朱佳 孫宜軍 山笑磊

【摘? 要】針對(duì)地鐵民用通信中5G NR與異系統(tǒng)間的干擾隔離度問(wèn)題，首先介紹了目前地鐵系統(tǒng)中引入的通信系統(tǒng)，并對(duì)主要存在的干擾類型進(jìn)行了分析;其次對(duì)地鐵內(nèi)可能存在的各類干擾進(jìn)行定量分析，通過(guò)最小耦合損耗分析法計(jì)算出各系統(tǒng)間的干擾隔離度;最后結(jié)合空間合理理論計(jì)算出水平和垂直隔離距離，為5G實(shí)際工程建設(shè)提供理論支撐。

【關(guān)鍵詞】地鐵民用通信;5G NR;干擾隔離度

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.08.010? ? ? 中圖分類號(hào)：TN915.81

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）08-0056-06

引用格式：朱佳，孫宜軍，山笑磊. 地鐵民用通信中5G NR與異系統(tǒng)間的干擾隔離度研究[J]. 移動(dòng)通信， 2019，43（8）： 56-61.

[Abstract]?Aiming at the problem of interference isolation between 5G NR and different systems in metro civil communications， this paper first introduces various communication systems in the current metro system and analyzes the main types of interference. Then the various types of potential interference in the metro are quantitatively analyzed where the interference isolation between different systems is calculated via the minimum coupling loss analysis method. Finally， the horizontal and vertical isolation distances are calculated based on the space reasonable theory， which provides theoretical support for the construction of 5G practical projects.

[Key words]metro civil communication; 5G NR; interference isolations

1? ?引言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)城市軌道交通也迅猛發(fā)展，截至2018年底，中國(guó)內(nèi)地（不含港澳臺(tái)）共有35個(gè)城市開通城市軌道交通，運(yùn)營(yíng)線路總計(jì)185條，線路總長(zhǎng)度5 761.4 km，預(yù)計(jì)到2020年，國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)規(guī)模將達(dá)到9 000 km。地鐵避開了城市擁堵的地面空間，越來(lái)越多的民眾選擇地鐵作為出行的重要工具。地鐵通信系統(tǒng)主要包括專用通信和民用通信。對(duì)于專用通信而言，它能夠有效實(shí)現(xiàn)地鐵車輛的調(diào)度通信;對(duì)于民用通信而言，由于地鐵場(chǎng)景的特殊環(huán)境，地下站廳、臺(tái)層、隧道內(nèi)軌行區(qū)將成為公共移動(dòng)通信的盲區(qū)，為解決此問(wèn)題，將民用通信系統(tǒng)引入地鐵車站和隧道，實(shí)現(xiàn)全方位覆蓋，保證乘客能夠即時(shí)通信。

現(xiàn)階段，地鐵民用通信覆蓋建設(shè)主要以2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)制式為主，對(duì)于2G/3G網(wǎng)絡(luò)，POI（Point of Interface）合路[1]采用上下行分纜方案，可以有效地防止各種下行頻段相互引起的干擾產(chǎn)物串入上行系統(tǒng)。但在引入4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)后，為了體現(xiàn)MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）的性能優(yōu)勢(shì)，4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)POI合路后就開始不做上下行區(qū)分，這種思路被沿用了一段時(shí)期，也未發(fā)生干擾問(wèn)題。在頻率資源有限的情況下，運(yùn)營(yíng)商逐步引入了1.8 GHz、2.1 GHz、2.6 GHz頻段網(wǎng)絡(luò)，干擾問(wèn)題立刻凸顯出來(lái)，嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及客戶感知，單純靠POI設(shè)備的隔離度已經(jīng)無(wú)法解決干擾問(wèn)題了，如何協(xié)同處理成了一個(gè)熱點(diǎn)難題。5G[2]預(yù)計(jì)在2020正式商用，地鐵屬于5G的典型應(yīng)用場(chǎng)景，為了保證地鐵場(chǎng)景的高流量、大連接特征，地鐵場(chǎng)景5G覆蓋已成為必然。

