地鐵無線覆蓋網(wǎng)絡構(gòu)架和關(guān)鍵技術(shù)研究

張 濤，楊 新，吳曉樂（中訊郵電咨詢設計院有限公司，河南鄭州450007）

0 前言

全國各地開始大規(guī)模建設城市軌道交通，地鐵方便快捷、票價便宜，已成為上班族和進城務工人員出行的首選。對于移動通信運營商而言，為地鐵中的用戶提供優(yōu)質(zhì)的無線網(wǎng)絡接入服務，對其業(yè)務發(fā)展、市場競爭以及自身品牌的提升有著重要的意義。

地鐵無線覆蓋與傳統(tǒng)室內(nèi)外無線覆蓋相比有其自身特點。

a）地鐵通常由站廳、站臺、區(qū)間隧道組成，站廳和站臺為面覆蓋，區(qū)間隧道為線覆蓋，覆蓋場景復雜。

b）地鐵無線覆蓋多采用運營商共建共享的方式，各系統(tǒng)間干擾、損耗大。

c）移動用戶進出地鐵口以及列車在隧道中高速運行時，用戶小區(qū)切換頻繁。

本文針對地鐵無線網(wǎng)絡覆蓋中的難點，提出地鐵無線覆蓋的網(wǎng)絡構(gòu)架，對各種場景覆蓋策略、小區(qū)劃分、切換策略、POI和泄漏電纜的應用等關(guān)鍵問題進行深入的研究，并將研究成果應用到某運營商地鐵線路的網(wǎng)絡建設中，達到了良好的覆蓋效果，為后續(xù)的地鐵無線網(wǎng)絡設計提供較好的參考價值。

1 地鐵覆蓋網(wǎng)絡構(gòu)架

圖1 地鐵無線覆蓋綜合網(wǎng)絡構(gòu)架

受地鐵施工條件和投資的限制，在地鐵的網(wǎng)絡覆蓋建設中，各運營商多采用共建共享的模式。地鐵覆蓋網(wǎng)絡構(gòu)架涉及無線、電源、傳輸3 個部分，網(wǎng)絡架構(gòu)如圖1所示。

無線：為避免多系統(tǒng)間的干擾，3家運營商的無線主設備利用POI或多頻分合路器進行上、下行合路后，通過室內(nèi)分布系統(tǒng)、泄漏電纜對地鐵站廳、站臺、區(qū)間隧道進行網(wǎng)絡覆蓋。

電源：根據(jù)無線主設備安裝位置，可以采用2種方式供電。利用組合開關(guān)電源對機房內(nèi)的無線、傳輸設備供電；利用直流遠供技術(shù)對機房外（弱電井、區(qū)間隧道開斷點）的無線設備供電。

傳輸：從機房到每個無線主設備開斷點貫通布放48 芯光纜（3 家運營商共用，每家平均分配16 芯）供BBU 和RRU、RRU 和RRU 之間進行級聯(lián)和小區(qū)劃分。地鐵站通信機房之間貫通144芯光纜（3家運營商共用、每家48芯）供傳輸和數(shù)據(jù)使用。

2 地鐵無線覆蓋的關(guān)鍵技術(shù)

地鐵無線覆蓋中一般涉及多家運營商的多個通信系統(tǒng)，無線系統(tǒng)需要考慮更寬的頻段、更好的干擾控制，以應對更復雜的覆蓋場景和惡劣的施工條件。對于地鐵覆蓋來說，無線覆蓋策略、小區(qū)切換和劃分、POI 和泄漏電纜的應用是影響地鐵覆蓋效果的關(guān)鍵，需要在規(guī)劃和設計中重點關(guān)注。

2.1 地鐵無線覆蓋策略

地鐵覆蓋場景主要包括站廳、站臺、區(qū)間隧道等場景。

2.1.1 站廳、站臺覆蓋策略

地鐵車站由站廳和站臺2 層組成，站廳層供乘客檢票和進出車站，站臺供乘客候車使用。站廳、站臺覆蓋方式為面覆蓋，可以采用天線陣方式覆蓋策略，各系統(tǒng)要求邊緣場強大于或等于-80 dBm。

