地鐵移動通信無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)研究

黃艷福 ，戚喜成 ，姚賽彬 ，高修遠 （.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司，上海00050；.中國聯(lián)通上海分公司，上海00080）

1 地鐵無線覆蓋技術(shù)要點

1.1 地鐵無線覆蓋的特點及思路

1.1.1 地鐵無線覆蓋的特點

地鐵無線覆蓋分為地上和地下2個部分。地上部分通常指地面站和高架站，一般都是由室外的宏站進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，有些運營商會在一些話務(wù)量高的地面站和高架站建設(shè)街道站或分布系統(tǒng)天線陣來吸收話務(wù)量。地下部分指地鐵的地下站，通常所說的地鐵無線覆蓋都是指地下部分。

與室外宏站、普通樓宇的覆蓋方式相比，地鐵無線覆蓋有如下特點。

a）地鐵站由站廳層、站臺層、隧道區(qū)間3個部分組成，覆蓋場景復(fù)雜。

b）地鐵人流量在高峰與閑時有巨大差異，高峰的瞬時話務(wù)量高。

c）地鐵一般采用多運營商合建的覆蓋系統(tǒng)，系統(tǒng)間干擾大，工程復(fù)雜度較高。

d）地下部分基本都是信號盲區(qū)，無室外信號可用。

e）隧道長度不固定，因此建設(shè)方案也不盡相同。

1.1.2 地鐵無線覆蓋方式

地鐵無線覆蓋的方式通常有以下幾種。

a）各運營商分別建設(shè)一套自己的分布系統(tǒng)來進行無線覆蓋。

b）各運營商共建一套分布系統(tǒng)，滿足全部的無線系統(tǒng)接入。

c）由第三方建設(shè)分布系統(tǒng)，各電信及傳媒運營商根據(jù)自己需要來租用。

目前主流的建設(shè)方式是由第三方建設(shè)集約化的分布系統(tǒng)，各運營商根據(jù)自己需要租用的方式。集約化建設(shè)方式示意圖如圖1所示。

1.1.3 地鐵無線覆蓋思路

a）考慮地鐵隧道空間受限，以及從節(jié)約成本的角度出發(fā)，設(shè)計時各運營商共用1套分布系統(tǒng)。

b）在地鐵隧道無線覆蓋設(shè)計時，盡量設(shè)計為純無源系統(tǒng)。在隧道區(qū)間增加有源設(shè)備后，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，地鐵運營后，隧道區(qū)間的維護檢修時間比較短，應(yīng)急處理能力差。

c）多運營商的合路覆蓋，會造成各系統(tǒng)間的干擾，通過分布系統(tǒng)的收發(fā)分纜，以及引入多系統(tǒng)合路平臺（POI），抑制系統(tǒng)間的干擾、提高相互間的隔離度。

d）為保證各地鐵站通信的穩(wěn)定性，建議各站設(shè)置獨立的微蜂窩系統(tǒng)，盡量避免光纖直放站拉遠的建設(shè)方式。

e）根據(jù)已開通地鐵站的使用情況，地鐵機房位置及面積應(yīng)規(guī)劃得更加合理，機房盡量安排在站臺上，并為以后基站擴容預(yù)留一定的機房面積。

1.2 網(wǎng)絡(luò)接入需求

圖1 集約化建設(shè)方式示意圖

公共接入系統(tǒng)主要指電信及傳媒運營商在地鐵中能正常給用戶提供業(yè)務(wù)所需要接入的網(wǎng)絡(luò)，目前主要是移動通信網(wǎng)及數(shù)字電視等。

早期的地鐵覆蓋只有各運營商建設(shè)的2G網(wǎng)路，隨著3G的正式商用，各運營商在地鐵無線覆蓋中均要求實現(xiàn)2G、3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋。表1示出的是地鐵無線覆蓋接入系統(tǒng)及頻率匯總。

由于GSM900M的線路損耗比GSM1800M要小很多，因此地鐵無線覆蓋時運營商不會采用GSM1800M接入系統(tǒng)，當(dāng)然設(shè)計時可以為GSM1800M留有信源接入端口。

1.3 地鐵公共無線系統(tǒng)間的干擾分析

隨著各運營商3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的日益完善，對于地鐵無線覆蓋而言，將面臨多系統(tǒng)制式共存的問題，如何解決好多制式間在無線頻帶內(nèi)的相互干擾，是目前關(guān)注的焦點。

通常主要存在的干擾有阻塞干擾、雜散干擾和互調(diào)干擾。

在無多系統(tǒng)合路覆蓋中，互調(diào)干擾和雜散干擾對系統(tǒng)的正常工作危害最大，解決此類干擾的根本方法是提高系統(tǒng)間的抑制比或隔離度，在工程設(shè)計中一般可采用如下解決方法。