2? ?研究現(xiàn)狀

2019年1月5日，全國(guó)首個(gè)5G地鐵站（成都地鐵10號(hào)線太平園站）正式開通，是全國(guó)第一個(gè)覆蓋5G信號(hào)的地鐵站，采用的是基于2.6 GHz頻段的5G數(shù)字化室內(nèi)分布系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。它由5G網(wǎng)絡(luò)接入到無(wú)線客戶終端設(shè)備CPE（Customer Premise Equipment），將5G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化成Wi-Fi信號(hào)覆蓋整個(gè)站廳。2019年3月21日，全國(guó)首個(gè)5G“E站”入駐鄭州地鐵5號(hào)線中原福塔站，它是一種E站與5G室內(nèi)數(shù)字系統(tǒng)結(jié)合的新型室內(nèi)站型，用于解決室內(nèi)價(jià)值熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋問(wèn)題。2019年3月28日，吉林省首個(gè)5G地鐵站體驗(yàn)區(qū)開通，同樣是由5G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化成的Wi-Fi信號(hào)來(lái)覆蓋地鐵站。2019年4月18日，鄭州地鐵5號(hào)線區(qū)間隧道內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)成功，可滿足地鐵運(yùn)行狀態(tài)下的5G體驗(yàn)。這些都驗(yàn)證了基于已有的2.6 GHz頻段分布系統(tǒng)進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的可行性。

目前現(xiàn)有的5G NR（New Radio）部署方案中，只是基于2.6 GHz頻段進(jìn)行覆蓋，未對(duì)3.5 GHz頻段做覆蓋，現(xiàn)有的方案存在一定的局限性。另外，已覆蓋的地鐵站是將5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)化成Wi-Fi信號(hào)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的4T4R。5G發(fā)展成熟后，地鐵內(nèi)必然要部署2.6 GHz及3.5 GHz頻段，站廳、站臺(tái)和隧道區(qū)間共用一個(gè)分布系統(tǒng)，需考慮各個(gè)系統(tǒng)之間的相互影響。

干擾信號(hào)對(duì)通話質(zhì)量、服務(wù)質(zhì)量、小區(qū)切換、功率控制、容量以及網(wǎng)絡(luò)的覆蓋影響較為嚴(yán)重。以下三點(diǎn)是造成各系統(tǒng)間干擾最主要的客觀原因：

（1）站址資源是影響網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)的核心。

（2）多個(gè)運(yùn)營(yíng)商共存：中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信。

（3）多個(gè)網(wǎng)絡(luò)制式共存：GSM、WCDMA、CDMA20001X/DO、TD-SCDMA、LTE、5G NR。

研究干擾隔離度[3]的目的是將干擾水平控制在可接受范圍內(nèi)，保證各通信系統(tǒng)正常運(yùn)行。不同運(yùn)營(yíng)商間共建共享的基礎(chǔ)是分析系統(tǒng)間干擾隔離度。首先要分析5G NR與其他系統(tǒng)共址共建時(shí)所滿足的干擾隔離度，然后進(jìn)一步確定空間隔離距離，以此作為依據(jù)來(lái)規(guī)避干擾，從整體上優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

3? ?頻段分配

目前，國(guó)內(nèi)的5G網(wǎng)絡(luò)頻譜劃分[3]已經(jīng)完成初步確認(rèn)，三家運(yùn)營(yíng)商在地鐵項(xiàng)目擬接入16個(gè)民用通信系統(tǒng)及頻率[4]，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)制式及頻段如表1所示：

4? ?異頻間干擾分析

軌道交通民用通信系統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)[5]在站廳、站臺(tái)和隧道區(qū)間共用一個(gè)分布系統(tǒng)的POI、天線和漏纜。各系統(tǒng)發(fā)射有用頻率信號(hào)的同時(shí)，在其工作信道頻帶外還會(huì)產(chǎn)生一些無(wú)用信號(hào)，比如阻塞、雜散、互調(diào)等。這些頻譜信號(hào)落入某些系統(tǒng)的工作頻帶內(nèi)就會(huì)對(duì)其造成干擾[6]。

4.1? 干擾分類

目前地鐵民用通信系統(tǒng)一般都是通過(guò)POI對(duì)多個(gè)運(yùn)營(yíng)商的多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行合路，電纜采用上行、下行分開的布放方式。系統(tǒng)間干擾主要分為三種，分別是雜散干擾、阻塞干擾和互調(diào)干擾[7]。

（1）雜散干擾

雜散干擾是指一個(gè)系統(tǒng)頻段外的雜散輻射落入到另外一個(gè)系統(tǒng)的接收頻段內(nèi)造成的干擾。

（2）阻塞干擾

阻塞干擾是指設(shè)備接收微弱的有用信號(hào)時(shí)，受到接收頻率兩旁、高頻回路帶內(nèi)強(qiáng)干擾信號(hào)的干擾。

（3）互調(diào)干擾

互調(diào)干擾是指當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)干擾信號(hào)同時(shí)加到接收機(jī)時(shí)，由于非線性的作用，這兩個(gè)干擾的組合頻率有時(shí)會(huì)恰好等于或接近有用信號(hào)頻率而順利通過(guò)接收機(jī)所產(chǎn)生的干擾。