各系統(tǒng)POI 合路后通過上、下行分布系統(tǒng)（上、下行天線隔離度大于0.5 m）進行網(wǎng)絡覆蓋。覆蓋半徑按15 m 考慮，傳播模型采用自由空間傳播損耗模型（L=32.4+20lg d+20lg f，d 為距離，單位為km，f 為頻率，單位為MHz），各種頻段下站廳、站臺天線入口最小功率需求如表1所示。

表1 站廳、站臺各種頻段下天線入口最小功率需求

對于2G 系統(tǒng)，理論上天線最小入口功率要求較低，但實際設計中，考慮到分布系統(tǒng)天線口功率的均衡性，建議各個系統(tǒng)天線口輸出功率均大于0 dBm。

2.1.2 區(qū)間隧道網(wǎng)絡覆蓋

區(qū)間隧道是地鐵車輛運行線路的主要構(gòu)成部分，隧道中有大量的乘客，是地鐵無線網(wǎng)絡覆蓋需要關(guān)注的重點，可采用泄漏電纜方式進行覆蓋，要求各系統(tǒng)邊緣場強大于或等于-85 dBm。

根據(jù)泄漏電纜和室分器件的技術(shù)指標，結(jié)合運營商各個系統(tǒng)RRU的輸出功率，可以計算出各個系統(tǒng)泄漏電纜的覆蓋距離，如表2所示。通過計算，可以看出TD-SCDMA 系統(tǒng)信源輸出功率較低，且其E 頻段在泄漏電纜中的傳輸損耗及空間鏈路耦合損耗都較高，導致其單邊覆蓋距離最短。在設置泄漏電纜開斷點時應主要參考TD-SCDMA系統(tǒng)，其他系統(tǒng)以此為基礎(chǔ)進行信源設置。

圖2 為某運營商地鐵線區(qū)間隧道下行設備連接圖。從圖2 中可以看到，各系統(tǒng)RRU 信號通過6 頻分合路器饋入泄漏電纜，由于3G 系統(tǒng)頻率較高，覆蓋距離較短，故在每個區(qū)間隧道開斷點都需要設置3G RRU，3G 2 個開斷點間距600～650 m。2G 系統(tǒng)覆蓋距離較長，可每2 個開斷點設置1 個2G RRU，2G 2 個開斷點間距1 200～1 300 m。

同時為保證主線區(qū)間隧道的良好覆蓋效果，一般采用泄漏電纜上、下行分開的方式進行覆蓋，且上、下行2 根泄漏電纜保持300 mm 的空間隔離度。根據(jù)地鐵車窗高度，確定2 根泄漏電纜布放高度在車窗范圍內(nèi)，并保持覆蓋方向正對車窗。

表2 無線系統(tǒng)泄漏電纜覆蓋距離統(tǒng)計表

圖2 某運營商地鐵區(qū)間隧道設備下行連接圖

2.2 無線網(wǎng)小區(qū)切換策略

地鐵無線系統(tǒng)要達到良好的覆蓋效果和用戶感知，小區(qū)切換是必須考慮和解決的重要問題，以避免因切換而造成掉話。

2.2.1 乘客出入地鐵站和站廳站臺間的切換

乘客出入地鐵站、從站廳到站臺時會發(fā)生2 小區(qū)之間的切換。GSM 是硬切換系統(tǒng)，切換時間最長，以GSM用戶出入地鐵站廳為例進行分析：按照切換時間6 s 算（考慮部分冗余），乘客走動的速度約為1.5 m/s，需要的切換距離為6×1.5=9 m。在乘客扶梯位置的天花板上設計吸頂天線，可確保良好切換。對于CDMA和3G系統(tǒng)，其切換一般為軟切換，切換時間短（小于2 s），在與GSM網(wǎng)絡類似條件下更容易實現(xiàn)良好切換。

