設(shè)備廠家優(yōu)化4號(hào)線草灘停車場運(yùn)用庫口A網(wǎng)RRU1(3號(hào)扇區(qū)、PCI編號(hào)127)的天線方位角、下傾角以及RRU功率，調(diào)整前后站點(diǎn)的工程參數(shù)如表3所示。

表3 干擾站參數(shù)優(yōu)化

經(jīng)調(diào)整后，在機(jī)場線范圍內(nèi)實(shí)測來自4號(hào)線的干擾信號(hào)最高場強(qiáng)為-105 dBm，因此機(jī)場線控制本線信號(hào)強(qiáng)度≥-95 dBm(含衰落儲(chǔ)備)時(shí)即可滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。

4 結(jié)語

隨著工業(yè)與信息化部關(guān)于1.8 GHz頻率資源使用政策的發(fā)布，以及中國交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)LTE-M系列規(guī)范的正式實(shí)施，LTE-M系統(tǒng)在各城市軌道交通中的建設(shè)規(guī)模逐步加大，線網(wǎng)級(jí)應(yīng)用的雛形已經(jīng)形成。鑒于20 MHz頻率資源有限以及多行業(yè)共用的性質(zhì)，線網(wǎng)級(jí)應(yīng)用將面臨復(fù)雜的頻率規(guī)劃和干擾保護(hù)問題。機(jī)場線的工程特點(diǎn)幾乎涵蓋了所有需要進(jìn)行LTE-M干擾保護(hù)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的場景。通過本文提及的工程設(shè)計(jì)思路，以及干擾保護(hù)所涉及的理論計(jì)算、仿真、實(shí)測、網(wǎng)優(yōu)等措施，可為各城市LTE-M系統(tǒng)線網(wǎng)級(jí)應(yīng)用的頻率規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作提供有價(jià)值的參考。