表1 地鐵無線覆蓋接入系統(tǒng)及頻率匯總

a）地鐵站廳、站臺、隧道區(qū)間的分布系統(tǒng)采用上下行收發(fā)分纜的方式提高下行信號與上行信號的隔離度（包括空間耦合隔離度和上下行的鏈路損耗）。

b）選取具有較高互調(diào)抑制度的器件，如多系統(tǒng)合路平臺。

c）在隧道區(qū)間內(nèi)有源設(shè)備饋入點增加帶外抑制比大的合路器。

2 地鐵無線覆蓋解決方案

2.1 新建分布系統(tǒng)的設(shè)計思路

地鐵站一般是由站廳層、站臺層、雙向隧道區(qū)間組成。站廳設(shè)有乘客進出的通道、扶梯、進出檢票閘機、地鐵管控中心。站臺是乘客候車、上下車的區(qū)域。地鐵站站臺結(jié)構(gòu)有島式站和側(cè)式站之分。島式站的站臺在中間，軌道在兩側(cè)；側(cè)式站的軌道在中間，站臺在兩側(cè)。

地鐵站廳、站臺、隧道區(qū)間的分布系統(tǒng)設(shè)計思路：a）隧道區(qū)間采用泄漏電纜進行覆蓋。

b）島式站的站臺層采用天線陣和泄漏電纜相結(jié)合的方式進行覆蓋。

c）側(cè)式站的站臺層采用天線陣進行覆蓋。

d）站廳層及出入口通道和設(shè)備層采用天線陣進行覆蓋。

e）換乘站的換乘通道使用天線陣進行覆蓋。

2.1.1 地鐵站廳的無線覆蓋設(shè)計

地鐵的站廳一般比較空曠，面積為3 000~6 000 m2，人流比較密集，但移動速度比較慢，站廳的無線覆蓋可以采用常規(guī)樓宇的天線陣來進行，一般站廳只需要1套POI設(shè)備即可滿足覆蓋需求。

自由空間傳播損耗計算公式為

式中：

Ls——電磁波在自由空間傳播時的傳輸損耗（dB）

d——傳輸距離（m）

f——電波頻率（Hz）

c——光速（m/s），c=3×108m/s

上式的對數(shù)表示式為

表2示出的是各系統(tǒng)空間鏈路損耗。

表2 各系統(tǒng)空間鏈路損耗

天線點位間距一般為20~30 m，半徑為10~15 m，建議采用多天線小功率來覆蓋站廳，考慮到人流密度、系統(tǒng)儲備余量，根據(jù)工程經(jīng)驗建議天線半徑為10 m左右。

從表3可知，設(shè)計時天線入口功率均有較大余量，各系統(tǒng)無線信號可以進行無縫覆蓋。站廳分布系統(tǒng)設(shè)計時，需綜合考慮室內(nèi)外切換、站廳與站臺層的切換，以確保用戶從室外進出站廳、從站廳進出站臺層時通話信號的平穩(wěn)切換。

表3 各系統(tǒng)邊緣場強以及設(shè)計余量

2.1.2 站臺設(shè)計

一般地下站島式站比較普遍，高架站側(cè)式站偏多，但地鐵的換乘、地質(zhì)的結(jié)構(gòu)、車站出入口位置的選擇均會影響到地鐵站臺的設(shè)計方式。

側(cè)式站的站臺層通常采用天線陣進行覆蓋，而島式站的站臺層常采用天線陣和泄漏電纜相結(jié)合的方式進行覆蓋。泄漏電纜從站臺側(cè)壁中軸線附近開始向兩側(cè)敷設(shè)，各運營商的基站信源在通信機房內(nèi)接入POI，各信號經(jīng)過POI合路后通過饋線跳接到泄漏電纜上，進行隧道區(qū)間無線覆蓋，在跳接之前一般耦合一路信號來覆蓋站臺的天線點陣，因此，站臺和隧道區(qū)間均在同一個小區(qū)內(nèi)。表4示出的是站臺各系統(tǒng)邊緣場強以及設(shè)計余量。

2.1.3 隧道區(qū)間的覆蓋設(shè)計

隧道區(qū)間的無線覆蓋都是通過泄漏電纜來進行的，目前主要使用的泄漏電纜是安弗施和安德魯2家國外廠商的1-5/8″泄漏電纜，國內(nèi)生產(chǎn)泄漏電纜的廠商有亨鑫和漢通?，F(xiàn)以安德魯RCT7-CPUS-3A-AX型泄漏電纜為例，計算各系統(tǒng)在隧道內(nèi)的覆蓋距離（見表5）。

通過計算可以得出：2站隧道區(qū)間距離在1 500 m時，CDMA網(wǎng)、GSM網(wǎng)都可以良好地覆蓋隧道區(qū)間，達到邊緣場強-85 dB的設(shè)計指標，只有超過1 500 m才需要在隧道區(qū)間增加2G有源設(shè)備來增強覆蓋信號。但從鏈路計算中得出：各家運營商從基站輸出的3G信號在泄漏電纜上輸出310 m后就無法覆蓋隧道了，必須在隧道區(qū)間內(nèi)斷開泄漏電纜來增加有源設(shè)備。