2.2.2 區(qū)間隧道小區(qū)之間的切換

隧道中列車上的移動終端在通過泄漏電纜輻射的不同小區(qū)信號的交會處時會發(fā)生切換。以GSM 系統(tǒng)為例：切換時間小于或等于6 s，地鐵列車設計時速為80 km/h（22.3 m/s），完成單向切換需要的距離為22.3×6≈134 m。同理可得其他系統(tǒng)的切換距離（見表3）。為保證各系統(tǒng)在區(qū)間隧道2 小區(qū)之間的切換成功率，需在設置泄漏電纜開斷點和信源時預留部分功率余量。

表3 區(qū)間隧道內(nèi)各種制式切換距離

2.2.3 列車出入隧道口時與室外小區(qū)的切換

列車出入隧道的過程中，現(xiàn)網(wǎng)駐留小區(qū)信號會迅速減弱，切換小區(qū)信號迅速增強，會導致小區(qū)信號發(fā)生切換。為了保證隧道內(nèi)外的切換，一般采用在隧道口泄漏電纜末端增加定向平板天線對隧道出口方向覆蓋的方式，以確保與外部宏基站小區(qū)形成足夠的重疊區(qū)。在雙向隧道情況下，還需同時保證用于切換的2個隧道口天線隸屬同一小區(qū)，以保證切換的效果。地鐵列車的設計時速在80 km/h 左右，GSM 越區(qū)切換時間按雙向12 s考慮，而各系統(tǒng)功率將RRU的輸出接入定向平板天線，在邊緣場強大于-85 dBm要求下，切換距離不小于268 m。

2.2.4 LA C 區(qū)切換策略

地鐵無線LAC區(qū)劃分可采用以下2種方式。

方式一，將地鐵覆蓋基站劃至同一LAC 區(qū)中，即地鐵覆蓋基站的LAC 與所在區(qū)域的室外宏站可能隸屬于不同的LAC區(qū)。

方式二，根據(jù)原有大網(wǎng)LAC 的管轄區(qū)域，將各地鐵覆蓋基站劃至地鐵所在區(qū)域的室外站LAC區(qū)中，即覆蓋地鐵基站分別隸屬不同的LAC區(qū)。

上述2種LAC區(qū)劃分方案各有優(yōu)劣，表4給出了2種方式的對比，若地鐵在地上地下交替穿梭，且穿過LAC 區(qū)較少，可采用方式二進行LAC 區(qū)劃分；若地鐵只在地下進行，且穿過LAC 區(qū)較多，可采用方式一進行LAC區(qū)劃分。

表4 不同LAC區(qū)劃分方式對比

2.3 無線網(wǎng)小區(qū)劃分策略

根據(jù)上述小區(qū)切換策略，為適應遠期容量要求，地鐵無線系統(tǒng)一般按每站2～4個小區(qū)設計。小區(qū)1覆蓋站廳和車站出入口；小區(qū)2覆蓋站臺和站臺側(cè)隧道；小區(qū)3和4覆蓋部分較長的區(qū)間隧道。

2.4 PO I和泄漏電纜的應用

地鐵無線覆蓋一般采用多家運營商共建共享的模式，需要同時考慮7～8套無線通信系統(tǒng)接入，通常采用POI 將多個系統(tǒng)整合在一起，區(qū)間隧道的覆蓋一般采用泄漏電纜覆蓋，下面主要介紹POI、泄漏電纜的選型與應用。

2.4.1 PO I的選型與應用

POI 需關(guān)注的技術(shù)指標有頻率范圍（一般要求為800～2 700 MHz）、插入損耗（一般要求小于或等于5～6 dB）、端口隔離度（一般要求大于或等于40～90 dB）、帶外抑制（一般要求大于或等于40～90 dB）。