4.2? 干擾分析方法

移動(dòng)通信系統(tǒng)通常采用的干擾分析方法有兩種，一種是是靜態(tài)蒙特卡羅仿真法[8]，這種方法是指通過(guò)迭代計(jì)算仿真得出一個(gè)受到其他系統(tǒng)干擾影響的系統(tǒng);另一種是基于最小耦合損耗計(jì)算的確定性分析法，最小耦合損耗MCL（Minimum Coupling Loss）是指發(fā)射基站到接收基站之間的路徑損耗，包括天線增益和饋線損耗。基于鏈路預(yù)算原則[9]，通過(guò)計(jì)算兩個(gè)系統(tǒng)間的最小耦合損耗來(lái)確定系統(tǒng)間的干擾隔離度，從而來(lái)滿足接收機(jī)靈敏度。

本文將結(jié)合3GPP TS 36.101協(xié)議和3GPP TS 36.104協(xié)議規(guī)定的指標(biāo)要求，采用最小耦合損耗分析法，分別計(jì)算5G NR采用2.6 GHz頻段、3.5 GHz頻段以及4.9 GHz組網(wǎng)時(shí)與其他通信系統(tǒng)的隔離度，最后結(jié)合空間合理理論計(jì)算出水平和垂直隔離距離，為設(shè)計(jì)和施工提供重要依據(jù)。

5? ?干擾隔離度分析

根據(jù)干擾隔離要求，針對(duì)地鐵內(nèi)可能存在的各類干擾進(jìn)行定量分析。首先需計(jì)算出接收機(jī)底噪，即各系統(tǒng)工作信道帶寬內(nèi)總的熱噪聲功率，計(jì)算公式如下：

P=10log（KTB）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

K為波爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23;T為絕對(duì)溫度，在室溫17℃時(shí)，T=270 K，K為開爾文溫度單位;P0為熱噪聲功率譜密度，P0=K×T=4×10-18;B為接收機(jī)工作帶寬。上式帶入常量，以dBm為單位，上式表示為P=10log（KTB×1000 mW）。

P=-174+10lg（B）? ? ? ? （2）

根據(jù)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)制式的發(fā)射功率和工作信道帶寬，得出系統(tǒng)的熱噪聲功率如表2所示：

5.1? 干擾隔離度計(jì)算及結(jié)果分析

（1）雜散干擾隔離度計(jì)算

一般情況下，雜散輻射的干擾底限通常取7 dB，這時(shí)接收機(jī)可接受的最大靈敏度損失取值為0.8 dB，對(duì)系統(tǒng)幾乎無(wú)影響。雜散干擾的隔離度計(jì)算公式如下：

MCL≥Pspu+10lg-Imax-Nf? ? （3）

其中，MCL為隔離度;Pspu為干擾基站的雜散輻射強(qiáng)度，單位為dBm;Waffected為被干擾系統(tǒng)的信道帶寬，單位是kHz;Winterfering為干擾系統(tǒng)的測(cè)量帶寬，單位是kHz;Pspu+10lg為干擾基站在被干擾系統(tǒng)信道帶寬內(nèi)的雜散輻射強(qiáng)度;Imax為系統(tǒng)允許的最大干擾信號(hào)強(qiáng)度;Pn為被干擾系統(tǒng)的接收帶內(nèi)熱噪聲，單位是dBm;Nf為接收機(jī)的噪聲系數(shù)，一般地，此系數(shù)小于或等于5 dB。

在干擾分析中，Imax與接收機(jī)可接受的最大靈敏度損失有關(guān)，此時(shí)有：

Imax=Pn+10lg=Pn-7? ? ? ? ? ? （4）

所以：

MCL≥Pspu+10lg-Pn-Nf+7 （5）

根據(jù)雜散干擾計(jì)算公式以及各系統(tǒng)的噪聲基底及雜散系數(shù)，各系統(tǒng)間的雜散干擾隔離度計(jì)算結(jié)果如表3所示。

（2）阻塞干擾隔離度計(jì)算

在設(shè)計(jì)地鐵多系統(tǒng)合路的POI時(shí)，為了保證系統(tǒng)正常工作，要求系統(tǒng)的阻塞電平要大于或等于接收機(jī)輸入端的強(qiáng)干擾信號(hào)功率，即滿足：