表4 站臺各系統(tǒng)邊緣場強以及設(shè)計余量

表5 各系統(tǒng)隧道區(qū)間覆蓋范圍計算表

由圖2和圖3可以看到，為了兼顧2G、3G以及WLAN各系統(tǒng)的覆蓋需求，2個地鐵站之間每隔500~600 m就需要斷開一次，增加有源設(shè)備饋入點。表6示出的是目前各地地鐵建設(shè)的實際情況。

表6 隧道開斷次數(shù)建議表

此外，斷點的數(shù)量與機房內(nèi)POI設(shè)備的插損以及機房至隧道泄漏電纜間的饋線長度有很大關(guān)系。

2.2 現(xiàn)有集約化分布系統(tǒng)的3G改造

鑒于部分地鐵建設(shè)之初已做過了2G網(wǎng)絡(luò)的無線覆蓋，隨著3G發(fā)展的迫切需求，現(xiàn)今需要對已有的分布系統(tǒng)進行改造，支持各運營商3G網(wǎng)絡(luò)的接入。

2.2.1 站廳、站臺使用的合路器

地鐵通信機房內(nèi)使用合路器主要是考慮到3G信號經(jīng)過POI設(shè)備后插損過大，只讓CDMA、GSM進入POI設(shè)備，而各運營商的3G信號跳過POI，在POI后級增加多頻段合路器，把各自的3G信號合路在分布系統(tǒng)中。一般后級合路器插損可以控制在2 dB以內(nèi)，明顯低于POI的6 dB插損。

對于3G網(wǎng)絡(luò)的站廳、站臺覆蓋可以考慮在已有POI設(shè)備后級增加合路點進行改造（見圖4和圖5）。

覆蓋站廳層、站臺層的上行合路器信號一致，下行合路器略有區(qū)別，考慮到地鐵隧道區(qū)間需要有數(shù)字電視信號，因此，站臺層的下行合路器需要有DTV端口，站廳層的下行合路器就無需DTV端口了。

2.2.2 隧道區(qū)間使用的合路器

由于機房內(nèi)的各系統(tǒng)的信號經(jīng)過POI設(shè)備輸出后，覆蓋隧道區(qū)間的范圍都有限，需要在隧道內(nèi)開斷增加有源設(shè)備來延伸覆蓋，在隧道區(qū)間內(nèi)再增加POI設(shè)備顯然不合適，隧道空間有限，也不便維護，因此選用一些可以替代這些POI設(shè)備的合路器是最佳的選擇。

由于各運營商的接入端口需求不同，造成合路器的端口數(shù)目不同，目前上海地鐵中需要的隧道區(qū)間合路器主要分為6種（見表7）。

由于有了這些靈活多變的合路器，解決了許多臨時新增系統(tǒng)的接入，杜絕了重復(fù)建設(shè)，節(jié)省了投資。

在靈活使用合路器時，需要注意如下事項。

a）盡量選擇插損小而帶外抑制比大的合路器。

圖2 隧道區(qū)間開斷一處示意圖

圖3 隧道區(qū)間開斷兩處示意圖

圖4 POI上行原理圖

圖5 下行POI原理圖

表7 隧道區(qū)間多頻段合路器

b）合路器的帶內(nèi)波動、駐波比、功率容量、三階互調(diào)等重要指標應(yīng)符合設(shè)計要求。

c）隧道區(qū)間環(huán)境條件差，不利檢修，設(shè)備需滿足IP65標準。

合路器指標越高，投資成本也越大，成本的制約是合路器指標設(shè)計需要重點考慮的環(huán)節(jié)。

隧道區(qū)間的覆蓋方式通常是斷開泄漏電纜，增加多頻段合路器，因此提供3G信源接入點，即可達到3G改造要求。

2.3 分區(qū)方式

目前各運營商基本都能滿足地鐵乘客對網(wǎng)絡(luò)的容量需求，但網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量有待提高。因此，各站需要有獨立的微蜂窩配置，并且考慮到以后的擴容和維護的便利，參考上海已運營的多條線路的分區(qū)配置經(jīng)驗，可采用表8所示的分區(qū)方式。

表8 地鐵站分區(qū)表

3 結(jié)束語

本文對地鐵無線覆蓋技術(shù)、設(shè)計思路進行了分析和總結(jié)，主要包含地鐵無線覆蓋特點、接入系統(tǒng)及設(shè)計指標、系統(tǒng)間的干擾分析、2G/3G地鐵無線覆蓋方式、分區(qū)方式以及后期問題改進與新技術(shù)展望。由于地鐵建設(shè)在我國正如火如荼地展開，對于地鐵的無線覆蓋建設(shè)，希望本文能為廣大電信工程技術(shù)人員提供參考和借鑒，同時本文總結(jié)的一些工程實施問題和經(jīng)驗，也希望能為其他類似的工程設(shè)計提供前車之鑒，避免走彎路。

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