2.4.2 泄漏電纜的選型與應用

區(qū)間隧道的網(wǎng)絡覆蓋一般采用13/8″泄漏電纜，對于泄漏電纜的技術(shù)參數(shù)，主要關(guān)注傳輸損耗和耦合損耗。傳輸損耗為泄漏電纜每千米傳輸所損耗的功率，一般在20～70 dB/km；耦合損耗為信號由泄漏電纜開口處到外部空間一定距離的空間損耗，一般采用距電纜2 m 空間為統(tǒng)計基準，耦合損耗值還分50%的點和90%的點2 個指標，一般采用90%的點耦合損耗指標作為鏈路預算依據(jù)，不同類型的泄漏電纜耦合損耗指標也不一樣，一般在60～70 dB。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)某運營商地鐵無線網(wǎng)覆蓋工程經(jīng)驗，提出了地鐵無線覆蓋的網(wǎng)絡架構(gòu)，對地鐵無線網(wǎng)絡覆蓋策略、小區(qū)劃分、切換策略、POI 和泄漏電纜的應用等地鐵覆蓋的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。相關(guān)研究成果在某運營商地鐵線路的網(wǎng)絡建設中已經(jīng)得到應用，達到了良好的覆蓋效果，為后續(xù)的地鐵無線網(wǎng)絡設計提供了思路和經(jīng)驗。

［1］ 張長鋼，孫保紅，李猛，等. WCDMA 無線網(wǎng)絡規(guī)劃原理與實踐［M］.北京：人民郵電出版社，2005：92-114.

［2］ 侯立軍，唐輝.移動通信的隧道覆蓋解決方案分析［J］.網(wǎng)絡電信，2006，8（10）：70-72.

［3］ 黃國暉，吳昊.高鐵隧道覆蓋中的“POI+泄漏電纜”解決方案［J］.中國新通信，2010，12（9）：76-82.

［4］ 郭本英，米世成. 隧道內(nèi)無線信號覆蓋論述［J］.信息通信，2013（5）：179-180.

［5］ 冷錦，馬為民，喬云，等. 多制式基站共站方式和干擾問題研究［J］.郵電設計技術(shù)，2012（10）：52-55.

［6］ 黃艷福，戚喜成，姚賽彬，等. 地鐵移動通信無線網(wǎng)絡建設研究［J］.郵電設計技術(shù)，2011（1）：23-28.

［7］ 施仲衡，周慶瑞，鄭曉薇，等. GB 50157 地鐵設計規(guī)范［EB/OL］.［2005-03-30］.http：//wenku.baidu.com/link?url=bC3FlYQeN9TmP?dl0km JzGJ303TGW f1Npsg8asINL_inCDEc5RPBPgOsMPR8a0PFlPq wpV8FQrHYAUauYz2NAm_ZU3C0z5CFLo0AGkiUge.

［8］ 朱春生.地鐵覆蓋方案淺析［J］.數(shù)據(jù)通信，2012（2）：52-54.

［9］ 邢強強，李新.地鐵通信系統(tǒng)引入TD-LTE 系統(tǒng)后的干擾分析研究［J］.移動通信，2012（18）：27-31.

［10］華為技術(shù)有限公司.CDMA2000 1x 無線網(wǎng)絡規(guī)劃與優(yōu)化［M］.北京：人民郵電出版社，2004：69-74.

［11］楊新，尤揚，張代飛，等.淺析移動通信隧道覆蓋方案與共建共享［J］.郵電設計技術(shù)，2014（10）：58-64.

［12］郭東亮. WCDMA 規(guī)劃設計手冊［M］. 北京：人民郵電出版社，2005：122-135.

［13］陳慧劍，張璟. WCDMA 室內(nèi)分布系統(tǒng)設計探討［J］. 移動通信，2006，30（1）：69-72.

［14］樊榮，肖偉明. 3G 室內(nèi)分布系統(tǒng)網(wǎng)絡規(guī)劃［EB/OL］.［2015-02-26］. http：//www.docin.com/p-674298793.html.

［15］張國棟，張進.WCDMA 室內(nèi)分布系統(tǒng)外泄標準［J］.電信工程技術(shù)與標準化，2006，19（12）：52-54.