Pb ≥接收的干擾電平=? P0-MCL? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

其中，Pb為接收機(jī)的阻塞電平指標(biāo)，P0為干擾發(fā)射機(jī)的輸出功率，所以系統(tǒng)間隔離度為：

MCL≥P0-Pb? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

根據(jù)阻塞干擾隔離度計(jì)算公式及阻塞干擾電平的要求，地鐵各系統(tǒng)阻塞干擾隔離度計(jì)算結(jié)果如表4所示。

（3）互調(diào)干擾隔離度計(jì)算

互調(diào)隔離度計(jì)算公式為：

MCL≥MAX（P1， P2， P3 ）-Pn-Nf+7? ? （8）

其中，MCL為隔離度;Pn為被干擾系統(tǒng)的接收帶內(nèi)熱噪聲，單位為dBm;P1、P2、P3分別為干擾系統(tǒng)1、干擾系統(tǒng)2、干擾系統(tǒng)3的信號(hào)強(qiáng)度，單位為dBm。

互調(diào)干擾的情況會(huì)很復(fù)雜，涉及到地鐵系統(tǒng)中的多個(gè)頻段，且信道又分為上行和下行。5G NR與其他系統(tǒng)共存時(shí)，產(chǎn)生互調(diào)干擾的隔離度計(jì)算結(jié)果如表5所示。

5.2? 5G NR與異系統(tǒng)間的綜合

干擾結(jié)果分析

由以上計(jì)算結(jié)果可知，在雜散干擾、阻塞干擾、互調(diào)干擾抑制這3個(gè)方面，最大隔離要求分別為90 dB、76 dB、176 dB。一般情況下，阻塞干擾的隔離度比雜散干擾的隔離度低很多，若隔離度能滿足雜散干擾的要求，即可滿足阻塞干擾的要求。

由互調(diào)干擾隔離度計(jì)算公式可知，在干擾系統(tǒng)輸出功率相同的條件下，隔離度也相同，被干擾系統(tǒng)的工作信道帶寬越小，系統(tǒng)的干擾隔離度越大。因此在研究5G NR與異系統(tǒng)間的互調(diào)干擾隔離度時(shí)只需計(jì)算5G NR與異系統(tǒng)的最低頻段（GSM 900）之間的隔離度即可。如果能夠通過(guò)某種增加隔離度的手段消除5G NR對(duì)GSM 900系統(tǒng)的干擾，那么5G NR與其他系統(tǒng)間都不會(huì)存在干擾。5G NR與GSM 900系統(tǒng)之間的三種干擾隔離度計(jì)算結(jié)果如下：

（1）雜散干擾：5G NR下行帶外雜散輻射可能干擾GSM 900的上行，雜散值為86 dB。

（2）阻塞干擾：5G NR的發(fā)射信號(hào)對(duì)GSM 900系統(tǒng)的阻塞干擾值為45 dB。

（3）互調(diào)干擾：5G NR下行POI三階交調(diào)產(chǎn)物可能干擾GSM 900上行，最大互調(diào)干擾176 dB。

目前，地鐵民用通信系統(tǒng)一般都是通過(guò)POI對(duì)多個(gè)運(yùn)營(yíng)商的多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行合路，電纜采用上行、下行分開的布放方式。POI設(shè)備的性能也比較穩(wěn)定，多個(gè)系統(tǒng)間的隔離度一般都能達(dá)到90 dB，完全能滿足以上雜散和阻塞干擾的隔離要求。POI合路器三階互調(diào)抑制值可以達(dá)到-140 dBc，因此，如果要消除176 dB的互調(diào)干擾，還有36 dB需要通過(guò)漏纜上下空間分纜來(lái)確保系統(tǒng)之間的隔離度要求。

5.3? 5G NR與異系統(tǒng)間的干擾隔離距離計(jì)算

天線垂直隔離度傳播損耗計(jì)算公式為：

Vi[dB]=28+40*lg? ? ? ? ? ? ? ? （9）

其中，Vi[dB]為接收天線與發(fā)射天線之間的垂直隔離度，dv為接收天線與發(fā)射天線之間的垂直距離，λ表示接收頻段范圍內(nèi)的電磁波波長(zhǎng)。

天線水平隔離度傳播損耗計(jì)算公式為：

Hi[dB]=22+20*lg-[（G1+G2）+（S1+S2）]? ? （10）

其中，Hi[dB]表示接收天線與發(fā)射天線之間的水平隔離度，dh表示接收天線與發(fā)射天線之間的水平距離，λ表示接收頻段范圍內(nèi)的電磁電波長(zhǎng)，G1、G2表示接收與發(fā)射天線最大輻射方向增益（單位為dBi），S1、S2表示接收與發(fā)射天線90°方向副瓣電平（單位為dBp），（G1+G2）+（S1+S2）通常默認(rèn)為2 dB。

由隔離距離公式可知，系統(tǒng)頻率越高，隔離距離要求就越低，因此在研究5G NR中三個(gè)頻段（2.6 GHz頻段、3.5 GHz頻段以及4.9 GHz頻段）與GSM 900M系統(tǒng)之間干擾隔離距離時(shí)，只需滿足5G NR中2.6 GHz頻段與GSM 900M系統(tǒng)間的隔離距離即可滿足5G NR中三種頻段與其他異系統(tǒng)之間隔離距離。

在這里，隔離度為36 dB的隔離距離通過(guò)代入上述公式可得：

（1）垂直隔離距離dv=0.183 m，因此，建議隧道內(nèi)上行、下行漏泄電纜相隔0.2 m即可滿足指標(biāo)要求。

（2）水平隔離距離dh=0.58 m，結(jié)合5G NR對(duì)天線間距的要求，建議站廳/站臺(tái)上行和下行天線間距0.7 m即可滿足指標(biāo)要求。

6? ?干擾規(guī)避方法

民用移動(dòng)通信系統(tǒng)之間的干擾規(guī)避可采取以下措施：

（1）采用高質(zhì)量高性能POI及寬頻器件實(shí)現(xiàn)多運(yùn)營(yíng)商合路覆蓋。目前常用的POI設(shè)備在不同系統(tǒng)間的隔離度一般都能夠達(dá)到90 dB，基本上能滿足以上雜散和阻塞的隔離要求。POI合路器三階互調(diào)抑制值，地鐵隧道分布系統(tǒng)互調(diào)應(yīng)小于-130 dBc@2*43 dBm，系統(tǒng)綜合互調(diào)應(yīng)達(dá)到-140 dBc@2*43 dBm左右。選擇高質(zhì)量、高性能器件，可以降低系統(tǒng)對(duì)空間隔離度的要求。

（2）減少互調(diào)干擾，合理調(diào)整干擾系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的輸出信號(hào)功率，采用合理的頻率分配方案和無(wú)互調(diào)的信道組。

1）中國(guó)聯(lián)通2.1G低頻部分（2 130 MHz—2 150 MHz）受干擾較嚴(yán)重，且存在自身下行信號(hào)與其他系統(tǒng)的三階互調(diào)影響自身上行信號(hào)的情況。建議優(yōu)先將中國(guó)聯(lián)通WCDMA2100系統(tǒng)進(jìn)行上下行分離配置，或建議中國(guó)聯(lián)通使用較高的頻率（2 150 MHz—2 170 MHz）部分配置。

2）中國(guó)移動(dòng)開啟1.8G DCS（FDD-LTE）后對(duì)中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通1.8G干擾嚴(yán)重，經(jīng)測(cè)試，該頻段前10 MHz對(duì)中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通的干擾尤為嚴(yán)重。在一般場(chǎng)景下，如中國(guó)移動(dòng)引入該頻段，分公司應(yīng)提前溝通，在不影響移動(dòng)業(yè)務(wù)的前提下，由高到低使用該頻段。

3）對(duì)于地鐵隧道等空間受限的場(chǎng)景，可以根據(jù)接入系統(tǒng)的情況，與運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)溝通，在開啟MIMO功能的時(shí)候降低技術(shù)指標(biāo)。

（3）天饋端采用上行、下行分纜。由于上行和下行分開，干擾源信號(hào)經(jīng)過(guò)下行分布系統(tǒng)路徑損耗及空間衰減后，再由上行分布系統(tǒng)路徑損耗反饋到被干擾源，這些損耗之和可以視為由于采用分纜帶來(lái)的額外隔離度。

7? ?結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合當(dāng)前5G的頻譜劃分，分析了多個(gè)系統(tǒng)間的干擾類型，進(jìn)一步研究了5G NR與不同系統(tǒng)間不同干擾類型的隔離度計(jì)算方法，采用最小耦合損耗干擾分析法計(jì)算出各系統(tǒng)間的干擾隔離度。最后結(jié)合目前POI的特性，計(jì)算分析了5G NR與異系統(tǒng)間的干擾隔離距離，并詳細(xì)闡述了干擾規(guī)避所采取的措施，對(duì)5G建設(shè)具有一定的指導(dǎo)作用。

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